Реферат - Оптическая система глаза. Оптическая система глаза

• Название: Оптическая система глаза
• Дата: 16.05.2022
• Размер: 65.75 Kb.
• Имя файла: Реферат - Оптическая система глаза.docx
• Тип: Реферат; #533226
• страница: 3 из 4

Глава 3.2. Оптическая среда

Оптической средой называется такая среда, которая прозрачна для оптического излучения или хотя бы для какого-либо участка его диапазона. Характер распространения излучения зависит от свойств среды, в которой оно распространяется. К основным оптическим свойствам среды относятся изотропность, однородность, прозрачность, скорость распространения оптического излучения (скорость света).

В изотропных средах оптические свойства во всех направлениях одинаковы. Среды, у которых проявляется различие оптических свойств в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения, называются анизотропными.

В однородных средах во всем объеме обеспечивается постоянство оптических свойств и свет распространяется прямолинейно. В неоднородных средах прямолинейность искажается на участках с отличающимися оптическими свойствами.

Прозрачность среды влияет на величину потери световой энергии при прохождении излучения через данную среду. Чем ниже прозрачность среды, тем больше потери световой энергии. Оптическое стекло является основным материалом для изготовления оптических деталей, поэтому к нему предъявляются повышенные требования с точки зрения его однородности, изотропности и прозрачности.

Скорость распространения оптического излучения в различных средах не одинакова. Наибольшего значения она достигает в вакууме и составляет 300 000 км/с.

При переходе из одной оптической среды в другую скорость света изменяется. Она либо уменьшается, либо увеличивается. По этой причине на границе оптических сред световые лучи изменяют направление, отклоняясь от первоначального, т.е. преломляются.

Отношение скорости оптического излучения в вакууме с к скорости его в данной оптической среде vназывается абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления п

n = c / v

Показатель преломления для оптического стекла является одной из основных характеристик, так как от его значений зависит преломляющее действие оптических деталей. Значения п для каждой марки стекла должны быть строго определенными, поскольку они учитываются при конструировании и расчетах оптических систем. Показатель преломления оптического стекла измеряется на приборе, называемом рефрактометром.

Ниже приведены показатели преломления отдельных сред:
Таблица 2. Показатели преломления отдельных сред

Стекло оптическое	1.45 – 2.00
Кварц кристаллический	1.55
Бальзам (клей оптический)	1.54
Алмаз	2.42
Лед	1.31
Вода	1.33
Воздух	1.0003

На практике показатель преломления воздуха при p=700 мм рт. ст. и t° = 20°С принимается равным единице. Показатели преломления сред определяются относительно воздуха и называются относительными.
Глава 3.1. Дисперсия света

Скорость распространения света в одной и той же среде зависит от длины волны излучения, следовательно, и величина показателя преломления n зависит от длины волны. Показатель преломления среды является функцией длины волны: n=f(). Зависимость показателя преломления оптической среды от длины волны светового излучения называется дисперсией света.

Если показатель преломления среды с увеличением длины волны уменьшается, то такая дисперсия называется нормальной. Прозрачные вещества, в том числе и оптическое стекло, имеют нормальную дисперсию.

В видимой области оптического диапазона излучения для. фиолетового света среда имеет самый большой показатель преломления, а при красном свете - наименьший.

В области полос поглощения вещества и вблизи них происходит нарушение нормальной дисперсии: показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. В таком случае дисперсия называется аномальной.

Дисперсия света является причиной разложения естественного белого света на монохроматические составляющие - спектр - при прохождении его через преломляющую дисперсионную призму
Естественный свет, состоящий из монохроматических излучений с длинами волн ₁, ₂, …, ₇ пройдя призму 1, оказывается разложенным на его составляющие, которые наблюдаются на экране в виде цветных полос.

Спектр белого света в порядке убывания длин волн состоит из семи цветов, плавно переходящих друг в друга: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.

