Работа 21

Определение остроты зрения и размеров фоторецептора глаза человека

Цель работы: определение диаметра колбочек, нахождение остроты зрения и оптической силы глаза

Теория

Глаз человека – это оптическая система. С точки зрения геометрической оптики глаз – устройство, позволяющее сформировать на сетчатке качественное изображение предмета независимо от его расстояния до поверхности глаза. Для понимания, каким образом реализуется эта функция глаза, необходимо вспомнить начала геометрической оптики. Геометрическая оптика – раздел, в котором изучают законы распространения света на основании представления о световом луче как линии, вдоль которого распространяется энергия световой волны.

Геометрическая оптика

В однородной прозрачной среде свет распространяется вдоль прямых линий, которые называют лучами. Построение изображений в геометрической оптике производится с помощью лучей, направление прохождения которых через линзу заранее известно. Тонкая линза – линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей, ограничивающих линзу, и способная формировать оптическое изображение предмета.

Построение изображения предмета в линзах осуществляется с помощью следующих лучей:

1. луч, проходящий через оптический центр линзы и не изменяющий своего направления;

2. луч, распространяющийся параллельно главной оптической оси, который после преломления проходит через главные фокусы линзы;

3. луч, проходящий через главный фокус линзы, после преломления распространяется параллельно главной оптической оси;

4. луч, параллельный побочной оптической оси, после преломления пересекается с ней в точке, лежащей на фокальной плоскости.

Для примера приведены графические построения изображений в собирающей (рис. 17.1, а) и рассеивающей (17.2, б) линзах.

Аберрации (погрешности) оптических систем

Аберрации (лат. отклонение) – общее название погрешностей реальных оптических систем, существенно снижающих качество оптических изображений. Основными аберрациями оптических систем являются: а) сферическая аберрация, б) дисторсия, в) хроматическая аберрация, г) астигматизм. Рассмотрим некоторые аберрации линзы.

Сферическая аберрация связана с тем, что периферические части линзы преломляют падающие лучи сильнее (лучи I), чем центральные (лучи II), поэтому фокусы F₁ и F₂ для периферических и центральных лучей не совпадают (рис. 17.2). В результате изображение светящейся точки на экране будет в виде расплывчатого пятна. Для устранения сферической аберрации применяют систему из вогнутой и выпуклой линз.

Дисторсия наблюдается в связи с тем, что при значительных углах падения лучей на линзу линейное увеличение для точек предмета, находящихся на разных расстояниях от главной оптической оси, несколько различаются. В результате нарушается геометрическое подобие между предметом (например, сетка с квадратными ячейками) и его изображением (рис. 17, 3, а – сетка, б – подушкообразная дисторсия, в – бочкообразная). Рассматриваемый вид аберрации устраняется путем подбора нескольких линз с противоположным характером дисторсии.

При падении на линзу белого света параллельно ее главной оптической оси его изображение фокусируется в различных точках от линзы, разлагаясь в спектр (рис. 17.4). Поэтому изображение света размыто и по краям окрашено, при этом фиолетовые лучи располагаются ближе к линзе, чем красные. Это явление называется хроматической аберрацией. Описанное явление объясняется зависимостью показателя преломления n вещества от длины волны λ падающего света. Комбинируя собирающие и рассеивающие линзы из различных стекол с разной дисперсией, можно совместить фокусы двух (ахроматы) и трех (апохроматы) различных цветов, устранив тем самым хроматическую аберрацию.

Недостаток оптической системы, при которой сферическая световая волна, проходя оптическую систему, перестает быть сферической называется астигматизмом. Различают два вида астигматизма. Астигматизм косых лучей наблюдается, если на оптическую систему падают лучи, составляющие значительные углы с оптической осью. В случае астигматизма косых лучей изображение точки, удаленной от главной оптической оси, наблюдается на экране в виде расплывчатого пятна, которая в зависимости от расстояния экрана до оптического центра линзы вырождается либо в вертикальную, либо в горизонтальную прямую (рис. 17, 5). Для исправления подобного вида аберрации создают сложные оптические системы, состоящие из нескольких линз, тем самым удается образовать качественные изображения при углах падения лучей 50 – 70°.

Другой вид астигматизма линз обусловлен ассиметрией оптической систем, например, цилиндрических линз. Последняя трансформирует изображение круглого светового пучка в виде полоски на всю длину линзы. При этом контуры и линии изображения предмета на экране, ориентированные в разных направлениях, имеют разную резкость. Оптические системы, исправленные на сферическую и хроматическую аберрации и астигматизм, называют анастигматами.