Wstęp................................................. ....... .................................. ............................................. 2
Rozdział 1. Podstawowe prawa zjawisk optycznych............................................ ........... 4
1.1 Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła........................................... ........................ 4
1.2 Prawo niezależności promieni świetlnych........................................... ............... 5
1.3 Prawo odbicia światła........................................... ....... .................................. ............. 5
1.4 Prawo załamania światła........................................... ........................................... ...... 5
Rozdział 2. Idealne układy optyczne............................................ ........................ 7
Rozdział 3. Elementy układów optycznych........................................... ........... .. 9
3.1 Membrany i ich rola w układach optycznych........................................... .................. 9
3.2 Źrenice wejściowe i wyjściowe........................................... ....... .................................. 10
Rozdział 4. Nowoczesne układy optyczne............................................ ........... 12
4.1 Układ optyczny .................................................. .................................................... ........... 12
4.2 Aparatura fotograficzna .................................................. .................................................... 13
4.3 Oko jako układ optyczny........................................... ........................................... 13
Rozdział 5. Układy optyczne wspomagające oko............................ 16
5.1 Szkło powiększające .................................................. .................................................... .................................. 17
5.2 Mikroskop........................................................... .................................................... ............... 18
5.3 Lunety........................................................... .................. .................................. .................................. 20
5.4 Urządzenia projekcyjne.................................................. .................. .................................. .............. 21
5.5 Urządzenia widmowe .................................................. ...................................................... ........... 22
5.6 Optyczny przyrząd pomiarowy............................................ .................................. 23
Wniosek................................................. .................................................. .................................. 28
Bibliografia .................................................. . .................................................. ...... 29
Wstęp.
Optyka jest dziedziną fizyki badającą naturę promieniowania optycznego (światła), jego propagację oraz zjawiska obserwowane podczas oddziaływania światła z materią. Promieniowanie optyczne to fale elektromagnetyczne, dlatego też optyka jest jego częścią nauczanie ogólne o polu elektromagnetycznym.
Optyka to nauka zajmująca się zjawiska fizyczne związane z propagacją krótkich fal elektromagnetycznych, których długość wynosi około 10 -5 -10 -7 m. Znaczenie tego szczególnego obszaru widma fal elektromagnetycznych polega na tym, że w jego obrębie, w wąskim zakresie długości fal od 400 do 760 nm to obszar światła widzialnego, bezpośrednio postrzegany przez ludzkie oko. Ogranicza go z jednej strony promieniowanie rentgenowskie, a z drugiej mikrofalowy zakres emisji radiowej. Z punktu widzenia fizyki zachodzących procesów izolowanie tak wąskiego widma fal elektromagnetycznych (światła widzialnego) nie ma większego sensu, dlatego też pojęcie „zakresu optycznego” obejmuje zwykle także promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe.
Ograniczenie zakresu optycznego ma charakter warunkowy i jest w dużej mierze zdeterminowane powszechnością środków technicznych i metod badania zjawisk w określonym zakresie. Te narzędzia i metody charakteryzują się tym, że są oparte na właściwości fal promieniowania, tworzenie obrazów obiektów optycznych za pomocą urządzeń, których wymiary liniowe są znacznie większe niż długość λ promieniowania, a także zastosowanie odbiorników światła, których działanie opiera się na jego właściwościach kwantowych.
Zgodnie z tradycją optykę dzieli się zazwyczaj na geometryczną, fizyczną i fizjologiczną. Optyka geometryczna pozostawia kwestię natury światła, wychodzi z empirycznych praw jego propagacji i wykorzystuje ideę promieni świetlnych załamanych i odbitych na granicach ośrodków o różnych właściwościach optycznych i prostoliniowych w ośrodku optycznie jednorodnym. Jego zadaniem jest matematyczne badanie drogi promieni świetlnych w ośrodku o znanej zależności współczynnika załamania n od współrzędnych lub odwrotnie, znalezienie właściwości optycznych i kształtu ośrodków przezroczystych i odbijających światło, w których promienie przebiegają wzdłuż podana ścieżka. Najwyższa wartość optyka geometryczna służy do obliczania i projektowania instrumentów optycznych - od soczewek okularowych po złożone soczewki i ogromne instrumenty astronomiczne.
Optyka fizyczna zajmuje się zagadnieniami związanymi z naturą światła i zjawiskami świetlnymi. Stwierdzenie, że światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną, opiera się na wynikach ogromnej liczby badań eksperymentalnych dyfrakcji światła, interferencji, polaryzacji i propagacji światła w ośrodkach anizotropowych.
Jednym z najważniejszych tradycyjnych zadań optyki jest uzyskanie obrazów odpowiadających oryginałom w obu przypadkach kształt geometryczny, a rozkład jasności rozwiązuje się głównie za pomocą optyki geometrycznej z udziałem optyki fizycznej. Optyka geometryczna odpowiada na pytanie, jak zbudować układ optyczny, aby każdy punkt obiektu był również przedstawiony jako punkt, zachowując przy tym geometryczne podobieństwo obrazu do obiektu. Wskazuje źródła zniekształceń obrazu i ich poziom w rzeczywistych układach optycznych. Do budowy układów optycznych niezbędna jest technologia wytwarzania materiałów optycznych o wymaganych właściwościach, a także technologia obróbki elementów optycznych. Ze względów technologicznych najczęściej stosuje się soczewki i zwierciadła o powierzchniach sferycznych, jednak w celu uproszczenia układów optycznych i poprawy jakości obrazu przy wysokich aperturach stosuje się elementy optyczne.
Rozdział 1. Podstawowe prawa zjawisk optycznych.
Już w pierwszych okresach badań optycznych ustalono eksperymentalnie cztery podstawowe prawa zjawisk optycznych:
1. Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła.
2. Prawo niezależności promieni świetlnych.
3. Prawo odbicia od powierzchni lustra.
4. Prawo załamania światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych.
Dalsze badania tych praw wykazały, po pierwsze, że jest ich znacznie więcej głębokie znaczenie, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, a po drugie, ich zastosowanie jest ograniczone i są to jedynie przepisy przybliżone. Ustalenie warunków i granic stosowania podstawowych praw optycznych oznaczało istotny postęp w badaniu natury światła.
Istota tych praw sprowadza się do tego, co następuje.
W ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostych.
Prawo to odnajdujemy w pracach nad optyką przypisywanych Euklidesowi i prawdopodobnie było znane i stosowane znacznie wcześniej.
Eksperymentalny dowód tego prawa można uzyskać na podstawie obserwacji ostrych cieni wytwarzanych przez punktowe źródła światła lub uzyskania obrazów przy użyciu małych apertur. Ryż. 1 ilustruje akwizycję obrazu przy użyciu małej apertury, kształt i rozmiar obrazu pokazuje, że projekcja odbywa się przy użyciu promieni prostych.
Rys. 1 Prostoliniowa propagacja światła: akwizycja obrazu przy użyciu małej apertury.
Prawo propagacji prostoliniowej można uznać za mocno ugruntowane na podstawie doświadczenia. Ma to bardzo głębokie znaczenie, gdyż samo pojęcie linii prostej najwyraźniej zrodziło się z obserwacji optycznych. Koncepcja geometryczna linia prosta, jako linia reprezentująca najkrótszą odległość między dwoma punktami, to pojęcie linii, wzdłuż której światło rozchodzi się w ośrodku jednorodnym.
Bardziej szczegółowe badanie opisanych zjawisk pokazuje, że prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła traci swoją moc, jeśli przejdziemy do bardzo małych dziur.
Zatem w eksperymencie pokazanym na ryc. 1, otrzymujemy dobre zdjęcie z otworem o średnicy około 0,5 mm. Przy późniejszym zmniejszeniu otworu obraz będzie niedoskonały, a przy otworze około 0,5-0,1 mikrona obraz w ogóle nie będzie działał, a ekran będzie oświetlony niemal równomiernie.
Strumień świetlny można podzielić na osobne wiązki światła, podświetlając je np. za pomocą przesłon. Działanie tych wybranych wiązek światła okazuje się niezależne, tj. efekt wytwarzany przez pojedynczą wiązkę nie zależy od tego, czy inne wiązki działają jednocześnie, czy też są eliminowane.
Promień padający, normalna do powierzchni odbijającej i promień odbity leżą w tej samej płaszczyźnie (ryc. 2), a kąty między promieniami a normalną są sobie równe: kąt padania i równy kątowi odbicia i”. Prawo to wspominane jest także w pracach Euklidesa. Jego powstanie wiąże się ze stosowaniem polerowanych powierzchni metalowych (luster), znanych już w bardzo odległej epoce.
Ryż. 2 Prawo odbicia.
Ryż. 3 Prawo załamania.
Przepona jest nieprzezroczystą barierą, która ogranicza Przekrój wiązki światła w układach optycznych (w teleskopach, dalmierzach, mikroskopach, aparatach filmowych i fotograficznych itp.). Rolę przysłon często pełnią oprawy soczewek, pryzmatów, zwierciadeł i innych części optycznych, źrenica oka, granice oświetlanego obiektu, a w spektroskopach - szczeliny.
