random books / Ландсберг- Элементарный учебник физики Т. 3.Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика(2009)

Рис. 245. Объективы фотоаппарата (схемы и внешний вид)

торой можно изменять и таким образом менять относительное отверстие. Приведенные выше цифры характеризуют м а к с и- м а л ь н о е значение относительного отверстия данного объектива.

Необходимо отметить, что реальная светосила объективов значительно меньше той, которая получается из чисто геометрических построений. Дело в том, что не весь световой поток, падающий на систему, проходит через нее; часть света отражается, часть поглощается в системе. Доля поглощенного света обычно невелика, но отражения на поверхностях линз играют большую роль. Как мы знаем (см. § 81), при нормальном падении от границы стекло–воздух или воздух–стекло отражается около 4–5 % падающего света; при наклонном падении доля отраженного света несколько возрастает. Таким образом, в объективе, имеющем три–четыре линзы, т. е. шесть–восемь отражающих поверхностей, потери света достигают 30–40 %.

Отражение света от поверхностей линз не только уменьшает светосилу прибора, но и приводит еще к одному неприятному явлению: отраженный свет создает световой фон, из-за которого скрадывается различие между темными и светлыми местами, т. е. понижается контрастность изображения.

Для уменьшения потерь на отражение разработан прием, называемый просветлением оптики. Этот прием состоит в том, что на поверхность линзы наносится тонкая прозрачная пленка из подходя-

щего материала. Благодаря явлению интерференции (см. гл. XIII) доля отраженного света при правильном подборе пленки (ее толщины и показателя преломления) может быть сильно уменьшена. Обычно толщина слоя выбирается из расчета минимального отражения зеленого света. Тогда для более коротких и более длинных волн отражение больше, чем для зеленого света. Если на такую поверхность падает белый свет, то отраженный свет имеет сине-красный оттенок. Оптические системы с подобными поверхностями получили название «голубой оптики». Такая просветленная оптика имеет значительно большую реальную светосилу и дает более контрастное изображение, чем такая же оптика без просветления.

§ 112. Глаз как оптическая система. Глаз человека имеет приблизительно шарообразную форму; диаметр его (в среднем)

и таким образом менять диаметр зрачка. Изменение это происходит рефлекторно (без участия сознания) в зависимости от количества света, попадающего в глаз; при ярком освещении диаметр зрачка равен 2 мм, при слабом освещении доходит до 8 мм.

На внутренней поверхности сосудистой оболочки расположена сетчатая оболочка, или сетчатка 6. Она покрывает все дно глаза, кроме его передней части. Сзади через оболочку

294 Гл. XII. Оптические приборы

входит зрительный нерв 7, соединяющий глаз с мозгом. Сетчатка состоит в основном из разветвлений волокон зрительного нерва и их окончаний и образует с в е т о ч у в с т в и т е л ь н у ю п о в е р х н о с т ь г л а з а.

Промежуток между роговой и радужной оболочками назы-

хрусталик 5, представляющий собой прозрачное упругое тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Кривизна поверхностей хрусталика может меняться в результате действия облегающей его со всех сторон мышцы. Посредством изменения кривизны поверхностей хрусталика достигается приведение изображения предметов, лежащих на различных расстояниях, точно на поверхность чувствительного слоя сетчатки; этот процесс называется аккомодацией. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрачной студенистой жидкостью, образующей стекловидное тело 8.

По своему устройству глаз как оптическая система сходен с фотоаппаратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и стекловидного тела. Изображение получается на светочувствительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изображения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль изменяющейся по диаметру диафрагмы.

Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, находящихся на различных расстояниях. Нормальный глаз в спокойном состоянии, т. е. без какого-либо усилия аккомодации, дает на сетчатке отчетливое изображение удаленных предметов (например, звезд). С помощью мышечного усилия, увеличивающего кривизну хрусталика и, следовательно, уменьшающего его фокусное расстояние, глаз осуществляет наводку на нужное расстояние. Н а и м е н ь ш е е р а с с т о я н и е, на котором нормальный глаз может отчетливо видеть предметы, меняется в зависимости от возраста от 10 см (возраст до 20 лет) до 22 см (возраст около 40 лет). В более пожилом возрасте способность глаза к аккомодации еще уменьшается: наименьшее расстояние доходит до 30 см и более — возрастная дальнозоркость.

