Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю. Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.
В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона , установленных опытным путем:· закон прямолинейного распространения света;· закон независимости световых лучей;· закон отражения;· закон преломления света.Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса .Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является , в свою очередь, центром вторичных волн ; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.
Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления .Закон прямолинейного распространения света :· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно .Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.
Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.Рис 7.1Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны , когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).
Закон независимости световых пучков :· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того , действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.Закон отражения (рис. 7.3):· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром , проведенным к границе раздела двух сред в точке падения ;· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ
Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ с , падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А , эта точка начнет излучать вторичную волну .· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC / υ . За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υ Δt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения : угол падения α равен углу отражения γ. Закон преломления (закон Снелиуса ) (рис. 7.5):· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; · отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред .
Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со скоростью с , падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС , равно Dt . Тогда ВС = с Dt . За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u , достигнет точек полусферы, радиус которой AD = u Dt . Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что , т.е. .Отсюда следует закон Снелиуса : .Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.
Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.Согласно принципу Ферма
, свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время
.
Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.Луч от источника света S
, расположенного в вакууме идет до точки В
, расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).
В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA
и AB
. Точку A
охарактеризуем расстоянием x
от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB
:
.Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х
и приравняем ее к нулю: ,отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.Обратимость световых лучей
: если обратить луч
III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом
β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом
α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча
I.
Другой пример – мираж
, который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.Если свет распространяется из
среды с большим показателем преломления
(оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления
(оптически менее плотной) ( > ),
например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали
и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а
).
С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б
, в
), до тех пор, пока при некотором угле падения () угол преломления не окажется равным π/2.Угол называется предельным углом
. При углах падения α >
весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г
).
· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г
).
· Таким образом
, при углах падения в пределах от до π/2
, луч не преломляется
, а полностью отражается в первую среду
, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы.
Это явление называется полным отражением.
Предельный угол определим из формулы:
;
.Явление полного отражения используется в призмах полного отражения
(Рис. 7.9).
Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:а) повернуть луч на 90°;б) повернуть изображение;в) обернуть лучи.Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).
Явление полного отражения используется также в световодах , представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.Рис. 7.10В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного , претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости . Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.
При практическом рассмотрении вопросов формирования изображений в оптических системах большая часть результатов может быть получена на основе представлений геометрической оптики . Одним из основных понятий геометрической оптики является понятие луча света как линии, вдоль которой распространяется энергия оптического излучения. Среда, в которой распространяется свет, характеризуется абсолютным показателем преломления n ,равным отношению скорости распространения света в вакууме c к фазовойскорости распространения света в среде v: n = c/v .
Основными законами геометрической оптики являются:
1. Закон прямолинейного распространения света -в однородной средесвет распространяется по прямым линиям (отступление от закона - явление дифракции).
2. Закон независимости световых пучков -распространение всякогосветового пучка в среде не зависит от наличия других пучков (отступление от закона - явление интерференции).
3. Закон отражения света от поверхности раздела двух сред - падающий и отраженный лучи света лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела двух сред в точке падения, называемой плоскостью падения , причем угол падения равен углу отражения.
4. Закон преломления света на границе раздела прозрачных сред -
падающий и преломленный лучи лежат в плоскости падения, причем для угла падения j 1 и угла преломления j 2 справедливо соотношение:
где n 1 и n 2 - абсолютные показатели преломления света соответственно первой и второй оптически однородных и изотропных сред.
Законы геометрической оптики могут быть получены из уравнений Максвелла, если длину волны излучения l устремить к нулю (l®0).
Источник света представляется как совокупность светящихся точек, каждая из которых является вершиной расходящегося пучка лучей, называемого гомоцентрическим ,т.е.имеющим общий центр.Если свет от точечногоисточника после прохождения оптической системы вновь собирается в одной точке, то эту точку называют точечным или стигматическим изображением источника. Две точки (источник и его изображение) называются сопряженными точками данной оптической системы. Вследствие обратимости хода световых лучей источник и его изображение можно поменять местами. Изображение называется действительным , если лучи действительно пересекаются в точке. Если пересекаются не сами лучи, а их продолжения, проведенные в направлении, противоположном направлению распространения света, то такое изображение называют мнимым . Аналогично действительным и мнимым может быть и точечный источник света (рис.1).