Każdy układ optyczny – oko uzbrojone i nieuzbrojone, aparat fotograficzny, aparat projekcyjny – ostatecznie rysuje obraz na płaszczyźnie (ekran, płyta fotograficzna, siatkówka); obiekty są w większości przypadków trójwymiarowe. Jednak nawet idealny układ optyczny, bez ograniczeń, nie zapewniłby obrazów trójwymiarowego obiektu na płaszczyźnie. Rzeczywiście poszczególne punkty obiektu trójwymiarowego znajdują się w różnych odległościach od układu optycznego i odpowiadają różnym płaszczyznom sprzężonym.
Świetlny punkt O (ryc. 5) daje ostry obraz O` w koniugacie płaszczyzny MM 1 z EE. Ale punkty A i B dają ostre obrazy w A` i B`, a na płaszczyźnie MM są one rzutowane jako jasne koła, których wielkość zależy od ograniczenia szerokości wiązek. Gdyby układ nie był nieograniczony, to wiązki z A i B oświetlałyby płaszczyznę MM równomiernie, co oznacza, że nie uzyskano by obrazu obiektu, a jedynie obraz jego poszczególnych punktów leżących na płaszczyźnie EE.
Im węższe wiązki, tym wyraźniejszy obraz przestrzeni obiektu na płaszczyźnie. Ściślej, na płaszczyźnie nie jest ukazany sam obiekt przestrzenny, ale ów płaski obraz, będący rzutem obiektu na pewną płaszczyznę EE (płaszczyznę instalacji), sprzężoną względem układu z płaszczyzną obrazu MM. Środek projekcji jest jednym z punktów układu (środek źrenicy wejściowej instrumentu optycznego).
Rozmiar i położenie przysłony określają oświetlenie i jakość obrazu, głębię ostrości i rozdzielczość układu optycznego oraz pole widzenia.
Przysłonę, która najsilniej ogranicza wiązkę światła, nazywamy aperturą lub efektywną. Jej rolę może pełnić oprawa soczewki lub specjalna przysłona wybuchowa, jeśli przysłona ta ogranicza strumienie światła mocniej niż oprawki soczewki.
|
|||
Wybuchowa przysłona aperturowa często umieszczana jest pomiędzy poszczególnymi elementami (soczewkami) złożonego układu optycznego (rys. 6), ale może być umieszczona przed lub za układem.
Jeśli BB jest prawdziwą przysłoną aperturową (ryc. 6), a B 1 B 1 i B 2 B 2 są jej obrazami w przedniej i tylnej części układu, wówczas wszystkie promienie przechodzące przez BB przejdą przez B 1 B 1 i B 2 B 2 i odwrotnie, tj. dowolna z przesłon ВВ, В 1 В 1, В 2 В 2 ogranicza aktywne wiązki.
Źrenica wejściowa to źrenica rzeczywistych otworów lub ich obrazów, która najsilniej ogranicza przychodzącą wiązkę, tj. widoczne pod najmniejszym kątem od punktu przecięcia osi optycznej z płaszczyzną obiektu.
Źrenica wyjściowa to otwór lub jego obraz ograniczający wiązkę wychodzącą z układu. Źrenice wejściowe i wyjściowe są sprzężone w odniesieniu do całego układu.
Rolę źrenicy wejściowej może pełnić ta czy inna dziura lub jej obraz (rzeczywisty lub wyimaginowany). W niektórych ważnych przypadkach obrazowanym obiektem jest oświetlony otwór (np. szczelina spektrografu), a oświetlenie zapewnia bezpośrednio źródło światła umieszczone w pobliżu otworu lub za pomocą pomocniczego kondensatora. W tym przypadku, w zależności od lokalizacji, rolę źrenicy wejściowej może pełnić granica źródła lub jego obrazu, granica kondensatora itp.
Jeżeli przysłona aperturowa znajduje się przed układem, to pokrywa się ze źrenicą wejściową, a źrenica wyjściowa będzie jej obrazem w tym układzie. Jeśli leży za układem, to pokrywa się ze źrenicą wyjściową, a źrenica wejściowa będzie jej obrazem w systemie. Jeżeli przesłona materiału wybuchowego znajduje się wewnątrz układu (rys. 6), to jego obraz B 1 B 1 w przedniej części układu służy jako źrenica wejściowa, a obraz B 2 B 2 z tyłu układu pełni funkcję źrenicy wyjściowej. Kąt, pod którym promień źrenicy wejściowej jest widoczny z punktu przecięcia osi z płaszczyzną przedmiotu, nazywany jest „kątem rozsyłu”, a kąt, pod którym promień źrenicy wyjściowej jest widoczny z punktu przecięcia osi z płaszczyzną obrazu to kąt projekcji lub kąt otworu wyjściowego. [3]
Rozdział 4. Nowoczesne układy optyczne.
Cienka soczewka reprezentuje najprostszy układ optyczny. Proste cienkie soczewki stosowane są głównie w postaci okularów do okularów. Ponadto dobrze znane jest wykorzystanie soczewki jako szkła powiększającego.
Działanie wielu instrumentów optycznych - lampy projekcyjnej, aparatu i innych urządzeń - można schematycznie porównać do działania cienkich soczewek. Cienka soczewka daje jednak dobry obraz tylko w stosunkowo rzadkim przypadku, gdy można ograniczyć się do wąskiej, jednobarwnej wiązki wychodzącej ze źródła wzdłuż głównej osi optycznej lub pod dużym kątem do niej. W większości problemy praktyczne, gdzie te warunki nie są spełnione, obraz jaki daje cienki obiektyw jest raczej niedoskonały. Dlatego w większości przypadków uciekają się do budowania bardziej złożonych układów optycznych, które je posiadają duża liczba powierzchnie refrakcyjne i nie są ograniczone wymogiem bliskości tych powierzchni (wymóg, który spełnia cienka soczewka). [ 4 ]
Ogólnie rzecz biorąc, oko ludzkie jest ciałem kulistym o średnicy około 2,5 cm, zwanym gałką oczną (ryc. 10). Nieprzezroczysta i trwała warstwa zewnętrzna oka nazywana jest twardówką, a jej przezroczysta i bardziej wypukła część przednia nazywana jest rogówką. Od wewnątrz twardówka pokryta jest naczyniówką, składającą się z naczyń krwionośnych zaopatrujących oko. Naprzeciw rogówki naczyniówka przechodzi do tęczówki, różnie zabarwionej u różnych osób, która jest oddzielona od rogówki komorą zawierającą przezroczystą wodnistą masę.
W tęczówce znajduje się okrągły otwór,
zwany źrenicą, której średnica może się różnić. Zatem tęczówka pełni rolę przepony, regulując dostęp światła do oka. W jasnym świetle źrenica zmniejsza się, a przy słabym świetle powiększa się. Wewnątrz gałki ocznej za tęczówką znajduje się soczewka, która jest dwuwypukłą soczewką wykonaną z przezroczystej substancji o współczynniku załamania światła około 1,4. Soczewka otoczona jest mięśniem pierścieniowym, który może zmieniać krzywiznę jej powierzchni, a co za tym idzie, jej moc optyczną.
Naczyniówka po wewnętrznej stronie oka pokryta jest gałęziami nerwu światłoczułego, szczególnie gęstymi przed źrenicą. Gałęzie te tworzą siatkówkę, na której uzyskiwany jest rzeczywisty obraz obiektów tworzony przez układ optyczny oka. Przestrzeń pomiędzy siatkówką a soczewką wypełniona jest przezroczystym ciałem szklistym, które ma galaretowatą strukturę. Obraz obiektów na siatkówce jest odwrócony. Jednak aktywność mózgu, który odbiera sygnały z nerwu światłoczułego, pozwala nam widzieć wszystkie obiekty w naturalnych pozycjach.
Kiedy mięsień pierścieniowy oka jest rozluźniony, na siatkówce uzyskuje się obraz odległych obiektów. Ogólnie rzecz biorąc, budowa oka jest taka, że człowiek może bez wysiłku widzieć obiekty znajdujące się nie bliżej niż 6 m od oka. W tym przypadku obraz bliższych obiektów uzyskuje się za siatkówką. Aby uzyskać wyraźny obraz takiego obiektu, mięsień pierścieniowy coraz bardziej ściska soczewkę, aż obraz obiektu pojawi się na siatkówce, a następnie utrzymuje soczewkę w stanie ściśniętym.
Zatem „ogniskowanie” ludzkiego oka odbywa się poprzez zmianę mocy optycznej soczewki za pomocą mięśnia pierścieniowego. Zdolność układu optycznego oka do tworzenia wyraźnych obrazów obiektów znajdujących się w różnych odległościach od niego nazywa się akomodacją (od łacińskiego „akomodacja” - adaptacja). Podczas oglądania bardzo odległych obiektów do oka wpadają równoległe promienie. W tym przypadku mówi się, że oko jest przystosowane do nieskończoności.
Akomodacja oka nie jest nieskończona. Za pomocą mięśnia pierścieniowego moc optyczna oka może wzrosnąć o nie więcej niż 12 dioptrii. Podczas długotrwałego patrzenia na bliskie obiekty oko się męczy, mięsień pierścieniowy zaczyna się rozluźniać, a obraz obiektu się zamazuje.
Ludzkie oczy pozwalają nam wyraźnie widzieć przedmioty nie tylko w świetle dziennym. Zdolność oka do przystosowania się do różnego stopnia podrażnienia zakończeń nerwu światłoczułego na siatkówce, tj. do różnych stopni jasności obserwowanych obiektów nazywa się adaptacją.
