План. Введение Глава 1. Оптические инструменты, вооружающие глаз. 1. Оптические приборы для визуальных наблюдений 2. Оптические инструменты 1. Лупа 2. Микроскоп 3. Зрительная труба 4. Проекционные аппараты 5. Спектроскоп. Глава 2. Дифракционные явления в оптических инструментах. 1. Дифракция Фраунгофера в геометрически сопряженных плоскостях 2. Дифракция Фраунгофера на щели и круглом отверстии 3. Интенсивность света в фокусе линзы 4. Дифракционный предел разрешения оптических инструментов 1. Разрешающая способность телескопа 2. Разрешающая способность глаза 3. Предел разрешения микроскопа 4. Замечание о нормальном увеличении оптических инструментов. Введение Оптика - раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения света, его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптика - это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10-5-10-7 м. Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 400-760 нм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом.
Он ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения.
С точки зрения физики происходящих процессов выделение столь узкого спектра электромагнитных волн видимого света не имеет особого смысла, поэтому в понятие оптический диапазон включает обычно ещ и инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ограничение оптического диапазона условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне.
Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины излучения, а так же использование примников света, действие которых основано на его квантовых свойствах. По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.
Геометрическая оптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Е задача - математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью показателя преломления n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи происходят по заданному пути. Наибольшее значение геометрической оптики имеет для расчта и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.
Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции, поляризации света и распространения в анизотропных средах.
Одна из важнейших традиционных задач оптики - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости решается главным образом геометрической оптикой с привлечением физической оптики. Геометрическая оптика дает ответ на вопрос, как следует строить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту.
Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов с требуемыми свойствами, а также технологию обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют оптические элементы.
Глава 1. Оптические инструменты, вооружающие глаз. 1.
В этом случае ход лучей в приборах несколько усложняется, но угловое у... Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет в ее фокаль... При рассматривании этого же предмета невооруженным глазом его следует ... Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета. Обозначим линейное увеличение, даваемое объективом, через n1, а окуляр...
Если аппарат предназначен для показа непрозрачных картин и чертежей, т... Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом. Спектроскоп Для наблюдения спектров пользуются спектроскопом. . Щель располагается в фокальной плоскости коллиматора, и поэтому светов...
Дифракционные явления в оптических инструментах. Дифракционные явления играют важную роль при работе оптических инструм... . Это означает, что изображения точечных объектов не могут быть точечным... Но даже идеальная линза, свободная от аберраций, не может дать идеальн...
В этом случае для пучка лучей, распространяющегося от каждой точки объ... 2.1. Роль препятствия, на котором свет испытывает дифракцию, играет диафраг... При этом расстояния а и b подчиняются формуле линзы 2.1 Для простоты м... Дифракция Фраунгофера в плоскости, геометрически сопряженной источнику.
Дифракция Фраунгофера на щели и круглом отверстии. Распределение l имеет главный максимум при 0 и эквидистантно расположе... Расчет фраунгоферовой дифракции на круглом отверстии оказывается доста... Центральное светлое пятно носит название пятна Эйри. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии. При оценке разрешающей спо...
Как следует из формулы 2.4, линейный размер дифракционного пятна пропо... Этот результат можно строго получить методом зон Френеля. Линзу следуе... На языке векторных диаграмм это означает, что линза выпрямляет цепочку... Вклад одной зоны равен A0, где А0 - амплитуда волны от источника. Из-за малого значения оптической длины волны отношение I I0 оказываетс...
Дифракционный предел разрешения оптических инструментов 2.4.1.
Под разрешающей способностью телескопа принято понимать разрешающую сп... Пусть с помощью телескопа, объектив которого имеет диаметр D, рассматр... При этом центры изображений находятся на расстоянии F. 2.4. Рисунок 2.4.
2.4.3. Поэтому формула 2.6 применима и к глазу, если под D понимать диаметр з... Полагая d3p 3 мм, 550 нм, найдем для предельного разрешения человеческ... Разрешающая способность глаза. Все сказанное выше о пределе разрешения... .
Радиус пятна Эйри в плоскости изображения равен 1.22LD, где D диаметр ... Отсюда для предела разрешения объектива микроскопа получаем выражение ... Это достигается целесообразным выбором увеличения оптического инструме... При заданном объективе задача сводится к подбору окуляра. Рисунок 2.6.
Заключение Практическое значение оптики и е влияние на другие отрасли знания исключительно велики.
Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без не не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы, связанные со зрением.
Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений.
Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в е приложениях в различных отраслях науки и техники.