Рис.1. Схема прохождения лучей через оптическую систему: а )действительный источник А ,мнимое изображение А ’; б )мнимый источник A ,действительное изображение A ’.
Основным элементом большинства оптических систем является сферическая линза ¾ прозрачное однородное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями (или одной сферической и одной плоской), имеющими общую ось. Линза считается тонкой , если ее толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны ограничивающих поверхностей. Таким образом, тонкую линзу можно считать лежащей в плоскости.
Линзы могут быть также параболическими, цилиндрическими и т.д.
Линия, проходящая через центры кривизны обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью . Точка пересечения главной оптической оси с плоскостью, в которой расположена тонкая линза, называется оптическим центром линзы. Любой луч, проходящий через оптический центр тонкой линзы, не испытывает преломления и не меняет направления распространения. Любая линия, проходящая через оптический центр линзы, называется оптической осью линзы (побочной оптической осью ).
Рассмотрим оптическую систему, состоящую из одной тонкой линзы. Пусть свет от источников падает на линзу слева. Тогда полупространство слева от плоскости линзы (т.е. откуда идут лучи) называют пространством источников (или предметов),справа- пространством изображений .
Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения линзы все лучи соберутся в одной точке, называемой главным фокусом линзы.Фокус линзы может быть как действительным,так имнимым. Фокусным расстоянием F линзы называется расстояние от центра линзы до ее фокуса. Фокусное расстояние сферической линзы можно найти по формуле:
где R 1 и R 2 - радиусы кривизны сферических поверхностей линзы; n 21 - относительный показатель преломления материала линзы, равный отношению абсолютных показателей преломления материала линзы и окружающей среды. При этом, если поверхность линзы выпуклая, то R > 0, если вогнутая, то R < 0, а если плоская, то R =∞. Линза, у которой фокусное расстояние положительно, называется собирающей , линза с отрицательным фокусным расстоянием называется рассеивающей . Таким образом, при n 21 > 1, если обе поверхности линзы - выпуклые, то F > 0 (линза собирающая), если вогнутые, то F < 0 (линза рассеивающая). Если одна из поверхностей выпуклая, а вторая –вогнутая, то линза в зависимости от соотношения радиусов кривизны может быть как собирающей, так и рассеивающей.
Каждая тонкая линза имеет два главных фокуса, находящихся на одинаковом расстоянии от центра линзы. В заднем фокусе линзы собираются лучи (для собирающей линзы) или их продолжения (для рассеивающей линзы) в случае, когда источник света действительный и находится на бесконечном расстоянии от линзы. Иными словами, задний фокус является сопряженной точкой для бесконечно удаленной точки в пространстве источников. Аналогично, передний фокус сопряжен с бесконечно удаленной точки в пространстве изображений. Таким образом, для собирающей линзы задний фокус находится в пространстве изображений (действительный), а для рассеивающей линзы – в пространстве источников (мнимый).
Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и находящаяся от центра линзы на расстоянии, равном |F |, называется фокальной плоскостью линзы. Таких плоскостей две ¾ передняя и задняя. Если на линзу вдоль какой-либо ее оптической оси направить параллельный пучок света, то все лучи или их продолжения соберутся в точке пересечения этой оси с фокальной плоскостью линзы (соответственно, передней или задней).
Вводится также понятие оптической силы линзы D как величины, обратной фокусному расстоянию F , выраженному в метрах: D = 1/F . Оптическая сила измеряется в диоптриях (1 дптр = м –1). Для собирающих линз D > 0, для рассеивающих D <0.
В рамках геометрической оптики ограничиваются, как правило, рассмотрением центрированных систем и параксиальных лучей. Система называется центрированной , если центры кривизны всех сферических поверхностей расположены на одной прямой, т.е. главные оптические оси всех линз совпадают. Параксиальными называются лучи, образующие малые углы с главной оптической осью и нормалями к преломляющим поверхностям системы. Для идеальных центрированных систем можно доказать, что любой источник в виде плоскости, прямой или точки будет давать изображение также в виде соответственно плоскости, прямой или точки , за исключением источников в фокальной плоскости.
Для тонкой линзы справедлива следующая формула, называемая формулой тонкой линзы :
где а - расстояние от источника до линзы, b - расстояние от линзы до изображения. Величины a и b могут быть как положительными, так и отрицательными. Если источник и его изображение являются действительными, т.е. источник расположен в пространстве источников, а изображение - соответственно в пространстве изображений, то a >0 и b >0. Если же источник или его изображение - мнимые, то и соответствующие значения a или b отрицательны.