Zbieżność osi wzrokowych oczu w pewnym punkcie nazywa się zbieżnością. Kiedy przedmioty znajdują się w znacznej odległości od osoby, wówczas podczas przenoszenia oczu z jednego obiektu na drugi osie oczu praktycznie się nie zmieniają, a osoba traci zdolność prawidłowego określenia położenia obiektu. Kiedy obiekty są bardzo daleko, osie oczu są równoległe i człowiek nie jest nawet w stanie określić, czy obiekt, na który patrzy, porusza się, czy nie. Siła mięśnia pierścieniowego, który ściska soczewkę podczas oglądania obiektów znajdujących się blisko osoby, również odgrywa pewną rolę w określaniu położenia ciał. [2]
Rozdział 5. Układy optyczne uzbrajające oko.
Choć oko nie jest cienką soczewką, to jednak można w nim znaleźć punkt, przez który promienie przechodzą praktycznie bez załamania, czyli tzw. punkt pełniący rolę centrum optycznego. Środek optyczny oka znajduje się wewnątrz soczewki, w pobliżu jej tylnej powierzchni. Odległość h od środka optycznego do siatkówki, zwana głębokością oka, dla normalnego oka wynosi 15 mm.
Znając położenie środka optycznego, można łatwo skonstruować obraz obiektu na siatkówce oka. Obraz jest zawsze rzeczywisty, zredukowany i odwrotny (ryc. 11, a). Kąt φ, pod którym obiekt S 1 S 2 jest widoczny z centrum optycznego O, nazywany jest kątem widzenia.
Siatkówka ma złożona struktura i składa się z pojedynczych elementów światłoczułych. Dlatego dwa punkty obiektu znajdujące się tak blisko siebie, że ich obraz na siatkówce wpada w ten sam element, są postrzegane przez oko jako jeden punkt. Minimalny kąt widzenia, pod którym oko nadal postrzega dwie świecące kropki lub dwie czarne kropki na białym tle, wynosi około jednej minuty. Oko słabo rozpoznaje szczegóły przedmiotu, który widzi pod kątem mniejszym niż 1”. Jest to kąt, pod jakim widoczny jest odcinek, którego długość wynosi 1 cm w odległości 34 cm od oka. W słabe oświetlenie (o zmierzchu), minimalny kąt rozdzielczości wzrasta i może osiągnąć 1°.
 |
Zbliżając obiekt do oka, zwiększamy kąt widzenia, a co za tym idzie, uzyskujemy
zdolność lepszego rozróżniania drobnych szczegółów. Nie możemy jednak zbliżyć go zbyt blisko oka, ponieważ zdolność oka do akomodacji jest ograniczona. Dla normalnego oka najkorzystniejsza odległość do oglądania przedmiotu to około 25 cm, przy której oko może wystarczająco dobrze rozróżniać szczegóły bez nadmiernego zmęczenia. Odległość ta nazywana jest odległością najlepszego widzenia. dla oka krótkowzrocznego odległość ta jest nieco mniejsza. dlatego też osoby krótkowzroczne, umieszczając dany obiekt bliżej oka niż osoby normalnie widzące czy osoby dalekowzroczne, widzą go pod większym kątem widzenia i lepiej rozróżniają drobne szczegóły.
Znaczące zwiększenie kąta widzenia osiąga się za pomocą przyrządów optycznych. Ze względu na przeznaczenie przyrządy optyczne uzbrajające oko można podzielić na następujące duże grupy.
1. Przyrządy służące do badania bardzo małych obiektów (szkło powiększające, mikroskop). Urządzenia te wydają się „powiększać” dane obiekty.
2. Przyrządy przeznaczone do obserwacji obiektów odległych (luneta, lornetka, teleskop itp.). urządzenia te wydają się „przybliżać” dane obiekty.
Zwiększając kąt widzenia podczas korzystania z urządzenia optycznego, zwiększa się wielkość obrazu obiektu na siatkówce w porównaniu z obrazem gołym okiem, a co za tym idzie, wzrasta zdolność rozpoznawania szczegółów. Stosunek długości b na siatkówce w przypadku uzbrojonego oka b” do długości obrazu gołym okiem b (ryc. 11, b) nazywany jest powiększeniem urządzenia optycznego.
Korzystanie z rys. 11b łatwo zauważyć, że wzrost N jest również równy stosunkowi kąta widzenia φ" podczas oglądania obiektu przez instrument do kąta widzenia φ gołym okiem, ponieważ φ" i φ są małe. [2,3] Zatem
N = b" / b = φ" / φ,
gdzie N jest powiększeniem obiektu;
b” to długość obrazu na siatkówce dla uzbrojonego oka;
b jest długością obrazu na siatkówce widzianego gołym okiem;
φ” – kąt widzenia podczas oglądania obiektu przez przyrząd optyczny;
φ – kąt widzenia przy oglądaniu obiektu gołym okiem.
Jednym z najprostszych przyrządów optycznych jest szkło powiększające – soczewka skupiająca przeznaczona do oglądania powiększonych obrazów małych obiektów. Soczewkę przybliża się do samego oka, a przedmiot umieszcza się pomiędzy soczewką a głównym ogniskiem. Oko zobaczy wirtualny i powiększony obraz obiektu. Najwygodniej jest badać obiekt przez szkło powiększające, okiem całkowicie rozluźnionym, nastawionym na nieskończoność. Aby to zrobić, przedmiot umieszcza się w głównej płaszczyźnie ogniskowej soczewki, tak aby promienie wychodzące z każdego punktu obiektu tworzyły równoległe wiązki za soczewką. Na ryc. Rysunek 12 przedstawia dwie takie wiązki wychodzące z krawędzi obiektu. Wchodząc do oka z akomodacją nieskończoną, wiązki równoległych promieni skupiają się na siatkówce i dają tutaj wyraźny obraz obiektu.
 |
Powiększenie kątowe. Oko znajduje się bardzo blisko soczewki, zatem za kąt widzenia można przyjąć kąt 2γ utworzony przez promienie przechodzące z krawędzi obiektu przez optyczny środek soczewki. Gdyby nie było szkła powiększającego, musielibyśmy umieścić przedmiot w odległości zapewniającej najlepsze widzenie (25 cm) od oka, a kąt widzenia wynosiłby 2β. Rozważając trójkąty prostokątne o bokach 25 cm i F cm i oznaczając połowę przedmiotu Z, możemy napisać:
,
gdzie 2γ to kąt widzenia obserwowany przez szkło powiększające;
2β – kąt widzenia obserwowany gołym okiem;
F – odległość obiektu od szkła powiększającego;
Z jest połową długości danego obiektu.
Biorąc pod uwagę, że małe szczegóły są zwykle badane przez szkło powiększające i dlatego kąty γ i β są małe, styczne można zastąpić kątami. Daje to następujące wyrażenie na powiększenie szkła powiększającego = = .
Dlatego powiększenie szkła powiększającego jest proporcjonalne do 1/F, czyli jego mocy optycznej.
Urządzenie umożliwiające uzyskanie dużego powiększenia podczas oglądania małych obiektów nazywa się mikroskopem.
Najprostszy mikroskop składa się z dwóch soczewek zbierających. Soczewka o bardzo krótkiej ogniskowej L 1 daje bardzo powiększony obraz rzeczywisty obiektu P"Q" (ryc. 13), który jest oglądany przez okular jak szkło powiększające.
 |
gdzie P"Q" jest powiększonym rzeczywistym obrazem obiektu;
PQ – rozmiar przedmiotu;
Mnożąc te wyrażenia, otrzymujemy = n 1 n 2,
gdzie PQ jest rozmiarem obiektu;
P""Q"" - powiększony wirtualny obraz obiektu;
n 1 – powiększenie liniowe obiektywu;
n 2 – powiększenie liniowe okularu.
To pokazuje, że powiększenie mikroskopu jest równe iloczynowi powiększeń uzyskanych oddzielnie przez obiektyw i okular. Możliwe jest zatem budowanie instrumentów dających bardzo duże powiększenia – do 1000 i nawet więcej. W dobrych mikroskopach soczewka i okular są złożone.
Okular zwykle składa się z dwóch soczewek, ale soczewka jest znacznie bardziej złożona. Chęć uzyskania dużych powiększeń wymusza stosowanie obiektywów krótkoogniskowych o bardzo dużej mocy optycznej. Przedmiot, o którym mowa, umieszczony jest bardzo blisko soczewki i wytwarza szeroką wiązkę promieni wypełniającą całą powierzchnię pierwszej soczewki. Stwarza to bardzo niekorzystne warunki do uzyskania ostrego obrazu: grube soczewki i niecentryczne wiązki. Dlatego, aby skorygować wszelkiego rodzaju niedociągnięcia, trzeba uciekać się do kombinacji wielu soczewek z różnych rodzajów szkła.
W nowoczesnych mikroskopach teoretyczny limit został już prawie osiągnięty. Przez mikroskop można zobaczyć bardzo małe obiekty, ale ich obrazy pojawiają się w postaci małych plamek, które nie mają żadnego podobieństwa do obiektu.
Do badania tak małych cząstek używa się tzw. ultramikroskopu, czyli zwykłego mikroskopu z kondensorem, który pozwala na intensywne oświetlenie badanego obiektu od strony prostopadłej do osi mikroskopu.
