Оптические приборы.
Человеческий глаз по своему устройству является аналогом фотоаппарата. Роль объектива играет совокупность преломляющих сред, состоящая из водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела.
Наводка на различно удаленные предметы (аккомодация) достигается путем мышечного усилия, изменяющего радиус кривизны (фокусное расстояние) хрусталика. Пределы расстояний, в которых возможна аккомодация, носят название дальней и ближней точек аккомодации. Для нормального глаза дальняя точка, фиксируемая без усилия, лежит в бесконечности, а ближняя – на расстоянии 25 см от глаза (расстояние наилучшего зрения).
Строго говоря, это не очень совершенная система. В ней ясно выражены и сферическая аберрация, и астигматизм, и значительная хроматическая аберрация. Однако эти недостатки очень мало чувствуются благодаря ряду особенностей глаза.
Сферическая аберрация мало заметна, так как освещенность в пятне рассеивания очень неравномерна и самая светлая, и самая важная для зрительного ощущения часть пятна очень мала.
Астигматизм наклонных пучков почти незаметен, так как мы бессознательно изображение каждой точки переводит на ось глаза, проходящую через самую выгодную часть сетчатки. Недостаток поля зрения компенсируется превосходной подвижностью глаза.
Хроматическая аберрация практически незаметна, так как глаз очень чувствителен лишь к сравнительно узкой части спектра.
Человеческий глаз способен раздельно
воспринимать две точки только в том
случае, если угол, образованный прямыми,
проходящими через эти точки и оптический
центр глаза (угол зрения) больше
одной минуты. С уменьшением расстояния
от предмета до глаза угол зрения
увеличивается. Однако существует
минимальное расстояние, на котором глаз
способен отчетливо видеть предмет –
ближний предел аккомодации
.
Для среднего здорового глаза
.
Таким образом, угол зрения человеческого
глаза ограничен.
Вследствие характера структуры сетчатки,
состоящей из отдельных элементов, глаз
воспринимает как одну точку, две точки
объекта, если они настолько близки, что
обе изображаются на одном элементе
сетчатки (колбочке). Таким образом,
участок предмета, изображение которого
лежит на одном элементе сетчатки,
воспринимается как точка и никакое
распознавание деталей в пределах этого
участка невозможно. Величина этого
участка определяется углом зрения. Для
нормального глаза этот угол зрения
составляет
.
При рассматривании мелких предметов следует искусственно увеличивать угол зрения, что достигается применением оптических приборов – лупы и микроскопа.
С
обирающая
линза с фокусным расстоянием меньше 10
см получила название лупы.
При работе лупа помещается вплотную к глазу, а предмет в ее фокусе или на расстоянии немного меньше фокусного. При этом мнимое увеличенное изображение предмета получается или в бесконечности (рис. 13.а), или на расстоянии наилучшего зрения (рис. 13 б). При обоих способах применения лупы увеличение, ею даваемое, практически одно и то же и равно
,
1.17
где - расстояние наилучшего зрения, F – фокусное расстояние лупы. Как следует из формулы 1.17, увеличение лупы зависит от фокусного расстояния линзы, но оно в свою очередь зависит от радиусов кривизны поверхности. Поэтому линза с малым фокусным расстоянием имеет небольшие размеры и пользоваться такой лупой неудобно. Обычно применяемые лупы дают увеличение от 2,5 до 25.
Для получения больших увеличений применяют микроскоп, представляющий собой комбинацию двух оптических систем – объектива и окуляра, - разделенных значительным расстоянием. Ход лучей в микроскопе показан на рисунке 14.
Предмет АВ помещается между фокусом и
двойным фокусом объектива, который
дает действительное увеличенное
изображение предмета
.
Это изображение, в свою очередь, является
предметом по отношению к окуляру, который
располагается так, что изображение
предмета
оказывается между фокусом и линзой. При
этом мнимое изображение предмета,
даваемое окуляром
,
получается на расстоянии наилучшего
зрения от глаза наблюдателя.
Линейное
увеличение микроскопа равно произведению
увеличений окуляра и объектива
.
Обычно увеличение микроскопа связывают
с фокусными расстояниями окуляра и
объектива, расстоянием наилучшего
зрения и длиной тубуса L,
приблизительно равной расстоянию между
задним фокусом объектива и передним
фокусом окуляра. Для простоты рассуждений
можно считать, что
и значит
,
.
Тогда
.
1.18
Увеличение микроскопа не может быть сколь угодно большим, и его значение не превышает 2000. Это связано с ограниченной разрешающей способностью микроскопа, обусловленной дифракционными явлениями, так как изображение предмета есть результат дифракции и интерференции света, рассеянного предметом.
Это интересно. Из полученного выражения следует, что увеличение микроскопа можно сделать сколь угодно большим, если уменьшить фокусные расстояния окуляра и объектива. Однако многочисленные попытки осуществить это на практике не привели к успеху. Тогда владелец оптической мастерской Карл Цейс пригласил молодого физика, выпускника университета Аббе. Аббе прежде всего попытался разобраться с теорией вопроса и показал, что волновая природа света накладывает ограничения на увеличение микроскопа.