Геометрическая оптика изучает законы распространения света, рассмотрим основные моменты этой науки по отношению получения фотографий. Это позволит глубже понять процессы, которые протекают в вашем фотоаппарате.
Слово «фотография» означает писать с помощью света (от греч. «фотос» — свет и «графио» — писать). Действительно, фотография как метод получения устойчивых изображений использует многие физические и химические свойства света. С помощью физических свойств света получается оптическое изображение снимаемых предметов, а при химическом воздействии света это изображение закрепляется и делается устойчивым.
ПРИРОДА СВЕТА
Свет подобно звуку имеет волновую природу. Волны, образуемые перемещающимися сгущениями и разрежениями воздуха вследствие механического колебания какого-либо предмета, называются звуковыми, а световые являются электромагнитными волнами, распространяющимися со скоростью 300 000 км/с.
Источниками света считаются все тела, которые можно видеть независимо от освещения и которые сами освещают окружающие тела. От источника Света по всем направлениям распространяются электромагнитные колебания, т. е. свет. Для освещения имеет значение только та часть света, которая, попадая в глаз человека, вызывает зрительное ощущение. Эта часть, света называется световым потоком. Единица светового потока — люмен (лм). Для примера укажем, что обычная свеча дает световой поток всего в 10—15 лм, а электрические лампы — в сотни и тысячи люменов. Световой поток солнца равен 10 25 лм. Вот почему легче производить фото- и киносъемку в хорошую солнечную погоду.
Для характеристики электрических ламп часто применяют другой показатель — световую отдачу, которая выражается световым потоком в люменах на один ватт мощности лампы. В фотографии для создания искусственного освещения применяют фотолампы относительно небольшого размера, но отличающиеся от обычных значительно большей светоотдачей. Так, обычная лампа мощностью 500 Вт на напряжение 127 В имеет световую отдачу 17,8 лм/Вт, а перекальная фотолампа той же мощности и на такое же напряжение — 32 лм/Вт.
Световые потоки почти никогда не излучаются источниками света по всем направлениям в равной степени. Например, электрическая лампа, подвешенная к потолку, излучает больший световой поток вниз, меньший — по сторонам и совсем незначительный — вверх. Для характеристики источника света по количеству света, излучаемого им в определенном направлении, применяется понятие силы света. За единицу силы света принята кандела. Чем мощнее и острее световой поток, тем больше сила света источника. Большой силой света характеризуются специальные фотолампы. Например, сила света зеркальных ламп мощностью 500 Вт составляет 10 тыс. кандел.
Силу света ламп в направлении освещения можно значительно увеличить с помощью рефлекторов или отражателей. Поэтому в фотографии для искусственного освещения обычно применяют специальные фотоосветители.
Один и тот же источник света освещает по-разному в зависимости от расстояния между ним и освещаемой поверхностью. Действительно, вблизи лампы световой поток распределяется по малой площади, и на единицу площади падает много света. Вдали от лампы тот же световой поток приходится на большую площадь, и на единицу площади падает мало света. Кроме расстояния от лампы, имеет значение угол направления лучей. При перпендикулярном падении лучей световой поток распределяется на меньшей площади, чем при наклонном падении лучей.
Отношение светового потока к площади, на которую он падает, называется освещенностью. За единицу освещенности принимается люкс (лк). Люкс — это освещенность, создаваемая световым потоком в 1 лм на площади 1 м 2 . В фотографии для быстрого определения освещенности снимаемых предметов, а также необходимой экспозиции при съемке применяют прибор, называемый фотоэкспонометром.
Законы распространения света в прозрачных средах рассматриваются в одном из разделов физики называемом геометрической, или лучевой оптикой.
Для понимания принципов работы оптических приборов (фотокиноаппаратов, биноклей и др.) необходимо ознакомиться с законами геометрической оптики.
ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Луч света, распространяющийся в однородной среде, является прямолинейным. На границе двух сред, например «воздух — стекло» или «воздух — вода», направление светового луча изменяется. При этом часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением.