Za pomocą ultramikroskopu można wykryć cząstki, których wielkość nie przekracza milimikronów.
Najprostsza luneta składa się z dwóch soczewek skupiających. Jedna soczewka zwrócona w stronę oglądanego obiektu nazywana jest obiektywem, a druga zwrócona w stronę oka obserwatora nazywana jest okularem.
Soczewka L 1 daje rzeczywisty odwrotny i znacznie zmniejszony obraz obiektu P 1 Q 1 leżącego w pobliżu głównego ogniska soczewki. Okular jest umieszczony tak, aby obraz obiektu był w jego głównym ognisku. W tej pozycji okular pełni rolę szkła powiększającego, za pomocą którego oglądany jest rzeczywisty obraz obiektu.
Działanie fajki, podobnie jak szkła powiększającego, polega na zwiększaniu kąta widzenia. Za pomocą rurki obiekty bada się zwykle w odległościach wielokrotnie większych niż jej długość. Zatem kąt widzenia, pod którym obiekt jest widoczny bez tubusu, można przyjąć jako kąt 2β utworzony przez promienie wychodzące z krawędzi obiektu przez środek optyczny soczewki.
Obraz widoczny jest pod kątem 2γ i leży niemal w samym ognisku F soczewki oraz w ognisku F 1 okularu.
Biorąc pod uwagę dwa trójkąt prostokątny ze wspólnym bokiem Z” możemy napisać:
,
F - ostrość obiektywu;
F 1 - ostrość okularu;
Z” to połowa długości danego obiektu.
Kąty β i γ nie są duże, dlatego przy wystarczającym przybliżeniu można zastąpić tanβ i tgγ kątami i wówczas zwiększenie rury = 
,
gdzie 2γ to kąt, pod jakim widoczny jest obraz obiektu;
2β – kąt widzenia, pod jakim obiekt jest widoczny gołym okiem;
F - ostrość obiektywu;
F 1 – ostrość okularu.
Powiększenie kątowe tubusu określa się na podstawie stosunku ogniskowej soczewki do ogniskowej okularu. Aby uzyskać duże powiększenie, należy wziąć obiektyw o długim ogniskowaniu i okular o krótkim ogniskowaniu. [ 1 ]
Urządzenie projekcyjne służy do pokazywania widzom na ekranie powiększonych obrazów rysunków, fotografii lub rysunków. Rysunek na szkle lub na przezroczystej folii nazywa się slajdem, a samo urządzenie przeznaczone do wyświetlania takich rysunków to diaskop. Jeśli urządzenie jest przeznaczone do wyświetlania nieprzezroczystych obrazów i rysunków, nazywa się je episkopem. Urządzenie przeznaczone do obu przypadków nazywa się epidiaskopem.
Soczewka, która tworzy obraz przedmiotu znajdującego się przed nią, nazywana jest soczewką. Zazwyczaj obiektyw jest układem optycznym, w którym wyeliminowano najważniejsze mankamenty charakterystyczne dla poszczególnych obiektywów. Aby obraz obiektu był wyraźnie widoczny dla widzów, sam obiekt musi być jasno oświetlony.
Schemat konstrukcyjny aparatu projekcyjnego pokazano na ryc. 16.
Źródło światła S umieszczone jest w środku zwierciadła wklęsłego (odbłyśnika) R. światło pochodzące bezpośrednio ze źródła S i odbite od odbłyśnika R, pada na kondensor K, który składa się z dwóch płasko-wypukłych soczewek. Kondensator zbiera te promienie świetlne
W rurce A, zwanej kolimatorem, znajduje się wąska szczelina, której szerokość można regulować za pomocą śruby. Przed szczeliną umieszcza się źródło światła, którego widmo należy zbadać. Szczelina znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej kolimatora, dlatego promienie świetlne wychodzą z kolimatora w postaci równoległej wiązki. Po przejściu przez pryzmat promienie świetlne kierowane są do tuby B, przez którą obserwuje się widmo. Jeżeli do pomiarów przeznaczony jest spektroskop, wówczas obraz skali z podziałami nakłada się na obraz widma za pomocą specjalnego urządzenia, które pozwala dokładnie określić położenie linii kolorów w widmie.
Podczas badania widma często lepiej jest je sfotografować, a następnie zbadać pod mikroskopem.
Urządzenie do fotografowania widm nazywa się spektrografem.
Schemat spektrografu pokazano na ryc. 18.
Widmo promieniowania skupiane jest za pomocą soczewki L 2 na matowym szkle AB, które podczas fotografowania zastępuje się kliszą fotograficzną. [2]
Optyczny przyrząd pomiarowy to przyrząd pomiarowy, w którym celowanie (wyrównanie granic kontrolowanego obiektu za pomocą linii włosa, celownika itp.) lub określanie wielkości odbywa się za pomocą urządzenia o optycznej zasadzie działania. Istnieją trzy grupy optycznych przyrządów pomiarowych: urządzenia z zasadą celowania optycznego i mechaniczną metodą raportowania ruchu; urządzenia z celownikiem optycznym i raportowaniem ruchu; urządzenia mające kontakt mechaniczny z urządzeniem pomiarowym, z metodą optyczną do określania ruchu punktów styku.
Pierwszymi urządzeniami, które stały się powszechne, były projektory do pomiaru i monitorowania części o skomplikowanych konturach i małych rozmiarach.
Najpopularniejszym drugim urządzeniem jest uniwersalny mikroskop pomiarowy, w którym mierzona część porusza się po wózku wzdłużnym, a głowica mikroskopu po wózku poprzecznym.
Urządzenia trzeciej grupy służą do porównywania mierzonych wielkości liniowych z miarami lub skalami. Zwykle łączy się je pod ogólną nazwą komparatory. Do tej grupy urządzeń zalicza się optymetr (optyk, maszyna pomiarowa, interferometr stykowy, dalmierz optyczny itp.).
Optyczne przyrządy pomiarowe są również szeroko rozpowszechnione w geodezji (poziomica, teodolit itp.).
Teodolit jest przyrządem geodezyjnym służącym do wyznaczania kierunków oraz pomiaru kątów poziomych i pionowych podczas prac geodezyjnych, topograficznych i geodezyjnych, w budownictwie itp.
Poziomica - przyrząd geodezyjny służący do pomiaru wysokości punktów na powierzchni ziemi - niwelacja, a także do wyznaczania kierunków poziomych podczas montażu itp. Pracuje.
W nawigacji szeroko stosowany jest sekstans – goniometryczny przyrząd lustrzano-odbiciowy, służący do pomiaru wysokości ciał niebieskich nad horyzontem lub kątów pomiędzy widzialnymi obiektami w celu ustalenia współrzędnych miejsca obserwatora. Najważniejszą cechą sekstansu jest możliwość jednoczesnego łączenia w polu widzenia obserwatora dwóch obiektów, pomiędzy którymi mierzony jest kąt, co pozwala na używanie sekstansu w samolocie lub na statku bez zauważalnego spadku dokładności, nawet podczas rzucania.
Obiecującym kierunkiem rozwoju nowych typów optycznych przyrządów pomiarowych jest wyposażanie ich w elektroniczne urządzenia odczytowe, które umożliwiają uproszczenie odczytu, celowania itp. [ 5 ]
Rozdział 6. Zastosowanie układów optycznych w nauce i technice.
Zastosowanie i rola układów optycznych w nauce i technologii jest bardzo duża. Bez badania zjawisk optycznych i opracowywania instrumentów optycznych ludzkość nie byłaby taka wysoki poziom rozwój technologii.
Prawie wszystkie współczesne przyrządy optyczne są przeznaczone do bezpośredniej wizualnej obserwacji zjawisk optycznych.
Prawa konstrukcji obrazu stanowią podstawę konstrukcji różnych instrumentów optycznych. Główną częścią każdego urządzenia optycznego jest pewien rodzaj układu optycznego. W niektórych urządzeniach optycznych obraz uzyskiwany jest na ekranie, inne natomiast przystosowane są do pracy z okiem. w tym drugim przypadku urządzenie i oko stanowią jeden układ optyczny, a obraz uzyskiwany jest na siatkówce oka.
Studiuję trochę Właściwości chemiczne substancji, naukowcy wynaleźli sposób utrwalania obrazów na stałych powierzchniach i do wyświetlania obrazów na tej powierzchni zaczęli używać układów optycznych składających się z soczewek. W ten sposób świat otrzymał aparaty fotograficzne i filmowe, a wraz z późniejszym rozwojem elektroniki pojawiły się aparaty wideo i cyfrowe.
Do badania małych obiektów, prawie niewidocznych dla oka, stosuje się szkło powiększające, a jeśli jego powiększenie nie jest wystarczające, stosuje się mikroskopy. Nowoczesne mikroskopy optyczne pozwalają powiększać obrazy nawet 1000 razy, a mikroskopy elektronowe dziesiątki tysięcy razy. Dzięki temu możliwe jest badanie obiektów na poziomie molekularnym.
Nowoczesny badania astronomiczne nie byłoby możliwe bez „trąby Galileusza” i „trąby Keplera”. Tubus Galileusza, często stosowany w zwykłych lornetkach teatralnych, daje bezpośredni obraz obiektu, natomiast tuba Keplera daje obraz odwrócony. Dzięki temu, jeśli tuba Keplera ma być wykorzystywana do obserwacji naziemnych, wówczas wyposażona jest w system owijania (dodatkowa soczewka lub układ pryzmatów), dzięki czemu obraz staje się bezpośredni. Przykładem takiego urządzenia jest lornetka pryzmatyczna.