Далеко не у всех людей глаз является н о р м а л ь н ы м. Нередко задний фокус глаза в спокойном состоянии находится не на самой сетчатке (как у нормального глаза), а с той или другой стороны от нее. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза п е р е д с е т ч а т к о й (рис. 247, а), то глаз

называется близоруким. Такой глаз не может отчетливо видеть отдаленные предметы, так как напряжение мышц при аккомодации еще сильнее отдаляет фокус от сетчатки. Для исправления близорукости глаза должны быть снабжены очками с рассеивающими линзами (рис. 247, б).

Рис. 247. Близорукость глаза (а) исправляется с помощью рассеивающей линзы (б); дальнозоркость (в) — с помощью собирающей линзы (г)

В дальнозорком глазе фокус при спокойном состоянии глаза находится з а с е т ч а т к о й (рис. 247, в). Дальнозоркий глаз преломляет слабее нормального. Для того чтобы видеть даже весьма удаленные предметы, дальнозоркий глаз должен делать усилие; для видения´ близко лежащих предметов аккомодационная способность глаза уже недостаточна. Поэтому для исправления дальнозоркости употребляются очки с собирающими линзами (рис. 247, г), приводящие фокус глаза в спокойном состоянии на сетчатку.

§ 113. Оптические приборы, вооружающие глаз. Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу, в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления, т. е. точку, играющую роль о п т и ч е с к о г о ц е н- т р а (см. § 88 гл. X). Оптический центр глаза находится внутри хрусталика вблизи задней поверхности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм.

Зная положение оптического центра, можно легко построить изображение какого-либо предмета на сетчатой оболочке глаза. Изображение всегда д е й с т в и т е л ь н о е , у м е н ь ш е н н о е и о б р а т н о е (рис. 248, а). Угол ϕ, под которым виден пред-

зрения.

Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из о т- д е л ь н ы х светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их

Рис. 248. а) Угол зрения ϕ = S1S2/h = S1S2/D; б) при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке; N = b /b = ϕ /ϕ

изображения на сетчатке попадают на один и тот же элемент, воспринимаются глазом как одна точка. Минимальный угол зрения, под которым две светящиеся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом еще раздельно, составляет приблизительно одну минуту. Глаз плохо распознает детали предмета, которые он видит под углом менее 1 . Это — угол, под которым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 м от глаза. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол разрешения повышается и может дойти до 1◦.

Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различить мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить предмет мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения. Для близорукого глаза это расстояние несколько меньше. Поэтому близорукие люди, помещая рассматриваемый предмет ближе к глазу, чем люди с нормальным зрением или дальнозоркие, видят его под б´ольшим углом зрения и могут лучше различить мелкие детали.

Значительное у в е л и ч е н и е у г л а з р е н и я достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие две большие группы.

следовательно,

ϕ = al .

Отсюда для увеличения лупы находим

N= ϕ = D .

ϕa

Так как п р е д м е т н а х о д и т с я в о з л е ф о к у с а, то a ≈ f . Таким образом, полагая расстояние наилучшего видения´ D = 250 мм, для увеличения лупы получаем приближенно следующую формулу:

где f должно быть выражено в миллиметрах; например, при f = 50 мм лупа имеет пятикратное увеличение.

Предмет может лежать в с а м о й ф о к а л ь н о й п л о с к о- с т и лупы. В таком случае от каждой точки предмета из лупы исходит п а р а л л е л ь н ы й п у ч о к лучей, который сводится глазом в точку: на сетчатке глаза получается резкое изображение предмета. Отметим, что этот случай особо благоприятен д л я н а б л ю д е н и я: нормальный глаз сводит в точку параллельный пучок, находясь в состоянии покоя; таким образом, усилия аккомодации не требуется, и в этих условиях наблюдения глаз менее утомляется. Именно при таком способе наблюдения увеличение лупы имеет точно значение, даваемое формулой (114.1).

Лупы различного вида широко применяются при мелкой и точной работе, при измерениях и т. п.

Казалось бы, что с помощью лупы можно получать очень большие увеличения, — надо только уменьшать ее фокусное расстояние. Например, при фокусном расстоянии 0,25 мм увеличение лупы равно 1000. Однако пользование лупами с очень малым фокусным расстоянием, а следовательно, и с малым диаметром, практически невозможно. Поэтому лупы с увеличением более 40 не применяются.

§ 115. Микроскоп. Для получения б´ольших увеличений применяется микроскоп. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей более или менее сложной конструкции: объектива (обращенного к объекту) и окуляра (обращенного к глазу). Ход лучей в микроскопе показан на рис. 251, причем объектив и окуляр заменены на рисунке простыми линзами.