Глава 3.4. Спектр

Спектром называется совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложного излучения. Шкала электромагнитных волн представляет собой их спектр, где излучения распределены последовательно в зависимости от длины волны.

Таблица 3. Основные спектральные линии

шкалы электромагнитных волн

Обозначение линии Фраунгофера	Цвет	Длина волны, нм	Химический элемент
А’	темно-красный	766,5	К – калий
С	красный	656,6	Н – водород
C’	красный	643,8	Cd – кадмий
D	желтый	589,3	Na – натрий
d	желтый	587,6	He – гелий
e	зеленый	546,1	Hg – ртуть
F	голубой	486,1	Н – водород
F’	голубой	480,0	Cd – кадмий
h	фиолетовый	404,7	Hg – ртуть
H	темно-фиолетовый	396,8	Са - кальций

Спектр Солнца относится к спектрам поглощения, так как происходит поглощение части излучения средами солнечной фотосферы и атмосферы земли. Линии поглощения в спектре солнца называются фраунгоферовыми линиями, в честь ученого Фраунгофера, занимавшегося их исследованием. Фраунгоферовы линии в спектре Солнца находятся в строго определенных местах и обозначаются прописными и строчными буквами латинского алфавита. В табл. 3 приведены основные спектральные линии.

Глава 3.5. Интерференция света

Интерференция света - явление, возникающее при взаимодействии когерентных световых волн и заключающееся в том, что появляется новая результирующая волна. При этом образуется пространственное распределение интенсивности света в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности, называемое интерференционной картиной: При монохроматическом свете интерференционная картина в общем случае наблюдается в виде темных и светлых полос или колец, а при сложном белом свете - в виде цветных полос или колец.

Когерентными называются такие световые волны, которые имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения.
При взаимодействии когерентных волн амплитуды результирующей световой волны зависят от разности хода  этих волн (рис. 4). Разность хода двух волн — это разность оптических путей этих волн от когерентного источника света до точки их взаимодействия.

Амплитуда будет максимальной, если  равна четному числу полуволн
т.е. = ± 2k₀/2 (k = 0, 1, 2, ...),

тогда амплитуда А результирующей волны III равна сумме амплитуд первой (I) и второй (II) интерферирующих волн A1+A2, что соответствует максимальной интенсивности света.

Если же  равна нечетному числу полуволн,

т.е. = ±( 2k + 1)₀/2 (k = 0, 1, 2, ...),

то амплитуда результирующей волны будет минимальной A=A₁-A₂

Различают два вида интерференционных картин: 1) полосы равного наклона; 2) полосы равной толщины.

Полосы равного наклона возникают при прохождении излучения через плоскопараллельную пластину при переменном значении угла падения в и постоянной толщине пластины d. Разность хода  интерферирующих лучей в этом случае будет зависеть от угла падения . Полосы равного наклона локализованы в бесконечности и поэтому могут наблюдаться через зрительную трубу или на экране в фокальной плоскости объектива. На рис. 5 два параллельных когерентных луча, образованных от первичного луча за счет отражения от первой и второй поверхностей пластины, обладают разностью хода, зависящей от угла падения .. Эти лучи собираются объективом ОБ на экране в фокальной точке М, где интерферируют. Так как от протяженного источника света лучи, падающие на пластину под одинаковым углом , образуют конус, то на экране будет видна интерференционная картина в виде колец.

Если интерференционная картина наблюдается в монохроматическом свете, на экране видны чередующиеся светлые и темные кольца; если в белом свете, то видна система цветных колец.

Полосы равной толщины создаются при прохождении оптического излучения через плоскопараллельную пластину при одинаковом угле падения световых лучей и переменной толщине d этой пластины. Разность хода лучей в этом случае будет зависеть от толщины пластины. На поверхности пластины возникает интерференционная картина в виде чередующихся полос, расположенных параллельно ребру клина. Полосы равной толщины локализованы на поверхности пластины, и их можно рассматривать невооруженным глазом, через лупу, микроскоп или на экране с помощью проекционного устройства.