Закон отражения света определяет взаимное расположение падающего луча АО, отраженного луча ОС и перпендикуляра ВО к поверхности ММ, восстановленного в точке падения. Если угол между падающим лучом АО и перпендикуляром ВО к поверхности ММ, восстановленным из точки падения, назвать углом падения, а угол между перпендикуляром и отраженным лучом ОС — углом отражения, то угол отражения равен углу падения. Причем падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред лежат в одной плоскости.
Известно, что на границе двух сред меняется направление распространения света. Происходит, как мы отмечали, частичное отражение света. Другая часть света, в тех случаях, когда вторая среда прозрачная, проходит через границу сред, при этом направление распространения, как правило, изменяется. Иначе говоря, если луч света до преломления распространяется по направлению АО, то, преломившись в точке О, дальше идет по направлению OD. Это явление называется преломлением.
При преломлении света на матовых поверхностях, как и при отражении, происходит рассеивание его. Это явление учитывают при фото- и киносъемках. Окружая источник света матовым или молочным стеклом, делают освещение более «мягким» и устраняют прямое попадание слишком яркого света в глаза.
Измеряя углы падения и преломления, можно установить следующие законы преломления света: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления — величина постоянная для данных двух сред (показатель преломления веществ обычно указывается относительно воздуха) и называется показателем (коэффициентом) преломления второй среды относительно первой; падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
Показатели преломления различны для разных сред. Так, оптические стекла, применяемые в производстве фото- и киноаппаратуры, имеют показатель преломления от 1,47 до 2,04. Оптические стекла с большим показателем преломления называются флинтами, с меньшим — кронами.
ПРИЗМЫ И ЛИНЗЫ
Призмы. В оптических системах очень часто используется явление прохождения света сквозь клиновидные тела, ограниченные непараллельными плоскостями. Стеклянные клинья в оптике называются призмами. В оптических приборах часто применяют стеклянную призму, основанием которой является равнобедренный треугольник. Луч света, проходя сквозь призму, преломляется дважды — в точках В и С и отклоняется всегда в сторону ее более широкой части. Призма позволяет поворачивать пучок света на 90°, что необходимо, например, в дальномерах фотоаппаратов. Направление пучка света можно изменять и на 180° (призматические бинокли).
Дисперсия света . Лучи различных цветов преломляются в стекле по-разному. Наибольший показатель преломления имеют фиолетовые лучи, наименьший — красные. Поэтому при попадании на призму луча белого света, состоящего из различных цветов, происходит разложение его на ряд цветных лучей, т. е. образуется спектр. Это явление называется дисперсией света.
Линзы. Наиболее ответственной частью почти всех оптических приборов являются линзы — прозрачные, чаще всего стеклянные тела, ограниченные сферическими поверхностями. Первая слева линза называется двояковыпуклой четвертая — двояковогнутой. Третья и последняя линзы с одной стороны выпуклые, с другой — вогнутые. Такие линзы называются менисковыми, или просто менисками. Три левые линзы посередине толще, чем по краям, и называются собирающими. Три правые линзы —рассеивающие, они толще у краев.
Поясняет действие собирающих и рассеивающих линз. Собирающую линзу можно условно представить как совокупность большого числа призм, расширяющихся к середине, а рассеивающую — как совокупность призм, расширяющихся к краям. Призмы отклоняют лучи света в сторону расширения, поэтому линзы, более толстые посередине, отклоняют лучи к середине, т. е. собирают их, а более толстые у краев — отклоняют лучи к краям, т. е. рассеивают их.
Если собирающую линзу расположить перед источником света и поместить за ней экран, то, изменяя расстояние между источником света и линзой или линзой и экраном, можно получить на экране отчетливое перевернутое (обратное) изображение источника света.
Это значит, что лучи, исходящие из какой-либо точки А источника света, пройдя сквозь линзу, снова собираются в одну точку A 1 , и притом как раз на экране.
Прямая, проходящая через центры сферических поверхностей C 1 и С 2 , ограничивающих линзу, называется оптической осью линзы ОО. Точка, в которой пересекаются лучи, шедшие до линзы пучком, параллельным оптической оси, называется фокусом линзы, а плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная оптической оси, — фокальной плоскостью. Расстояние от линзы до фокуса называется фокусным расстоянием линзы. Фокусные расстояния разных линз различны в зависимости от сорта стекла, из которого сделана линза, и от ее формы. Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем сильнее она собирает или рассеивает лучи. Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется ее оптической силой. Оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 100 см принимается за единицу и называется диоптрией.