Zaletą tuby Keplera jest to, że posiada ona dodatkowy obraz pośredni, w płaszczyźnie którego można umieścić skalę pomiarową, kliszę fotograficzną do robienia zdjęć itp. Dlatego w astronomii i we wszystkich sprawach związanych z pomiarami wykorzystuje się rurkę Keplera.
Oprócz teleskopów zbudowanych na wzór teleskopu - w astronomii bardzo ważne są refraktory, teleskopy zwierciadlane (odblaskowe), czy też reflektory.
Możliwości obserwacyjne, jakie zapewnia każdy teleskop, zależą od średnicy jego otworu. Dlatego od czasów starożytnych myśl naukowa i techniczna miała na celu znalezienie
 |
metody wytwarzania dużych luster i soczewek.
Wraz z budową każdego nowego teleskopu promień obserwowanego przez nas Wszechświata się zwiększa.
Wizualna percepcja przestrzeni zewnętrznej jest złożone działanie, w którym zasadniczą okolicznością jest to, że w normalnych warunkach używamy dwojga oczu. Dzięki dużej ruchomości oczu szybko ustalamy jeden punkt obiektu za drugim; jednocześnie możemy oszacować odległość do danych obiektów, a także porównać te odległości między sobą. Ocena ta daje wyobrażenie o głębi przestrzeni, wolumetrycznym rozkładzie szczegółów obiektu i umożliwia widzenie stereoskopowe.
Obrazy stereoskopowe 1 i 2 ogląda się za pomocą soczewek L 1 i L 2, każda umieszczona przed jednym okiem. Obrazy znajdują się w płaszczyznach ogniskowych soczewek, dlatego ich obrazy leżą w nieskończoności. Obydwa oczy są przystosowane do nieskończoności. Obrazy obu fotografii postrzegane są jako jeden reliefowy obiekt leżący w płaszczyźnie S.
Stereoskop jest obecnie szeroko stosowany do badania obrazów terenu. Fotografując obszar z dwóch punktów, uzyskuje się dwie fotografie, oglądając je przez stereoskop, wyraźnie widać teren. Większa ostrość widzenia stereoskopowego umożliwia wykorzystanie stereoskopu do wykrywania fałszywych dokumentów, pieniędzy itp.
W wojskowych przyrządach optycznych przeznaczonych do obserwacji (lornetki, lunety stereoskopowe) odległości między środkami soczewek są zawsze znacznie większe niż odległości między oczami, a odległe obiekty wydają się znacznie bardziej widoczne niż przy obserwacji bez przyrządu.
Badanie właściwości światła przemieszczającego się w ciałach o wysokim współczynniku załamania światła doprowadziło do odkrycia całkowitego wewnętrznego odbicia. Właściwość ta jest szeroko stosowana w produkcji i zastosowaniu włókien optycznych. Światłowód umożliwia transmisję dowolnego promieniowania optycznego bez strat. Zastosowanie światłowodu w systemach komunikacyjnych umożliwiło uzyskanie szybkich kanałów do odbioru i wysyłania informacji.
Całkowite wewnętrzne odbicie pozwala na użycie pryzmatów zamiast luster. Na tej zasadzie zbudowane są lornetki i peryskopy pryzmatyczne.
 |
Zastosowanie laserów i systemów ogniskujących pozwala na skupienie promieniowania laserowego w jednym punkcie, co wykorzystywane jest podczas cięcia różne substancje, w urządzeniach do odczytu i zapisu płyt CD, w dalmierzach laserowych.
Układy optyczne są szeroko stosowane w geodezji do pomiaru kątów i wzniesień (poziomów, teodolitów, sekstansów itp.).
Zastosowanie pryzmatów do podziału światła białego na widma doprowadziło do powstania spektrografów i spektroskopów. Umożliwiają obserwację widm absorpcyjnych i emisyjnych ciała stałe i gazy. Analiza spektralna pozwala się tego dowiedzieć skład chemiczny Substancje.
Zastosowanie najprostszych układów optycznych – cienkich soczewek, pozwoliło wielu osobom z wadami narządu wzroku na normalne widzenie (okulary, soczewki oka itp.).
Dzięki układom optycznym wiele odkrycia naukowe i zdobywca.
We wszystkich obszarach stosowane są systemy optyczne działalność naukowa od biologii po fizykę. Można zatem powiedzieć, że zakres zastosowań układów optycznych w nauce i technice jest nieograniczony. [4.6]
Wniosek.
Praktyczne znaczenie optyki i jej wpływ na inne gałęzie wiedzy są niezwykle duże. Wynalazek teleskopu i spektroskopu otworzył przed człowiekiem najbardziej niesamowite i najbogatszy świat zjawiska zachodzące w rozległym Wszechświecie. Wynalezienie mikroskopu zrewolucjonizowało biologię. Fotografia pomogła i nadal pomaga niemal wszystkim dziedzinom nauki. Jeden z niezbędne elementy sprzęt naukowy jest soczewką. Bez niej nie byłoby mikroskopu, teleskopu, spektroskopu, aparatu fotograficznego, kina, telewizji itp. nie byłoby okularów, a wiele osób po 50. roku życia nie byłoby w stanie czytać i wykonywać wielu prac wymagających wzroku.
Spektrum zjawisk badanych przez optykę fizyczną jest bardzo szerokie. Zjawiska optyczne są ściśle powiązane ze zjawiskami badanymi w innych gałęziach fizyki, a optyczne metody badawcze należą do najbardziej subtelnych i dokładnych. Nic więc dziwnego, że w wielu przypadkach optyka od dawna odgrywa wiodącą rolę podstawowe badania oraz rozwój podstawowych poglądów fizycznych. Dość powiedzieć, że oba główne teorie fizyczne ubiegłego wieku – teoria względności i teoria kwantowa – powstały i w dużej mierze rozwinęły się na podstawie badań optycznych. Wynalezienie laserów otworzyło nowe, ogromne możliwości nie tylko w optyce, ale także w jej zastosowaniach w różnych dziedzinach nauki i technologii.
Bibliografia.
1. Artsybyshev S.A. Fizyka - M.: Medgiz, 1950. - 511 s.
2. Żdanow L.S. Żdanow G.L. Fizyka dla półproduktów instytucje edukacyjne- M.: Nauka, 1981. - 560 s.
3. Landsberg G.S. Optyka - M.: Nauka, 1976. - 928 s.
4. Landsberg G.S. Podręcznik do fizyki elementarnej. - M.: Nauka, 1986. - T.3. - 656s.
5. Prochorow A.M. Wielka encyklopedia radziecka. - M.: Encyklopedia radziecka, 1974. - T.18. - 632 s.
6. Sivukhin D.V. Kurs ogólny fizyka: Optyka - M.: Nauka, 1980. - 751 s.
Optyka to dziedzina fizyki badająca naturę promieniowania świetlnego, jego propagację i interakcję z materią. Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi. Długość fali świetlnej zawarta jest w przedziale. Fale tego zakresu są postrzegane przez ludzkie oko.
Światło rozchodzi się wzdłuż linii zwanych promieniami. W przybliżeniu optyki promienistej (lub geometrycznej) zaniedbuje się skończone długości fal światła, zakładając, że λ → 0. W wielu przypadkach optyka geometryczna pozwala dość dobrze obliczyć układ optyczny. Najprostszym układem optycznym jest soczewka.
Badając interferencję światła, należy pamiętać, że interferencję obserwuje się tylko ze źródeł koherentnych i że interferencja wiąże się z redystrybucją energii w przestrzeni. Tutaj istotna jest umiejętność prawidłowego zapisania warunków maksymalnego i minimalnego natężenia światła oraz zwrócenie uwagi na takie kwestie jak kolory cienkich folii, paski o jednakowej grubości i równym nachyleniu.
Badając zjawisko dyfrakcji światła, należy zrozumieć zasadę Huygensa-Fresnela, metodę strefową Fresnela i zrozumieć, jak opisać obraz dyfrakcyjny na pojedynczej szczelinie i na siatce dyfrakcyjnej.
Badając zjawisko polaryzacji światła, musisz zrozumieć, że podstawą tego zjawiska jest poprzeczność fal świetlnych. Należy zwrócić uwagę na metody wytwarzania światła spolaryzowanego oraz prawa Brewstera i Malusa.