Интерференция света в виде, полос равной толщины наблюдается в пленках и тонких стеклянных пластинках. Световые лучи, отражаясь от верхней и нижней поверхностей пленки, интерферируют. Там, где разность хода интерферирующих лучей равна четному числу полуволн, возникают максимумы, а где разность хода равна нечетному числу полуволн - минимумы.
При освещении белым светом интерференционная картина представляет собой разноцветные полосы. Этим объясняются радужная окраска пятен масла и нефти на воде, цвета побежалости при закалке металлов и др.

Явление интерференции в тонких пленках называется цветами тонких пленок.
Глава 3.6. Дифракция света
При прохождении света через отверстия и препятствия незначительных размеров, узкие щели, а также мимо краев каких-либо тел происходит нарушение прямолинейности его распространения.

Явление отклонения света от прямолинейности его распространения, проявляющееся в огибании краев препятствий, называется дифракцией света. При этом происходит искажение фронта световой волны. Световые лучи, изменившие прямолинейное направление, называются дифрагированными.

Первоначальным теоретическим обоснованием дифракции света явился принцип Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн. Огибающая элементарных волн образует волновую поверхность в следующий момент времени. Это приводит к неизбежности отклонения световой волны от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

Гюйгенс рассматривал дифракцию только с позиций геометрической оптики. Френель дополнил принцип Гюйгенса понятиями когерентности элементарных воли и их интерференции. Принцип Гюйгенса с дополнениями Френеля получил название принципа Гюйгенса - Френеля. На этом принципе базируется элементарная теория дифракции света.

Принцип Гюйгенса - Френеля раскрывает законы распространения волнового фронта и распределение интенсивности в дифракционной картине. Максимумы интенсивности (свет) наблюдаются в тех местах, где взаимодействующие элементарные волны усиливают друг друга, минимумы интенсивности (темнота или ослабление света) - там, где взаимодействующие элементарные волны гасят друг друга.

В результате интерференции диафрагмированных лучей возникает характерная дифракционная картина: дифракционное изображение точки при наблюдении в белом свете окружено цветными полосами или кольцами. В зависимости от формы волнового фронта различают дифракцию, наблюдаемую в сходящихся пучках световых лучей со сферическим волновым фронтом, - дифракцию Френеля и дифракцию, наблюдаемую в параллельных пучках световых лучей с плоским волновым фронтом, - дифракцию Фраунгофера.
При прохождении монохроматического света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в результате интерференции дифрагированных лучей на экране, расположенном за отверстием, наблюдается дифракционная картина в виде чередующихся темных и светлых концентрических колец. В центре дифракционной картины в зависимости от размеров экрана может быть темное или светлое пятно. Если отверстие в экране будет иметь вид щели, то в плоскости наблюдения получатся чередующиеся светлые и темные полосы. Яркость полос убывает от середины к краям. При освещении экрана белым светом дифракционная картина имеет радужную окраску.

Дифракция ограничивает разрешающую способность оптических систем. В реальных оптических системах вследствие дифракции света изображение точки в монохроматическом свете представляет собой кружок с центральным светлым ядром, окруженным светлыми кольцами, а в белом свете — кружок со светлым ядром, окруженным радужно окрашенными кольцами. Поскольку предмет есть совокупность точек, его изображение также будет состоять из соответствующих дифракционных изображений точек. Если две точки находятся на близком расстоянии одна от другой, их дифракционные изображения могут взаимно перекрываться и сливаться.

Способность оптической системы давать раздельно изображения двух близко расположенных друг к другу точек предмета называется разрешающей способностью. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, при котором они наблюдаются раздельно, называется линейным пределом разрешения r_Nили угловым пределом разрешения .

На использовании явления дифракции основано действие спектральных приборов, дифракционной решетки и т.д.
Дифракционная решетка - оптическая деталь, являющаяся основным диспергирующим элементом спектральных приборов. Дифракционные решетки делятся на прозрачные и отражательные. Прозрачные дифракционные решетки работают в проходящем свете, отражательные - в отраженном.