Между фокусным расстоянием собирающей линзы, а также расстояниями от предмета до линзы и от линзы до изображения существует определенная зависимость, выражаемая так называемой основной формулой линзы:
1/а+1/а 1 = 1/Ф
где a 1 — расстояние от предмета до линзы;
а — расстояние от линзы до изображения;
Ф — фокусное расстояние линзы.
Из формулы видно, что при увеличении расстояния от предмета до линзы уменьшается расстояние от его изображения до линзы, и наоборот.
Отношение линейных размеров оптического изображения к линейным размерам изображаемого объекта называется масштабом изображения.
Простая линза не лишена недостатков. Так, если использовать в качестве фотообъектива простую линзу, то изображение будет недостаточно резким и искаженным. Эти дефекты изображения обусловливаются рядом недостатков линзы — сферической и хроматической аберрацией, дисторсией, астигматизмом и комой.
Сферическая аберрация возникает вследствие того, что средняя часть линзы в меньшей степени собирает лучи, чем края, и лучи, прошедшие близко к середине линзы, собираются дальше, чем лучи, прошедшие близко к краям линзы. В результате сферической аберрации на главной оптической оси линзы получается несколько фокусов, что приводит к образованию нерезкого изображения. При изготовлении объективов влияние сферической аберрации уменьшают путем подбора к собирающей линзе менее сильной рассеивающей линзы. Разновидностью сферической аберрации является кома, которая характерна для предмета, расположенного под углом к оптической оси линзы. Изображение в этом случае получается в виде кометообразной фигуры.
Возникновение хроматической аберрации объясняется дисперсией света. Цветное изображение в этом случае получается нерезким, так как фокусы лучей различных цветов спектра в силу неодинакового показателя преломления располагаются в разных точках оптической оси. В последнее время резко повысились требования к хроматической коррекции объективов вследствие широкого развития цветной фотографии и кино. На практике хроматическую аберрацию устраняют путем подбора собирающих и рассеивающих линз, имеющих необходимый показатель преломления.
Причина возникновения дисторсии примерно та же, что и сферической аберрации. Этот недостаток простой линзы приводит к заметным искривлениям прямых линий предметов. На характер дисторсии влияет положение диафрагмы (непрозрачной пластинки с круглым отверстием в середине): если диафрагма расположена перед линзой, то дисторсия приобретает бочкообразную форму; если диафрагма расположена за линзой — подушкообразную. Дисторсия заметно снижается при расположении диафрагмы между линаами.
В случае когда предмет располагается под некоторым углом к оптической оси линзы, резкость вертикальных или горизонтальных линий нарушается. Такие искажения изображения возникают вследствие астигматизма — наиболее трудноисправимого недостатка линзы. Оптическая система с значительно устраненным астигматизмом называется анастигматом.
ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В ФОТОАППАРАТЕ
Оптическое изображение снимаемого предмета в фотоаппарате в момент съемки получается аналогично линзе. Любой предмет съемки представляет собой совокупность светящихся или освещенных точек, поэтому построение изображений двух крайних точек предмета определяет положение всего изображения. В каждом фотоаппарате имеются светонепроницаемая камера и объектив, представляющий собой откоррегированную от аберраций собирательную оптическую систему из определенного числа линз. Объектив строит оптическое изображение предмета на светочувствительном материале, помещаемом в задней стенке фотоаппарата. Располагая предмет на разном расстоянии от объектива, можно получать оптическое изображение его неодинаковой величины. Наиболее часто предметы находятся далеко от объектива, и изображения получаются действительными, уменьшенными и обратными. При расположении предмета несколько дальше фокуса (переднего) изображение получается действительным, увеличенным и обратным. Если поместить предмет ближе фокуса, то действительного изображения не получится. В этом случае изображение мнимое, увеличенное и прямое.
Определение 1
Оптика – один из разделов физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществами.
Данный раздел делят на три, приведенные ниже, части:
- геометрическая или, как ее еще называют, лучевая оптика, которая базируется на понятии о световых лучах, откуда и исходит ее название;
- волновая оптика, исследует явления, в которых проявляются волновые свойства света;
- квантовая оптика, рассматривает такие взаимодействия света с веществами, при которых о себе дают знать корпускулярные свойства света.