Tabela podstawowych wzorów optyki
|
Prawa fizyczne, wzory, zmienne |
Formuły optyki |
|
Bezwzględny współczynnik załamania światła gdzie c jest prędkością światła w próżni, c=3,108 m/s, v jest prędkością propagacji światła w ośrodku. |
|
|
Względny współczynnik załamania światła gdzie n 2 i n 1 są bezwzględnymi współczynnikami załamania światła drugiego i pierwszego ośrodka. |
|
|
Prawo załamania gdzie i jest kątem padania, r jest kątem załamania. |
|
|
Formuła cienkiej soczewki gdzie F jest ogniskową soczewki, d to odległość przedmiotu od soczewki, f to odległość soczewki od obrazu. |
|
|
Moc obiektywu gdzie R 1 i R 2 są promieniami krzywizny sferycznych powierzchni soczewki. Dla powierzchni wypukłej R>0. Dla powierzchni wklęsłej R<0. |
|
|
Długość ścieżki optycznej: gdzie n jest współczynnikiem załamania światła ośrodka; r jest geometryczną długością drogi fali świetlnej. |
|
|
Różnica ścieżki optycznej: L 1 i L 2 to ścieżki optyczne dwóch fal świetlnych. |
|
|
Stan interferencji maksymalny: minimum: gdzie λ 0 jest długością fali światła w próżni; m jest rzędem maksimum lub minimum interferencji. |
|
|
Różnica dróg optycznych w cienkich warstwach w świetle odbitym: w świetle przechodzącym: gdzie d jest grubością folii; i jest kątem padania światła; n jest współczynnikiem załamania światła. |
|
|
Szerokość prążków interferencyjnych w doświadczeniu Younga: gdzie d jest odległością pomiędzy źródłami światła spójnego; L to odległość od źródła do ekranu. |
|
|
Warunek na główne maksima siatki dyfrakcyjnej: gdzie d jest stałą siatki dyfrakcyjnej; φ - kąt dyfrakcji. |
|
|
Rozdzielczość siatki dyfrakcyjnej: gdzie Δλ jest minimalną różnicą długości fal dwóch linii widmowych rozdzielonych przez siatkę; |
Na słowo „optyka” natrafiamy na przykład, gdy przechodzimy obok punktu sprzedaży okularów. Wielu pamięta też, że w szkole uczyli się optyki. Co to jest optyka?
Optyka to dziedzina fizyki badająca naturę światła, jego właściwości, wzorce propagacji w różnych ośrodkach, a także interakcję światła z substancjami. Aby lepiej zrozumieć, czym jest optyka, trzeba zrozumieć, czym jest światło.
Idee dotyczące światła we współczesnej fizyce
Fizyka uważa światło, do którego jesteśmy przyzwyczajeni, za złożone zjawisko o podwójnej naturze. Z jednej strony światło jest traktowane jako strumień drobnych cząstek – kwantów świetlnych (fotonów). Z drugiej strony światło można opisać jako rodzaj fal elektromagnetycznych o określonej długości fali.
Oddzielne gałęzie optyki badają światło jako zjawisko fizyczne pod różnymi kątami.
Sekcje optyki
- Optyka geometryczna. Bada prawa rozchodzenia się światła oraz odbicia i załamania promieni świetlnych. Reprezentuje światło jako promień rozchodzący się prostoliniowo w ośrodku jednorodnym (jest to jego podobieństwo do promienia geometrycznego). Nie uwzględnia falowej natury światła.
- Optyka falowa. Bada właściwości światła jako rodzaju fal elektromagnetycznych.
- Optyka kwantowa. Bada właściwości kwantowe światła (bada efekt fotoelektryczny, procesy fotochemiczne, promieniowanie laserowe itp.)
Optyka w życiu człowieka
Badając naturę światła i wzorce jego dystrybucji, człowiek wykorzystuje zdobytą wiedzę na swoją korzyść. Najczęstszymi przyrządami optycznymi w otaczającym nas życiu są okulary, mikroskop, teleskop, obiektyw fotograficzny, a także kabel światłowodowy służący do układania sieci LAN (o tym można dowiedzieć się z artykułu
Jedną ze starożytnych i obszernych gałęzi fizyki jest optyka. Jej osiągnięcia znajdują zastosowanie w wielu naukach i dziedzinach działalności: elektrotechnice, przemyśle, medycynie i innych. Z artykułu można dowiedzieć się, czym zajmuje się ta nauka, historię rozwoju idei na jej temat, najważniejsze osiągnięcia oraz jakie istnieją systemy i instrumenty optyczne.
Co bada optyka?
Nazwa tej dyscypliny ma pochodzenie greckie i jest tłumaczona jako „nauka o percepcji wzrokowej”. Optyka to dziedzina fizyki badająca naturę światła, jego właściwości i prawa związane z jego propagacją. Nauka ta bada naturę światła widzialnego, promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego. Ponieważ to właśnie dzięki światłu człowiek może widzieć otaczający go świat, ta dziedzina fizyki jest także dyscypliną związaną z wizualną percepcją promieniowania. I nic dziwnego: oko to złożony układ optyczny.
Historia powstawania nauki
Optyka wywodzi się z czasów starożytnych, kiedy ludzie próbowali zrozumieć naturę światła i dowiedzieć się, w jaki sposób mogą widzieć przedmioty w otaczającym ich świecie.
Starożytni filozofowie uważali, że światło widzialne to albo promienie wychodzące z oczu człowieka, albo strumień drobnych cząstek rozpraszających się z obiektów i wpadających do oka.
Następnie wielu wybitnych naukowców badało naturę światła. Izaak Newton sformułował teorię o korpuskułach – maleńkich cząsteczkach światła. Inny naukowiec, Huygens, wysunął teorię fal.
Naturę światła kontynuowali fizycy XX wieku: Maxwell, Planck, Einstein.
Obecnie hipotezy Newtona i Huygensa łączy koncepcja dualności falowo-cząsteczkowej, zgodnie z którą światło ma właściwości zarówno cząstek, jak i fal.
Sekcje
Przedmiotem badań optyki jest nie tylko światło i jego natura, ale także instrumenty do tych badań, prawa i właściwości tego zjawiska i wiele więcej. Dlatego nauka ma kilka działów poświęconych poszczególnym aspektom badań.
- optyka geometryczna;
- fala;
- kwant.
Każda sekcja zostanie szczegółowo omówiona poniżej.
Optyka geometryczna
W tej sekcji znajdują się następujące prawa optyki:
Prawo prostości rozchodzenia się światła przechodzącego przez ośrodek jednorodny. Wiązkę światła uważa się za linię prostą, wzdłuż której przechodzą cząsteczki światła.
Prawo odbicia:
Promienie padające i odbite, a także prostopadła do granicy dwóch ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie ( płaszczyzna padania). Kąt odbicia γ jest równy kątowi padania α.
Prawo załamania:
Promienie padające i załamane, a także prostopadła do granicy dwóch ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania α do sinusa kąta załamania β jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków.
Soczewki służą do badania właściwości światła w optyce geometrycznej.
Soczewka to przezroczysty korpus, który może przepuszczać i modyfikować.Dzieli się je na wypukłe i wklęsłe oraz zbierające i rozpraszające. Soczewka jest głównym elementem wszystkich instrumentów optycznych. Kiedy jego grubość jest mała w porównaniu do promieni powierzchni, nazywa się go cienkim. W optyce wzór na cienką soczewkę wygląda następująco:
1/d + 1/f = D, gdzie
d jest odległością obiektu od soczewki; f to odległość obrazu od soczewki; D to moc optyczna soczewki (mierzona w dioptriach).
Optyka falowa i jej koncepcje
Ponieważ wiadomo, że światło ma wszystkie właściwości fali elektromagnetycznej, osobna gałąź fizyki bada przejawy tych właściwości. Nazywa się to optyką falową.
Podstawowymi pojęciami tej gałęzi optyki są dyspersja, interferencja, dyfrakcja i polaryzacja.
Zjawisko dyspersji odkrył Newton dzięki swoim eksperymentom z pryzmatami. Odkrycie to stanowi ważny krok w kierunku zrozumienia natury światła. Odkrył, że załamanie promieni świetlnych zależy od ich koloru. Zjawisko to nazwano dyspersją lub rozpraszaniem światła. Obecnie wiadomo, że kolor zależy od długości fali. Ponadto to Newton zaproponował koncepcję widma w celu określenia tęczowego paska uzyskanego w wyniku rozproszenia przez pryzmaty.
Potwierdzeniem falowej natury światła jest odkryta przez Junga interferencja jego fal. Jest to nazwa nadana superpozycji dwóch lub więcej fal jedna na drugiej. W rezultacie można zaobserwować zjawisko wzmacniania i osłabiania drgań światła w różnych punktach przestrzeni. Pięknymi i znanymi wszystkim przejawami ingerencji są bańki mydlane i tęczowa warstwa rozlanej benzyny.
Każdy doświadcza zjawiska dyfrakcji. Termin ten jest tłumaczony z łaciny jako „zepsuty”. Dyfrakcja w optyce to zaginanie fal świetlnych wokół krawędzi przeszkód. Na przykład, jeśli umieścisz piłkę na drodze wiązki światła, na ekranie za nią pojawią się naprzemienne pierścienie - jasne i ciemne. Nazywa się to wzorem dyfrakcyjnym. Jung i Fresnel badali to zjawisko.
Ostatnim kluczowym pojęciem w optyce falowej jest polaryzacja. Światło nazywamy spolaryzowanym, jeśli kierunek jego drgań fali jest uporządkowany. Ponieważ światło jest falą podłużną, a nie poprzeczną, drgania występują wyłącznie w kierunku poprzecznym.
Optyka kwantowa
Światło to nie tylko fala, ale także strumień cząstek. Na podstawie tego składnika powstała taka gałąź nauki, jak optyka kwantowa. Jego wygląd wiąże się z nazwiskiem Maxa Plancka.
Kwant to dowolna część czegoś. I w tym przypadku mówimy o kwantach promieniowania, czyli wyemitowanych w jego trakcie porcjach światła. Słowo fotony oznacza cząstki (od greckiego φωτός – „światło”). Koncepcję tę zaproponował Albert Einstein. W tej części optyki wzór Einsteina E=mc 2 jest również używany do badania właściwości światła.