Глава 3.7. Поляризация света

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны определенной длины, которые являются поперечными.

Векторы напряженностей электрического и магнитного полей E и Н, перпендикулярные между собой, перпендикулярны направлению распространения волны.
Ориентированное естественное монохроматическое излучение образовано множеством электромагнитных волн, у которых векторы E и H колеблются в самых различных направлениях в плоскости, перпендикулярной распространению света.

Процесс получения в направленном световом излучении световых волн, имеющих колебания в строго определенной плоскости, называется поляризацией света.

Свет может быть полностью поляризованным и частично поляризованным. Частично поляризованным называется свет, в котором преимущественно одно направление колебаний, а другие являются частичными.
Плоскость, перпендикулярная плоскости вектора Е, называется плоскостью поляризации. При описании состояния поляризации достаточно использовать только вектор Е.

Поляризация света происходит при прохождении света через некоторые вещества, при отражении и преломлении на границах раздела сред. Она возникает только в оптически анизотропных средах, таких, как турмалин, исландский шпат и др.

В качестве примера рассмотрим прохождение света через две пластины из турмалина. Каждая из пластин в отдельности прозрачна для света. Если же его пропустить через пластины, установленные друг за другом, то интенсивность проходящего света будет меняться в зависимости от взаимного положения оптических осей кристаллов. При вращении одной из пластин наибольшая интенсивность проходящего света наблюдается в том случае, когда оптические оси кристаллов параллельны. Затем его интенсивность уменьшается, и в положении, когда оптические оси будут перпендикулярны, свет не проходит. Следовательно, пластина турмалина естественный свет поляризует, пропуская только то излучение, у которого колебания вектора Е совершаются лишь в плоскости, параллельной оси кристалла, и не пропуская излучение с колебаниями в плоскости, перпендикулярной к ней.

Устройство, предназначенное для получения поляризованного света, называется поляризатором. Устройство, с помощью которого определяется поляризация света, называется анализатором.

Для получения поляризованного света широко применяются специальные пленки с нанесенными на их поверхность кристаллами герапатита, оси которых строго ориентированы. (Герапатит - соединение йода с хинином.) Такие пленки-поляризаторы называются поляроидами.
При отражении света от полированной поверхности стекла или иного диэлектрика, а также при преломлении на поверхностях раздела сред происходит его частичная поляризация. Степень поляризации света зависит от угла падения и показателя преломления вещества п. При определенных значениях угла падения происходит полная поляризация отраженного света. Эта зависимость выражается законом Брюстера. tg = n, а угол  называется углом полной поляризации или углом Брюстера.

Таким образом, простейшим поляризатором является полированная поверхность стеклянной пластины. Свет, отраженный от полированной поверхности, частично поляризован в плоскости падения.

При преломлении поляризация света составляет всего около 15-17%. Для получения полной поляризации света плоскопараллельные пластины соединяются в стопу из 8-10 штук. Свет, преломленный на границе оптических сред, линейно поляризован в плоскости падения лучей и ориентирован перпендикулярно плоскости колебания отраженных лучей.

На явлении поляризации основан принцип действия разнообразных оптических приборов, называемых поляризационными.

Поляризационные приборы применяются для научных исследований кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, структуры кристаллов, упругих напряжений в конструкциях, при диагностике плазмы, в технике для плавной регулировки интенсивности светового пучка, для создания светофильтров и модуляторов излучения как составных элементов оптической связи, определения концентрации растворов и других целей.

Глава 4. Сведения из геометрической оптики
Геометрическая оптика - раздел оптики, в котором законы распространения света в прозрачных средах рассматриваются с точки зрения геометрии.