В текущей главе нами будут рассмотрены два подраздела оптики. Корпускулярные свойства света будут рассматриваться в пятой главе.
Задолго до возникновения понимания истинной физической природы света человечеству уже были известны основные законы геометрической оптики.
Закон прямолинейного распространения света
Определение 1Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Подтверждением этому служат резкие тени, которые отбрасываются непрозрачными телами при освещении с помощью источника света сравнительно малых размеров, то есть так называемым «точечным источником».
Иное доказательство заключается в достаточно известном эксперименте по прохождению света далекого источника сквозь малое отверстие, с образующимся в результате узким световым пучком. Данный опыт подводит нас к представлению светового луча в виде геометрической линии, вдоль которой распространяется свет.
Определение 2
Стоит отметить тот факт, что само понятие светового луча вместе с законом прямолинейного распространения света утрачивают весь свой смысл, в случае если свет проходит через отверстия, размеры которых аналогичны с длиной волны.
Исходя из этого, геометрическая оптика, которая опирается на определение световых лучей – это предельный случай волновой оптики при λ → 0 , рамки применения которой рассмотрим в разделе, посвященном дифракции света.
На грани раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться таким образом, что некоторая часть световой энергии будет рассеиваться после отражения по уже новому направлению, а другая пересечет границу и продолжит свое распространение во второй среде.
Закон отражения света
Определение 3Закон отражения света , основывается на том, что падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости (плоскость падения). При этом углы отражения и падения, γ и α – соответственно, являются равными величинами.
Закон преломления света
Определение 4Закон преломления света , базируется на том, что падающий и преломленный лучи, также как перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение sin угла падения α к sin угла преломления β является величиной, неизменной для двух приведенных сред:
sin α sin β = n .
Ученый В. Снеллиус экспериментально установил закон преломления в 1621 году.
Определение 5
Постоянная величина n – является относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Определение 6
Показатель преломления среды относительно вакуума имеет название – абсолютный показатель преломления .
Определение 7
Относительный показатель преломления двух сред – это отношение абсолютных показателей преломления данных сред, т.е.:
Свое значение законы преломления и отражения находят в волновой физике. Исходя из ее определений, преломление является результатом преобразования скорости распространения волн в процессе перехода между двумя средами.
Определение 8
Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости во второй υ 2:
Определение 9
Абсолютный показатель преломления эквивалентен отношению скорости света в вакууме c к скорости света υ в среде:
На рисунке 3 . 1 . 1 проиллюстрированы законы отражения и преломления света.
Рисунок 3 . 1 . 1 . Законы отражения υ преломления: γ = α ; n 1 sin α = n 2 sin β .
Определение 10
Среда, абсолютный показатель преломления которой является меньшим, является оптически менее плотной .
Определение 11
В условиях перехода света из одной среды, уступающей в оптической плотности другой (n 2 < n 1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.
Данное явление можно наблюдать при углах падения, которые превышают некий критический угол α п р. Этот угол носит название предельного угла полного внутреннего отражения (см. рис. 3 . 1 . 2).
Для угла падения α = α п р sin β = 1 ; значение sin α п р = n 2 n 1 < 1 .
При условии, что второй средой будет воздух (n 2 ≈ 1) , то равенство будет допустимо переписать в вид: sin α п р = 1 n , где n = n 1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.
В условиях границы раздела «стекло–воздух», где n = 1 , 5 , критический угол равен α п р = 42 ° , в то время как для границы «вода–воздух» n = 1 , 33 , а α п р = 48 , 7 ° .
Рисунок 3 . 1 . 2 . Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света.
Феномен полного внутреннего отражения широко используется во многих оптических устройствах. Одним из таких устройств является волоконный световод – тонкие, изогнутые случайным образом, нити из оптически прозрачного материала, внутри которых свет, попавший на торец, может распространяться на огромные расстояния. Данное изобретение стало возможным только благодаря правильному применению феномена полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3 . 1 . 3).
Определение 12
Волоконная оптика – это научно-техническое направление, основывающееся на разработке и использовании оптических световодов.
Рисунок 3 . 1 . 3 . Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.
Рисунок 3 . 1 . 4 . Модель отражения и преломления света.
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Все законы геометрической оптики следуют из закона сохранения энергии. Все эти законы не являются независимыми друг от друга.