Głównym celem tej sekcji jest badanie i charakterystyka oddziaływania światła z materią oraz badanie jego propagacji w nietypowych warunkach.
Właściwości światła jako strumienia cząstek pojawiają się w następujących warunkach:
- promieniowanie cieplne;
- efekt fotoelektryczny;
- procesy fotochemiczne;
- emisja wymuszona itp.
W optyce kwantowej istnieje pojęcie światła nieklasycznego. Faktem jest, że kwantowych charakterystyk promieniowania świetlnego nie da się opisać w ramach optyki klasycznej. Światło nieklasyczne, np. dwufotonowe, skompresowane, znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach: do kalibracji fotodetektorów, do precyzyjnych pomiarów itp. Innym zastosowaniem jest kryptografia kwantowa – tajna metoda przesyłania informacji za pomocą kodów binarnych, gdzie światło skierowane pionowo fotonowi przypisuje się 0, a skierowanemu poziomo - 1.
Znaczenie optyki i przyrządów optycznych
W jakich obszarach technologia optyczna znalazła swoje główne zastosowanie?
Po pierwsze, bez tej nauki nie byłoby znanych każdemu przyrządów optycznych: teleskopu, mikroskopu, aparatu fotograficznego, projektora i innych. Za pomocą specjalnie dobranych soczewek ludzie mogli badać mikrokosmos, wszechświat, ciała niebieskie, a także przechwytywać i transmitować informacje w postaci obrazów.
Ponadto dzięki optyce dokonano szeregu ważnych odkryć z zakresu natury światła, jego właściwości, odkryto zjawiska interferencji, polaryzacji i inne.
Wreszcie optyka znalazła szerokie zastosowanie w medycynie, np. w badaniu promieniowania rentgenowskiego, na podstawie czego stworzono urządzenie, które uratowało wiele istnień ludzkich. Dzięki tej nauce wynaleziono także laser, który jest szeroko stosowany w interwencjach chirurgicznych.
Optyka i widzenie
Oko jest układem optycznym. Dzięki właściwościom światła i możliwościom narządów wzroku możesz widzieć otaczający Cię świat. Niestety niewiele osób może pochwalić się doskonałym wzrokiem. Dzięki tej dyscyplinie możliwe stało się przywrócenie ludziom zdolności lepszego widzenia za pomocą okularów i soczewek kontaktowych. Dlatego instytucje medyczne zajmujące się doborem produktów do korekcji wzroku również otrzymały odpowiednią nazwę - optyka.
Możemy to podsumować. Optyka jest więc nauką o właściwościach światła, wpływającą na wiele dziedzin życia i mającą szerokie zastosowanie w nauce i życiu codziennym.
Światło- Są to fale elektromagnetyczne, których długości dla przeciętnego ludzkiego oka mieszczą się w przedziale od 400 do 760 nm. W tych granicach nazywa się światłem widoczny. Światło o najdłuższej długości fali wydaje nam się czerwone, a światło o najkrótszej długości fali wydaje się fioletowe. Łatwo jest zapamiętać zmianę kolorów w widmie, używając powiedzenia „ DO każdy O myśliwy I chce Z nie, G de Z wchodzi F adhan.” Pierwsze litery słów powiedzenia odpowiadają pierwszym literom podstawowych kolorów widma w malejącej kolejności długości fali (i odpowiednio rosnącej częstotliwości): „ DO czerwony - O zakres - Iżółty - Z zielony - G niebieski - Z niebieski - F fioletowy." Nazywa się światło o długości fali dłuższej niż czerwona podczerwień. Nasze oczy tego nie zauważają, ale nasza skóra rejestruje takie fale w postaci promieniowania cieplnego. Nazywa się światło o długości fali krótszej niż fiolet ultrafioletowy.
Fale elektromagnetyczne(i w szczególności, fale świetlne, lub po prostu światło) to pole elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni i czasie. Fale elektromagnetyczne są poprzeczne - wektory natężenia elektrycznego i indukcji magnetycznej są do siebie prostopadłe i leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali. Fale świetlne, jak każde inne fale elektromagnetyczne, rozchodzą się w materii ze skończoną prędkością, co można obliczyć ze wzoru:
Gdzie: ε I μ – przenikalność dielektryczna i magnetyczna substancji, ε 0 i μ 0 – stałe elektryczne i magnetyczne: ε 0 = 8,85419 10 –12 F/m, μ 0 = 1,25664·10 –6 H/m. Prędkość światła w próżni(Gdzie ε = μ = 1) jest stała i równa Z= 3∙10 8 m/s, można to również obliczyć ze wzoru:
Prędkość światła w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Jeżeli światło rozchodzi się w jakimkolwiek ośrodku, to prędkość jego propagacji wyraża się także zależnością:
Gdzie: N– współczynnik załamania substancji jest wielkością fizyczną, która pokazuje, ile razy prędkość światła w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. Współczynnik załamania światła, jak widać z poprzednich wzorów, można obliczyć w następujący sposób:
- Światło niesie energię. Kiedy fale świetlne się rozchodzą, powstaje przepływ energii elektromagnetycznej.
- Fale świetlne są emitowane jako pojedyncze kwanty promieniowania elektromagnetycznego (fotony) przez atomy lub cząsteczki.
Oprócz światła istnieją inne rodzaje fal elektromagnetycznych. Poniżej są one wymienione w kolejności malejącej długości fali (i odpowiednio rosnącej częstotliwości):
- Fale radiowe;
- Promieniowanie podczerwone;
- Widzialne światło;
- Promieniowanie ultrafioletowe;
- promieniowanie rentgenowskie;
- Promieniowanie gamma.
Ingerencja
Ingerencja– jeden z najjaśniejszych przejawów falowej natury światła. Związane jest to z redystrybucją energii świetlnej w przestrzeni przy zastosowaniu tzw zgodny fale, to znaczy fale o tej samej częstotliwości i stałej różnicy faz. Natężenie światła w obszarze nakładania się wiązek ma charakter naprzemiennych pasów jasnych i ciemnych, przy czym natężenie w maksimach jest większe, a w minimalnych mniejsze od sumy natężeń wiązek. W przypadku światła białego prążki interferencyjne pojawiają się w różnych kolorach widma.
Aby obliczyć interferencję, stosuje się koncepcję długość ścieżki optycznej. Pozwól światłu pokonać odległość L w ośrodku o współczynniku załamania światła N. Następnie długość jego ścieżki optycznej oblicza się ze wzoru:
Aby wystąpiła interferencja, co najmniej dwie wiązki muszą na siebie zachodzić. Dla nich to się kalkuluje różnica ścieżki optycznej(różnica długości optycznej) według następującego wzoru:
To właśnie ta wartość określa, co dzieje się podczas interferencji: minimalna lub maksymalna. Pamiętaj o następujących kwestiach: maksimum zakłóceń(pas świetlny) obserwuje się w tych punktach przestrzeni, w których spełniony jest warunek:
Na M= 0, obserwuje się maksimum rzędu zerowego, przy M= ±1 maksimum pierwszego rzędu i tak dalej. Minimalne zakłócenia(ciemny pas) obserwuje się, gdy spełniony jest następujący warunek:
Różnica faz oscylacji wynosi:
Dla pierwszej liczby nieparzystej (jeden) będzie minimum pierwszego rzędu, dla drugiej (trzech) minimum drugiego rzędu itd. Nie ma minimalnego rzędu zerowego.
Dyfrakcja. Siatka dyfrakcyjna
Dyfrakcjaświatło to zjawisko odchylenia światła od prostoliniowego kierunku propagacji podczas przechodzenia w pobliżu przeszkód, których wymiary są porównywalne z długością fali światła (zaginanie się światła wokół przeszkód). Doświadczenie pokazuje, że światło może w pewnych warunkach przedostać się w obszar cienia geometrycznego (czyli znaleźć się tam, gdzie nie powinno). Jeżeli na drodze równoległej wiązki światła znajduje się okrągła przeszkoda (okrągły dysk, kula lub okrągły otwór w nieprzezroczystym ekranie), to na ekranie znajdującym się w odpowiednio dużej odległości od przeszkody, wzór dyfrakcyjny– system naprzemiennych jasnych i ciemnych pierścieni. Jeżeli przeszkoda ma charakter liniowy (szczelina, nić, krawędź ekranu), to na ekranie pojawia się układ równoległych prążków dyfrakcyjnych.
Siatki dyfrakcyjne to struktury okresowe grawerowane za pomocą specjalnej maszyny dzielącej na powierzchni szklanej lub metalowej płyty. W dobrych siatkach linie równoległe do siebie mają długość około 10 cm, a na milimetr przypada do 2000 linii. W tym przypadku całkowita długość kraty sięga 10–15 cm, a produkcja takich krat wymaga zastosowania najwyższych technologii. W praktyce stosuje się również grubsze siatki z 50–100 liniami na milimetr nakładanymi na powierzchnię przezroczystej folii.
Kiedy światło normalnie pada na siatkę dyfrakcyjną, maksima obserwuje się w niektórych kierunkach (oprócz tego, w którym światło padało początkowo). Aby być obserwowanym maksimum zakłóceń, musi być spełniony następujący warunek:
Gdzie: D– okres (lub stała) siatki (odległość pomiędzy sąsiednimi liniami), M jest liczbą całkowitą zwaną rządem maksimum dyfrakcyjnego. W tych punktach ekranu, dla których ten warunek jest spełniony, znajdują się tzw. główne maksima obrazu dyfrakcyjnego.