Пространство, находящееся относительно оптической системы с левой стороны, образует пространство предметов, а находящееся с правой стороны - пространство изображений. Каждой точке, каждому отрезку, лучу в пространстве предметов соответствует точка, отрезок, луч в пространстве изображений. Такие точки, отрезки, лучи называются сопряженными. Сопряженные точки, отрезки, лучи и углы в пространстве предметов и изображений обозначаются одинаковыми буквами и цифрами, но в пространстве изображений они дополняются знаком «штрих».

Геометрическая оптика основывается на понятиях - светящаяся точка, световой луч, световой пучок.

Светящаяся точка, или точечный источник света, - это условный источник излучения света, не имеющий размеров и объема.

Световой луч -условная прямая линия, проведенная от источника света в любом направлении и не имеющая размеров в поперечном сечении.

Световой пучок - это совокупность световых лучей, имеющих упорядоченное направление распространения. Световые пучки бывают расходящимися, сходящимися и параллельными. Все световые пучки, имеющие одну общую точку пересечения световых лучей, называются гомоцентрическими пучками. Точка пересечения световых лучей параллельного пучка находится в бесконечности.

Следовательно, светящаяся точка, световой луч и световой пучок - понятия реально не существующие, а являющиеся математической моделью, применяемой для построений и расчетов.

В геометрической оптике принят принцип обратимости: путь светового луча, проходящего через оптическую систему в одном направлении, повторяется лучом, проходящим в обратном направлении.

В геометрической оптике направление распространения света слева направо считается положительным. Для оценки размеров отрезков и углов приняты правила знаков.

Положительными считаются линейные отрезки, расположенные вдоль оптической оси, если их направление относительно точки начала отсчета совпадает с положительным направлением света; радиусы кривизны оптических деталей, если центры кривизны находятся справа от поверхностей, ограничивающих среды; отрезки, перпендикулярные к оптической оси, если они находятся выше оптической оси; угол, если он образован вращением луча вокруг его вершины по часовой стрелке. Линейные отрезки, радиусы кривизны, отрезки, перпендикулярные к оптической оси, углы будут отрицательными, если их направление будет противоположным положительному.

На чертеже отрицательные значения отрезков и углов отмечаются знаком «минус» перед их буквенным или числовым значением.

Толщина оптических деталей и воздушные промежутки между преломляющими поверхностями считаются всегда положительными.

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика базируется на четырех основных законах.

1 Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости распространения световых лучей.

3. Закон отражения света.

4. Закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света устанавливает, что свет в оптически однородной среде распространяется строго прямолинейно, по прямой, соединяющей две точки. Действием этого закона объясняется образование теней и полутеней, солнечных и лунных затмений. Закон прямолинейного распространения света нарушается в случае неоднородности оптической среды, а также при явлении дифракции.

Закон независимости распространения световых лучей устанавливает, что если в оптической среде встречаются лучи света, идущие из различных направлений, они не влияют друг на друга и распространяются так, как будто других не существует.

При падении световых лучей на какую-либо поверхность, являющуюся границей раздела сред, часть световых лучей отражается от этой поверхности и опять возвращается в исходную среду.

Условно выделив один элементарный световой луч, назовем его падающим лучом, луч после - отраженным лучом. Опустив нормаль в точку падения, получим два угла. Угол, образованный падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности в точке падения, называется углом падения е. Угол, образованный отраженным лучом и нормалью, называется углом отражения е'. Углы отсчитываются от нормали, и, согласно правилу знаков, угол падения имеет отрицательное значение - е, а угол отражения - положительное е'.

Закон отражения света определяет закономерность взаимных положений падающего и отраженного лучей - луч падающий, нормаль в точке падения к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости, и образованные ими углы падения и отражения равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку:

-e = e

Если поменять местами падающий и отраженный луч, то они повторят свой путь в обратном направлении. Это значит, что они обратимы.

Действие зеркал основано на законе отражения света.

При прохождении светового луча из одной оптической среды в другую, отличающуюся показателем преломления, на границе этих сред он изменяет свое направление, преломляется.