4.3.1. Закон независимого распространения лучей
Если через точку пространства проходит несколько лучей, то каждый луч ведет себя так, как если бы других лучей не было
Это справедливо для линейной оптики, где показатель преломления не зависит от амплитуды и интенсивности проходящего света.
4.3.2. Закон обратимости
Траектория и длина хода лучей не зависят от направления распространения.
То есть, если луч, который распространяется от точки до точки , пустить в обратном ходе (от к ), то он будет иметь такую же траекторию, как и в прямом.
4.3.3. Закон прямолинейного распространения
В однородной среде лучи - прямые линии (см. параграф 4.2.1).
4.3.4. Закон преломления и отражения
Закон отражения и преломления подробно рассматривается в Главе 3. В рамках геометрической оптики формулировки законов преломления и отражения сохраняются.
4.3.5. Принцип таутохронизма
Рис.4.3.1. Принцип таутохронизма.
Рассмотрим распространение света, как распространение волновых фронтов (рис.4.3.1).
Оптическая длина любого луча между двумя волновыми фронтами одна и та же:
| (4.3.1) |
Волновые фронты - поверхности, которые оптически параллельны друг другу. Это справедливо и для распространения волновых фронтов в неоднородных средах
4.3.6. Принцип Ферма
Пусть имеются две точки и , расположенные, возможно, в различных средах. Эти точки можно соединить между собой различными линиями. Среди этих линий будет только одна, которая будет являться оптическим лучом, который распространяется в соответствии с законами геометрической оптики (рис.4.3.2).
Рис.4.3.2. Принцип Ферма.
Принцип Ферма:
Оптическая длина луча между двумя точками минимальна по сравнению со всеми другими линиями, соединяющими эти две точки:
| (4.3.2) |
Существует более полная формулировка:
Оптическая длина луча между двумя точками является стационарной по отношению к смещению этой линии.
Луч - кратчайшее расстояние между двумя точками. Если линия, вдоль которой мы измеряем расстояние между двумя точками, отличается от луча на величину 1-го порядка малости, то оптическая длина этой линии отличается от оптической длины луча на величину 2-го порядка малости.
Если оптическую длину луча, соединяющего две точки, поделить на скорость света, то получим время, необходимое на преодоление расстояния между двумя точками:
Еще одна формулировка принципа Ферма:
Луч, соединяющий две точки, идет по такому пути, который требует наименьшего времени (по самому быстрому пути).
Из этого принципа могут быть выведены законы преломления, отражения и т.д.
4.3.7 Закон Малюса-Дюпена
Нормальная конгруэнция сохраняет свойства нормальной конгруэнции в процессе прохождения через различные среды.
4.3.8 Инварианты
Инварианты (от слова неизменный) - это соотношения, выражения, которые сохраняют свой вид при изменении каких-либо условий, например, при прохождении света через различные среды или системы.
Интегральный инвариант Лагранжа
Пусть имеется некоторая нормальная конгруэнция (пучок лучей), и две произвольные точки в пространстве и (рис.4.3.4). Соединим эти две точки произвольной линией и найдем криволинейный интеграл.
| (4.3.4) |
Рис.4.3.3. Интегральный инвариант Лагранжа.
Дифференциальный инвариант Лагранжа
Луч в пространстве полностью описывается радиус-вектором , который содержит три линейные координаты , и оптическим вектором , который содержит три угловые координаты . Всего, таким образом, имеется 6 параметров для определения некоторого луча в пространстве. Однако из этих 6 параметров только 4 являются независимыми, так как можно получить два уравнения, которые связывают параметры луча друг с другом.
Первое уравнение определяется длину оптического вектора:
Где - показатель преломления среды.
Второе уравнение вытекает из условия ортогональности векторов и :
Из выражений (4.3.5) и (4.3.6), воспользовавшись аналитической геометрией, можно вывести следующее соотношение:
| (4.3.7) |
Дифференциальный инвариант Лагранжа:
Величина сохраняет свое значение для данного луча при распространении пучка лучей через любую совокупность оптических сред.
Геометрический фактор остается инвариантным при распространении лучевой трубки через любую последовательность различных сред (рис.4.3.5).
Инвариант Штраубеля выражает закон сохранения энергии, так как он показывает неизменность лучистого потока.
Из определения яркости можно получить следующее равенство:
(4.3.9) где - приведенная яркость, которая инвариантна, как уже было сказано в главе 2.