Оптика - раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения

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 ещё 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 приёмников 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. Её 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 расчёта 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.

Оптические приборы для визуальных наблюдений

угол определяется мозаичным строением сетчатки, а также волновыми свойствами света. Существует ряд приборов, предназначенных для увеличения угла зрения – … лупа, микроскоп, зрительная труба. При визуальных наблюдениях глаз является

Оптические инструменты.

Лупа

Одним из простейших оптических приборов является лупа – собирающая линза,

предназначенная для рассматривания увеличенных изображений малых объектов.

Линзу подносят к самому глазу, а предмет помещают между линзой и главным

фокусом. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета . Удобнее

всего рассматривать предмет через лупу совершенно ненапряженным глазом ,

аккомодированным на бесконечность. Для этого предмет помещают в главной

фокальной плоскости линзы так , что лучи, выходящие из каждой точки предмета

, образуют за линзой параллельные пучки. На рисунке изображено два таких

пучка , идущих от краев предмета. Попадая в аккомодированный на бесконечность

глаз, пучки параллельных лучей фокусируются на ретине и дают здесь отчетливое

изображение предмета.

Угловое увеличение. Глаз находится очень близко к линзе , поэтому за угол

зрения можно принять угол 2Y , образованный лучами, идущими от краев предмета

через оптический центр линзы. Если бы лупы не было , нам пришлось бы поставить

предмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и угол зрения был бы

равен 2Y. Рассматривая прямоугольные треугольники с катетами 25 см и F см и

обозначая половину предмета Z, можем написать :

где 2B – угол зрения, при наблюдении через лупу;

2Y - угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;

F – расстояние от предмета до лупы;

Z – половина длины рассматриваемого предмета.

Принимая во внимание , что через лупу рассматривают обычно мелкие детали и

поэтому углы Y и B малы, можно тангенсы заменить углами. Таким образом

получится cледующее выражение для увеличения лупы

Следовательно, увеличение лупы пропорционально 1 / F , то есть её оптической

силе.

Микроскоп

предметов, называется микроскопом. Простейший микроскоп состоит из двух собирающих линз. Очень короткофокусный объектив L1 даёт сильно увеличенное

Зрительная труба

обращенная к рассматриваемому предмету, называется объективом , а другая , обращенная к глазу наблюдателя - окуляром. Ход лучей в зрительной трубе показан на рисунке.

Проекционные аппараты.

или чертежей применяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле или на прозрачной пленке называют диапозитивом, а сам аппарат , предназначенный для … показа таких рисунков, - диаскопом. Если аппарат предназначен для показа

Спектроскоп

Наиболее распространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трехгранную призму.

Глава 2. Дифракционные явления в оптических инструментах

Дифракционные явления играют важную роль при работе оптических инструментов,

предназначенных для получения изображений объектов (глаз, объектив телескопа,

микроскоп и т.д.). Дифракция определяет волновой предел разрешения

инструментов, то есть минимальный размер деталей объекта, которые могут быть

разрешены в изображении.

Оптические изображения, полученные с помощью линз или зеркал, никогда не

воспроизводят объект с идеальной точностью. Они бывают искажены вследствие

всякого рода несовершенств оптических систем (аберрации). Но даже идеальная

линза, свободная от аберраций, не может дать идеального изображения из-за

волновой природы света. Дифракция световой волны, возникающая из-за конечного

размера линз и зеркал, приводит к нарушению стигматичности изображений. Это

означает, что изображения точечных объектов не могут быть точечными; они

изображаются дифракционными пятнами конечного размера. Вследствие перекрытия

дифракционных изображений две близкие точки объекта могут оказаться

неразрешимыми в изображении. Таким образом, возникает важная задача о

дифракционном пределе разрешения оптических инструментов.

Дифракция Фраунгофера в геометрически сопряженных плоскостях.

  Изображения, получаемые при помощи линз или зеркал, располагаются в геометрически сопряженных плоскостях. В этом случае для пучка лучей,

Дифракция Фраунгофера на щели и круглом отверстии.

для дифракционной картины Фраунгофера не представляет труда. В этом случае для распределения интенсивности в дифракционной картине получается выражение …      

Интенсивность света в фокусе линзы.

пропорционален 1/D , а его площадь в фокальной плоскости ~ 1/D2. При этом полный поток световой энергии, проходящий через линзу, изменяется пропорционально ее площади (~ D2). Таким образом, интенсивность

Дифракционный предел разрешения оптических инструментов

Разрешающая способность телескопа.

способность его объектива. Телескопы предназначены для наблюдения удаленных объектов (звезд). Пусть с помощью телескопа, объектив которого имеет диаметр … D, рассматриваются две близкие звезды, находящиеся на угловом расстоянии .

Разрешающая способность глаза.

  Все сказанное выше о пределе разрешения объектива телескопа относится и к… На сетчатке глаза при рассмотрении удаленных объектов формируется дифракционное

Предел разрешения микроскопа

Интерес представляет линейный размер деталей объекта, разрешаемых с помощью микроскопа. Изображение, даваемое объективом, располагается на достаточно большом расстоянии L>>F. У стандартных микроскопов L = 16 см, а фокусное

Замечание о нормальном увеличении оптических инструментов.

рассматривается глазом через окуляр. Для того, чтобы реализовать полностью разрешающую способность объектива система окуляр–глаз не должна вносить дополнительных дифракционных искажений. Это достигается целесообразным выбором

Заключение

Практическое значение оптики и её 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 неё 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 её приложениях в различных отраслях науки и