Если провести нормаль к поверхности раздела сред через точку падения светового луча, то между нормалью и падающим, а также нормалью и преломленным лучом образуются углы, соответственно называемые углом падения е и углом преломления е'. Согласно правилу знаков, угол падения и угол преломления имеют отрицательные значения.

При прохождении светового луча из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, т.е. когда n₂ > n₁, световой луч отклоняется к нормали и |e|>|e'|.

При прохождении светового луча из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, т.е. когда n2 < n1 , световой луч отклоняется от нормали и |e|<|e'|. Если световой луч проходит через среды нормально к поверхности раздела, он не изменяет своего направления, т. |е|=|e'|.

Закон преломления света выражает зависимость взаимного положения падающего и преломленного луча: луч падающий, нормаль к поверхности в точке падения и луч преломленный лежат в одной плоскости, произведение показателя преломления первой среды на синус угла падения равно произведению показателя преломления второй среды на синус угла преломления:

n₁sin e = n₂sin e'.

Преобразовав выражение, получим:

Sin e / sin e' = n₂ / n₁

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, а отношение n2 / n1 называется относительным показателем преломленияэтих сред.

Если поменять местами падающий и преломленный лучи, то они повторят свой путь в обратном направлении, т.е. они обратимы.

Полное внутренееотражение

При прохождении светового луча из одной оптической среды в другую с меньшим показателем преломления (n₂ n₁) преломленный луч удаляется от нормали и |е'|>|е|. С увеличением абсолютного значения угла падения e увеличивается и угол преломления е' . При каком-то значении угла падения е_m, когда угол преломления е' станет равным 90°, луч перестанет выходить в другую среду и будет распространяться вдоль поверхности раздела сред. Дальнейшее увеличение угла падения приведет к тому, что световой луч начнет отражаться от поверхности раздела сред по закону отражения. Это явление называется полным внутренним отражением.

Предельный максимальный угол падения е_m, которому соответствует угол преломления е', равный 90°, и начиная с которого происходит явление полного внутреннего отражения, называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Поскольку е'=90°, значение угла е_m определяется из выражения

Sin e_m = n₂ / n₁

Итак, световые лучи, проходящие из оптической среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, на границе раздела этих сред при углах падения свыше e_mпретерпевают полное внутреннее отражение.

Предельный угол полного внутреннего отражения составляет: для оптического стекла 42 - 36°; для воды 48°; для алмаза 24-30°.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в некоторых видах оптических деталей, например освещение штрихов сеток, действие световодов и ряда отражательных призм.

Лучи света от источника проходят через торец стеклянной сетки многократно отразившись от ее поверхностей, попадают на штрих и выходят наружу. При ночных наблюдениях видны светящиеся штрихи на темном фоне сетки.

В световоде свет направляется внутрь через прозрачный торец световедущего волокна, а выходит через другой торец, многократно отразившись от его стенок, так как у оболочки показатель преломления n_lбольше показателя преломления жилы п₂.

В призмах Дове и АР-90⁰ световые лучи, падающие на отражающую грань под углами, большими е_т, отражаются ею на последующую грань, в связи с чем не требуется наносить зеркальные покрытия на грани.

Полным внутренним отражением объясняется блеск капель росы, светящиеся фонтаны, сияние бриллиантов и ряд других явлений.

Виды оптических деталей

Оптическими называются детали, действие которых основано на использовании световой энергии. Они предназначены для формирования световых пучков, построения оптических изображений. Основными видами оптических деталей являются: линзы, призмы, светофильтры, сетки, зеркала, световоды и др.

Оптические детали ограничены тремя видами поверхностей: исполнительными, вспомогательными, свободными.

Исполнительные поверхности пропускают, отражают или изменяют направление световых лучей. Они могут быть сферическими, несферическими и плоскими.

Основным материалом для изготовления оптических деталей является оптическое стекло, в меньшей мере применяется техническое стекло, оптические кристаллы, ситаллы, прозрачные пластмассы и др.

Оптические детали, входящие в прибор, образуют его оптическую систему.