Prawa optyki geometrycznej
Optyka geometryczna to dziedzina fizyki, która nie uwzględnia falowych właściwości światła. Podstawowe prawa optyki geometrycznej były znane na długo przed ustaleniem fizycznej natury światła.
Ośrodek optycznie jednorodny- jest to ośrodek, w całej objętości którego współczynnik załamania światła pozostaje niezmieniony.
Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła: W optycznie jednorodnym ośrodku światło rozchodzi się prostoliniowo. Prawo to prowadzi do idei promienia świetlnego jako linii geometrycznej, wzdłuż której rozchodzi się światło. Należy zauważyć, że zostaje naruszone prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła, a koncepcja wiązki światła traci swoje znaczenie, jeśli światło przechodzi przez małe otwory, których wymiary są porównywalne z długością fali (w tym przypadku obserwuje się dyfrakcję).
Na styku dwóch przezroczystych ośrodków światło może zostać częściowo odbite, tak że część energii świetlnej po odbiciu będzie rozchodzić się w nowym kierunku, a częściowo przejdzie przez granicę i rozproszy się w drugim ośrodku.
Prawo odbicia światła: promienie padający i odbity, a także prostopadła do granicy dwóch ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie (płaszczyźnie padania). Kąt odbicia γ równy kątowi padania α . Należy pamiętać, że wszystkie kąty w optyce są mierzone od prostopadłej do granicy między dwoma ośrodkami.
Prawo załamania światła (prawo Snella): promienie padające i załamane, a także prostopadła do granicy obu ośrodków, zrekonstruowana w punkcie padania promienia, leżą w tej samej płaszczyźnie. Sinusoidalny współczynnik kąta padania α do sinusa kąta załamania β jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków i jest określona przez wyrażenie:
Prawo załamania zostało eksperymentalnie ustalone przez holenderskiego naukowca W. Snelliusa w 1621 roku. Stała wartość N 21 jest wezwanych względny współczynnik załamania światła drugie środowisko w stosunku do pierwszego. Nazywa się współczynnikiem załamania ośrodka względem próżni bezwzględny współczynnik załamania światła.
Ośrodek o większej wartości bezwzględnej nazywany jest gęstszym optycznie, a ośrodek o mniejszej wartości bezwzględnej nazywany jest mniej gęstym. Przechodząc z ośrodka mniej gęstego do gęstszego, wiązka „dociska” do prostopadłej, a przechodząc z ośrodka gęstszego do mniej gęstego, „odsuwa się” od prostopadłej. Jedynym przypadkiem, w którym promień nie ulega załamaniu, jest sytuacja, gdy kąt padania wynosi 0 (to znaczy, że promienie są prostopadłe do granicy faz).
Kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do optycznie słabszego N 2 < N 1 (na przykład ze szkła do powietrza) można zaobserwować zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, czyli zanik załamanego promienia. Zjawisko to obserwuje się przy kątach padania przekraczających pewien kąt krytyczny α pr, czyli tzw ograniczający kąt całkowitego wewnętrznego odbicia. Dla kąta padania α = α pr, grzech β = 1, ponieważ β = 90°, oznacza to, że promień załamany przechodzi wzdłuż samej granicy faz i zgodnie z prawem Snella spełniony jest warunek:
Gdy tylko kąt padania stanie się większy niż ograniczający, załamany promień nie przebiega już po prostu wzdłuż granicy, ale w ogóle się nie pojawia, ponieważ jego sinus musi teraz być większy niż jeden, ale tak się nie stanie.
Soczewki
Obiektyw jest przezroczystym ciałem ograniczonym dwiema kulistymi powierzchniami. Jeżeli grubość samej soczewki jest mała w porównaniu z promieniem krzywizny powierzchni kulistych, wówczas soczewkę nazywa się cienki.
Są soczewki zbieranie I rozpraszanie. Jeżeli współczynnik załamania soczewki jest większy niż otaczający ośrodek, wówczas soczewka skupiająca w środku jest grubsza niż na krawędziach, a soczewka rozpraszająca, przeciwnie, jest cieńsza w części środkowej. Jeśli współczynnik załamania soczewki jest mniejszy niż otaczający ośrodek, sytuacja jest odwrotna.
Nazywa się prostą przechodzącą przez środki krzywizny powierzchni kulistych główna oś optyczna soczewki. W przypadku cienkich soczewek możemy w przybliżeniu założyć, że główna oś optyczna przecina się z soczewką w jednym punkcie, co zwykle nazywa się środek optyczny soczewki. Wiązka światła przechodzi przez środek optyczny soczewki, nie odchylając się od pierwotnego kierunku. Nazywa się wszystkie linie proste przechodzące przez środek optyczny wtórne osie optyczne.
Jeżeli wiązka promieni równoległa do głównej osi optycznej zostanie skierowana na soczewkę, to po przejściu przez soczewkę promienie (lub ich kontynuacja) zbiegną się w jednym punkcie F, który jest nazywany główne skupienie obiektywu. Cienka soczewka ma dwa główne ogniska, rozmieszczone symetrycznie względem soczewki na głównej osi optycznej. Soczewki skupiające mają ogniska rzeczywiste, natomiast soczewki rozbieżne mają ogniska urojone. Odległość pomiędzy optycznym środkiem soczewki O i główny nacisk F zwany długość ogniskowa. Jest to oznaczone tą samą literą F.
Formuła soczewki
Główną właściwością soczewek jest zdolność do tworzenia obrazów obiektów. Obraz- jest to punkt w przestrzeni, w którym przecinają się promienie (lub ich przedłużenia) emitowane przez źródło po załamaniu w soczewce. Pojawiają się obrazy prosty I do góry nogami, ważny(same promienie przecinają się) i wyimaginowany(kontynuacje promieni przecinają się), powiększony I zredukowany.
Położenie obrazu i jego charakter można określić za pomocą konstrukcji geometrycznych. Aby to zrobić, wykorzystaj właściwości niektórych standardowych promieni, których przebieg jest znany. Są to promienie przechodzące przez środek optyczny lub jedno z ognisk soczewki, a także promienie równoległe do głównej lub jednej z drugorzędnych osi optycznych.
Dla uproszczenia możesz pamiętać, że obraz punktu będzie punktem. Obraz punktu leżącego na głównej osi optycznej leży na głównej osi optycznej. Obraz segmentu jest segmentem. Jeżeli odcinek jest prostopadły do głównej osi optycznej, to jego obraz jest prostopadły do głównej osi optycznej. Jeśli jednak segment jest nachylony do głównej osi optycznej pod pewnym kątem, to jego obraz będzie nachylony pod innym kątem.
Obrazy można również obliczyć za pomocą formuły cienkich soczewek. Jeśli najkrótsza odległość obiektu od soczewki jest oznaczona przez D, a najkrótsza odległość od soczewki do obrazu to przez F, wówczas wzór na cienką soczewkę można zapisać jako:
Rozmiar D, odwrotność ogniskowej. zwany moc optyczna obiektywu. Jednostką mocy optycznej jest 1 dioptria (doptria). Dioptria to moc optyczna soczewki o ogniskowej 1 m.
Zwyczajowo przypisuje się określone znaki ogniskowym soczewek: dla soczewki skupiającej F> 0, dla rozpraszania F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.
Wielkie ilości D I F przestrzegaj także pewnej zasady znaku: F> 0 – za prawidłowe obrazy; F < 0 – для мнимых изображений. Перед D Znak „–” umieszcza się tylko wtedy, gdy na soczewkę pada zbiegająca się wiązka promieni. Następnie są mentalnie rozciągani do przecięcia za soczewką, umieszcza się tam wyimaginowane źródło światła i określa się dla niego odległość D.
W zależności od położenia obiektu względem soczewki zmieniają się wymiary liniowe obrazu. Wzrost liniowy soczewki Γ nazywany stosunkiem wymiarów liniowych obrazu i przedmiotu. Istnieje wzór na liniowe powiększenie soczewki:
W wielu instrumentach optycznych światło przechodzi kolejno przez dwie lub więcej soczewek. Obraz przedmiotu dany przez pierwszą soczewkę służy jako obiekt (rzeczywisty lub wyimaginowany) dla drugiej soczewki, która konstruuje drugi obraz przedmiotu i tak dalej.
Pomyślne, sumienne i odpowiedzialne wdrożenie tych trzech punktów, a także odpowiedzialne przestudiowanie końcowych testów szkoleniowych, pozwoli Ci wykazać się na CT doskonałym wynikiem, maksymalnie do czego jesteś zdolny.
Znalazłeś błąd?
Jeśli uważasz, że znalazłeś błąd w materiały edukacyjne, to napisz proszę o tym dalej e-mail(). W piśmie podaj temat (fizyka lub matematyka), nazwę lub numer tematu lub testu, numer zadania lub miejsce w tekście (stronie), w którym Twoim zdaniem znajduje się błąd. Opisz również, na czym polega podejrzewany błąd. Twój list nie pozostanie niezauważony, błąd zostanie poprawiony lub zostaniesz wyjaśniony, dlaczego nie jest to błąd.
