Главные плоскости и точки.

Рассмотрим две сопряжённые плоскости, перпендикулярные к оптической оси системы. Отрезок прямой , лежащий в одной из этих плоскостей, будет иметь своим изображением отрезок прямой . Из осевой симметрии системы вытекает, что отрезки и должны лежать в одной проходящей через оптическую ось плоскости (в плоскости рисунка). При этом изображение может быть обращено либо в ту же сторону, что и предмет (Рис. 6.9а), либо в противоположную сторону (Рис. 6.9б). В первом случае изображение называется прямым, во втором – обратным. От

Рис. 6.9. Отрезки и , лежащие в сопряжённых плоскостях.

резки, откладываемые от оптической оси вверх принято считать положительными, откладываемые вниз – отрицательными.

Отношение линейных размеров изображения и предмета называется линейным или поперечным увеличением:

.

Линейное увеличение является алгебраической величиной. Оно положительно, если изображение прямое, и отрицательно, если изображение обратное.

Рис. 6.10. Возможное расположение главных плоскостей оптической системы.

Можно доказать, что существуют две такие сопряжённые плоскости, которые отображаются друг в друга с линейным увеличением . Данные плоскости называются главными. Главная плоскость в пространстве предметов называется передней главной плоскостью. Главная плоскость в пространстве изображений называется задней главной плоскостью. Обозначаются данные плоскости буквами и , соответственно. Аналогично обозначаются и их точки пересечения с оптической осью системы. В зависимости от устройства системы главные плоскости могут находиться как вне, так и внутри системы (Рис.9.10). Возможны ситуации, когда одна из главных плоскостей находится внутри системы, а другая – снаружи её. Иногда реализуется ситуация, когда обе главные плоскости находятся вне системы с одной стороны.

Фокусные расстояния и оптическая сила системы. Расстояние от передней главной точки до переднего фокуса называется передним фокусным расстоянием . Расстояние от до называется задним фокусным расстоянием . Фокусные расстояния – алгебраические величины. Они положительны, если соответствующий фокус лежит справа от своей главной точки, и наоборот. Для фокусных расстояний центрированной оптической системы, образованной двумя сферическими преломляющими поверхностями, имеется соотношение:

,

где - показатель преломления среды, находящейся перед оптической системой, а - преломления среды, находящейся за системой. При равенстве показателей преломления слева и справа модули фокусных расстояний равны. Величина

 

называется оптической силой системы. Чем больше , тем сильнее система преломляет лучи. Действительно, тем меньше будет фокусное расстояние, и тем меньше будет расстояние от главной плоскости до точки сбора параллельных лучей, падающих на линзу. Измеряется оптическая сила в диоптриях – 1/м.

Формула оптической системы. Задание кардинальных плоскостей или точек полностью определяет свойства оптической системы. В частности, зная их расположение, можно построить изображение предмета, даваемое системой. Возьмём в пространстве предметов отрезок , перпендикулярный к оптической оси (Рис. 6.11). Положение этого отрезка можно задать либо расстоянием от точки до точки , либо расстоянием от до . Величины являются алгебраическими (на рисунках указаны их модули).

Рис. 6.11. Кардинальные плоскости и точки системы позволяют построить изображение предмета ОР, создаваемое ей.

Проведём из точки луч 1, параллельный оптической оси. Он пересечёт плоскость в точке . В соответствии со свойствами главных плоскостей сопряжённый лучу 1 луч должен проходить через сопряжённую с точкой точку . Так как луч 1 параллелен оптической оси, из точки он пойдёт в точку . Теперь проведём из точки луч 2, проходящий через передний фокус. Он пересечёт плоскость в точке . Сопряжённый с ним луч пройдёт точку и пойдёт далее параллельно оптической оси. Изображение точки будет находиться на месте пересечения лучей и обозначаться . Изображение также перпендикулярно оптической оси системы.

Между расстояниями имеется соотношение, называемое формулой Ньютона:

.

Из формулы легко получить соотношение между :

.

Принцип Гюйгенса-Френеля.

Рис.6.12.

Далее мы перейдём к рассмотрению процессов, происходящих при падении света на преграду с отверстиями. При этом свет проникает в те области, куда по правилам геометрической оптики он проникать не должен. Данное явление соответствует волновой природе света и объясняется принципом Гюйгенса-Френеля: каждая точка, до которой в момент времени доходит фронт волны, становится источником вторичных сферических волн; огибающая этих волн проходит через фронт волны в момент времени (Рис.6.12).

Интерференция света.

Пусть две ЭМВ с одинаковой частотой находятся в одной области пространства и возбуждают колебания в одной плоскости:

.

При сложении данных волн амплитуда результирующего колебания будет подчиняться следующему выражению:

,

где - разность фаз. Если остаётся постоянной во времени, то волны называются когерентными. В случае некогерентных волн член, содержащий косинус, в среднем равен нулю, и амплитуда колебаний будет определяться как . С учётом того, что интенсивность , в некоторой точке пространства будет наблюдаться простое сложение интенсивностей. Иная картина происходит в случае сложения когерентных волн. Например, при и равных амплитудах можно наблюдать увеличение амплитуды в одних точках пространства в два раза, а в других – полное отсутствие поле. То есть, в пространстве будут чередоваться стационарные мини

а)	б)
Рис. 6.13. Интерференция а) плоской волны с волной, несущей оптический вихрь; б) двух соосных пучков.

мумы и максимумы интенсивности. Данное явление называется интерференцией волн.

Рис. 6.14. Интерферометр Фабри-Перо.

Явление интерференции используется в самых различных областях науки и техники. Специальные приборы – интерферометры, тем или иным способом используют интерференцию когерентных световых волн для определения их длины волны, точного измерения длин, оценки качества поверхностей в оптических системах. Кроме того, интерференция рентгеновских лучей (с длиной волны ( м) при отражении от кристаллов позволяет определить расстояние между его атомными плоскостями, кристаллическую структуру. В качестве примера можно привести интерферометр Фабри-Перо(Рис.6.14), который используется для исследования тонкой структуры спектральных линий. Он представляет собой две стеклянные или кварцевые пластины, разделённые воздухом или кольцом инвара (сплав никеля (0,36) и железа). Стороны пластин, обращённые друг к другу, тщательно отшлифованы (отклонения – до сотых долей длины волны). При попадании луча на внешнюю сторону одной из пластин в промежутке между ними происходит многолучевая интерференция, в результате которой формируется специфическая интерференционная картина по выходу из интерферометра.

 

Дифракция света

Дифракцией называется совокупность явлений, сопровождающих распространение волны в среде с резкими неоднородностями. Например, к ним относится огибание светом препятствий и его проникновение в область геометрической тени. В качестве другого примера можно привести прутик в воде, по которой бегут волны. Данные волны «не замечают» прутика, огибая его.

Различают два вида дифракции света. При падении на препятствие практически параллельного пучка лучей и прохождении через точку наблюдения также параллельного пучка лучей говорят о дифракции Фраунгофера. В противном случае говорят о дифракции Френеля.

Дифракционная решётка. Дифракционной решёткой называется совокупность большого числа одинаковых отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей. Она характеризуется периодом – расстоянием между серединами соседних щелей. При спектральных исследованиях после решётки, обычно, помещают собирающую линзу (Рис.6.15а), и затем проводят измерения на основе полученной интерференционной картины (Рис.6.15б).

а)	б)
Рис.6.15. а) использование дифракционной решётки при спектральных измерениях; б) дифракционная картина на экране.

Положение главных максимумов определяется формулой:

,

где - направление на максимум порядка , - период решётки, - длина волны излучения.