1.3.2 Недостатки (аберрации) линз.

Хорошее качество изображения дают линзы лишь для параксиальных пучков монохроматического света. На практике в оптических приборах для получения протяженных ярких изображений требуется использовать широкие световые пучки. При этом проявляются аберрации линз, приводящие к искажению изображения. Кратко рассмотрим основные недостатки линз.

1. Сферическая аберрация. Она обусловлена тем, что лучи, падающие на края линзы преломляются сильнее, чем параксиальные лучи (рис.1.9). Поэтому, различно удаленные от оси лучи собираются в различных фокусах (например, f₁ и f₂) и изображение светящейся точки на экране выглядит как расплывчатое пятно. Сферическую аберрацию устраняют с помощью рассеивающих линз, т.к. их аберрации имеют противоположный характер. Иногда с этой же целью используют диафрагмирование линзы, т. е. ограничение ширины светового пучка. Диафрагмой может служить отверстие в непрозрачном экране, поставленном перед линзой, или сама оправа линзы.

Рис.1.9 Рис.1.10

2. Хроматическая аберрация . Этот вид аберрации наблюдается в связи с тем, что вследствие дисперсии света лучи с различной длиной волны, например красные и фиолетовые, преломляются в линзе неодинаково и фокусы для них (f_к и f_ф) не совпадают (рис.1.10) В результате этого контур в изображении предмета будет спектрально окрашенным. Для исправления хроматической аберрации подбирают систему линз из специальных сортов стекла, с соответственно подобранной дисперсией. Подобная система (в которой скомпенсирована также и сферическая аберрация) называется ахроматом.

3. Астигматизм. Этот вид аберрации возникает по двум причинам:

1) в результате падения лучей под значительным углом (косое падение лучей) на линзу правильной сферической формы. В этом случае происходит неодинаковое преломление лучей, проходящих через линзу в различных меридианных плоскостях;

2) при прямом падении лучей на линзу при условии, что она имеет отклонение от правильной сферической формы. Этот вид астигматизма встречается как один из недостатков оптической системы глаза.

В результате астигматизма изображение получается либо с разной четкостью взаимно перпендикулярных отрезков, либо с искажением геометрической формы. Для исправления астигматизма применяются оптические системы, состоящие из нескольких линз, астигматизм которых взаимно компенсируется. При этом используются линзы, ограниченные цилиндрическими поверхностями.

1.4 Глаз.

1.4.1 Оптическая система глаза.

Глаз (глазное яблоко) имеет приблизительно шаровидную форму. Размер глаза в продольном (осевом) направлении 24 –25 мм. Наружная оболочка глаза называется склерой - Б (рис.1.11).

Рис.1.11

Склера представляет плотную белочную оболочку; она защищает глаз, сохраняя его жесткость. На передней поверхности склера переходит в твердую прозрачную роговую оболочку, несколько более выпуклую – роговицу Р. Передняя поверхность склеры, за исключением роговицы, покрыта тонкой слизистой оболочкой – конъюктивой К. Под склерой находится сосудистая оболочка С; в передней части глазного яблока она отделяется от склеры, пигментирована и образует радужную оболочку В с отверстием – зрачком. Радужная оболочка является мышечным кольцом, которое сжимается и растягивается, изменяя размеры зрачка и величину светового потока, попадающего в глаз.

Пространство между радужной и роговой оболочками глаза называется передней камерой П и заполнено прозрачной жидкостью. Непосредственно позади зрачка к склере на круговой связке повешен хрусталик Л – прозрачное, эластичное, линзоподобное тело. Особая ресничная мышца, натягиваясь или расслабляясь, изменяет радиус кривизны поверхности хрусталика, его оптическую силу и фокусное расстояние. За хрусталиком полость глазного яблока заполнена прозрачной студенистой массой, которая называется стекловидным телом СТ. Роговица, влага передней камеры, хрусталик и стекловидное тело составляют светопреломляющий аппарат глаза. Наибольшую оптическую силу, а соответственно наибольшую преломляющую способность, имеет роговица – 43 дптр, хрусталик – 18 ÷ 20 дптр, влага передней камеры и стекловидное тело – 3 ÷ 5 дптр. Общая оптическая сила глазного яблока (в покое аккомодации) - 63 ÷ 65 дптр. К сосудистой оболочке в задней части, называемой дном глаза, прилегает сетчатая оболочка Н (сетчатка или ретина), которая представляет световоспринимающий аппарат глаза. Сетчатка состоит из особых светочувствительных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Колбочки сосредоточены в центре сетчатки – это желтое пятно Ж (или центральная ямка). Колбочки обеспечивают глазу восприятие цвета. На периферии находятся палочки; они обеспечивают восприятие глазом света. Зрение, осуществляемое палочками, обнаруживает размеры и форму предмета. Нервные клетки сетчатки, объединяясь, образуют зрительный нерв З, выходящий из глаза в месте, где нет светочувствительных клеток (слепое пятно). Под действием света, в высокочувствительных клетках, происходят сложные физико-химические процессы. В результате, в клетках генерируется нервный импульс, который через зрительный нерв передается в мозг. При этом на сетчатке глаза всегда образуется действительное, перевернутое и уменьшенное изображение предмета. Ось ОО, проходящая через геометрические центры роговицы, зрачка и хрусталика, называется главной оптической осью глаза. Ось О'О', проходящая через центры хрусталика и желтого пятна Ж, называется зрительной осью глаза. Зрительная ось определяет направление, по которому глаз имеет наивысшую чувствительность (наибольшую остроту зрения). Вся полость глазного яблока между перечисленными образованиями заполнена прозрачной жидкостью под давлением примерно на 18-26 мм. рт. ст. выше атмосферного. Это давление называется внутриглазным давлением и способствует сохранению шаровидной формы глаза.

Аккомодация глаза – способность глаза приспосабливаться к отчетливому видению предметов, удаленных на различные расстояния от глаза. Аккомодация происходит за счет сокращения (при этом увеличивается оптическая сила глаза до 70÷74 дптр) и растяжения ресничной мышцы. Расстояние наилучшего зрения S – это расстояние от предмета до глаза, при котором на сетчатке получается резкое изображение. Для нормального глаза, с хорошей аккомодацией S ≈ 25см. С возрастом способность глаза к аккомодации уменьшается.

Угол зрения β – это угол, образованный лучами, проведенными от крайних точек предмета через оптический центр глаза (рис.1.12).

Рис.1.12

Его вводят в связи с тем, что размер изображения на сетчатке зависит не только от размеров предмета, но и от удаления его от глаза, т.е. от угла, под которым виден предмет. Величина изображения предмета на сетчатке прямо пропорциональна углу зрения:

Разрешающая способность глаза (острота зрения) – способность глаза видеть раздельно две близкорасположенные точки. Наименьший угол зрения, при котором глаз человека видит раздельно близкорасположенные точки составляет 1'; это соответствует наименьшему расстоянию между этими точками 70 мкм. За норму остроты зрения принимается 1, в этом случае наименьший угол зрения равен 1'.