Оптические приборы реферат по физике

Обновлено: 30.06.2024

Наши глаза, по сути, представляют собой оптические приборы. Когда мы смотрим на предмет, линзовая система, расположенная в передней части каждого глаза, формирует его изображение на сетчатке - слое глазного дна, содержащем примерно 125 млн. светочувствительных клеток. Падающий на сетчатку свет заставляет клетки посылать в мозг электрический нервный сигнал, позволяя нам визуально воспринимать предмет.

Кроме того, глаза обладают системой регулировки яркости. При ярком освещении зрачок инстинктивно сужается, понижая яркость изображения до приемлемого уровня. При слабом освещении зрачок расширяется, увеличивая яркость изображения.

Как действует линза

Линзовая система глаза состоит из выпуклой линзы хрусталика и расположенной перед ней заполненной жидкостью искривленной оболочки, которая называется роговицей. Роговица обеспечивает четыре пятых всего процесса фокусировки. Тонкая регулировка осуществляется хрусталиком, чья кривизна поверхности изменяется расположенным вокруг него мышечным кольцом (капсулой). Когда глаз не может принять необходимую форму, обычно из-за нарушений в данных мышцах, изображения видимых предметов становятся расплывчатыми.

Сильные выпуклые линзы часто используются в качестве увеличительных стекол. Первые увеличивающие устройства использовались примерно 2000 лет назад. В древнегреческих и древнеримских документах описывается, как для увеличения предметов можно использовать наполненный водой круглый стеклянный сосуд. Полностью сделанные из стекла линзы появились гораздо позже и, вероятно, впервые были использованы в XI веке монахами, трудившимися над рукописями. В конце XIII века увеличительные стекла с небольшим увеличением уже использовались в очках для коррекции дальнозоркости. Но техника изготовления вогнутых линз для коррекции близорукости была изобретена только в начале XV века.

Когда появились увеличительные стекла, люди, естественно, попытались использовать вместо одного два таких стекла, чтобы получить еще большее увеличение. Экспериментальным путем было обнаружено, что при определенном расстоянии между линзами отдаленный объект можно увидеть со значительным увеличением. Такое расположение линз послужило основой для создания первого телескопа, который в то время назывался зрительной трубой. Изобретение этого прибора иногда приписывают жившему в XIII веке английскому философу и естествоиспытателю Роджеру Бэкону. Но, возможно, пальма первенства принадлежит арабским ученым.

Рефрактор Галилея

Зрительная труба, созданная в 1608 году голландским оптиком Хансом Липперши, привлекла внимание итальянского ученого Галилея. В течение короткого времени ученый усовершенствовал конструкцию Липперши и создал несколько труб с улучшенными характеристиками. С их помощью он совершил ряд открытий, включая горы и долины на Луне, а также четыре спутника Юпитера.

Открытия Галилея показали важность телескопа, а используемый им тип прибора получил известность как телескоп Галилея. Выпуклая линза его объектива собирала свет от наблюдаемого объекта. А вогнутая линза окуляра отклоняла световые лучи таким образом, что они создавали увеличенное прямое изображение. Линзы устанавливались в трубах, одна из которых (меньшего диаметра) скользила внутри другой. Это позволяло регулировать расстояние между линзами, получая при этом четкое изображение.

Телескоп Галилея работает с использованием принципа преломления (отклонения) света и поэтому известен также как телескоп-рефрактор. Другой вид телескопа-рефрактора характеризуется выпуклостью обеих линз. Такая конструкция создает увеличенное, но перевернутое изображение и известна как астрономический телескоп.

Рефлектор Ньютона

При использовании ранних телескопов-рефракторов возникала одна существенная проблема, которая обусловлена дефектом линз, называемым хроматической аберрацией и приводящим к появлению вокруг изображений нежелательных цветных ореолов. Для устранения этого недостатка английский ученый Исаак Ньютон в 1660-е годы сконструировал телескоп-рефлектор. Для концентрации световых лучей и создания изображения в нем вместо линзы объектива используется вогнутое зеркало, не образующее цветных ореолов. Плоское зеркало отражает свет в выпуклую линзу окуляра, установленную на главной трубе сбоку. Прибор такого типа известен как телескоп Ньютона.

Увеличительное стекло иногда называют простым микроскопом, т. к. его используют при наблюдении мелких объектов.

Сложный микроскоп состоит из двух выпуклых линз. Линза объектива создает увеличенное изображение, которое затем снова увеличивается линзой окуляра. Как и в астрономическом телескопе, это изображение перевернуто. Многие сложные микроскопы имеют комплект объективных линз с различной степенью увеличения.

Оптические приборы помогают нам исследовать окружающий мир. Телескоп позволяет обнаружить и рассмотреть очертания и детали далеких космических тел, а микроскоп раскрывает тайны нашей планеты, такие как строение живых клеток.
Наши глаза, по сути, представляют собой оптические приборы. Когда мы смотрим на предмет, линзовая система, расположенная в передней части каждого глаза, формирует его изображение на сетчатке - слое глазного дна, содержащем примерно 125 млн. светочувствительных клеток. Падающий на сетчатку свет заставляет клетки посылать в мозг электрический нервный сигнал, позволяя нам визуально воспринимать предмет.

Файлы: 1 файл

Оптические приборы.docx

При помощи светофильтров обычно отделяют одну часть спектра от других. Это значит, что подыскивают светофильтр с резкой границей поглощения как со стороны длинноволновой части спектра, так и со стороны коротковолновой. Желтые или красные фильтры имеют резко спадающую в коротковолновой части спектра абсорбционную кривую. С их помощью можно отсечь коротковолновую часть спектра практически с любого желаемого места. Фильтры подобного рода имеются в продаже; можно заказать желаемую абсорбционную характеристику и получить фильтр, имеющий соответствующие свойства. Значительно труднее получить с помощью окрашенных стеклянных фильтров абсорбционную кривую, резко спадающую в длинноволновой части спектра, если предъявляются высокие требования к однородности стекла. В этом случае применяют желатиновые фильтры, окрашенные органическими красителями. Некоторые указания по изготовлению таких светофильтров даются ниже.

Узкую область спектра можно выделить при помощи комбинации фильтров Шотта. Для этой цели весьма выгодно применять и интерференционные фильтры. Они отличаются высокой степенью прозрачности и узкой областью пропускания. При помощи интерференционных фильтров очень удобно выделять определенные линии из линейчатых спектров спектральных ламп. Путем последовательного применения двух или нескольких интерференционных фильтров одного типа можно в значительной степени ослабить пропущенный фон. Интерференционные фильтры изготовляются с максимумом пропускания от л=225 лиг до инфракрасной области. Изготовление фильтров для ультрафиолетовой части спектра в настоящее время еще сопряжено с рядом трудностей. В последнее время в продаже появились интерференционные фильтры для краев спектра и отдельных линий. Путем различных комбинаций таких фильтров можно получить любую заданную спектральную полосу пропускания.

При применении интерференционных фильтров надо иметь в виду, что их проницаемость меняется с изменением направления падающих лучей. Интерференционные фильтры в потоке лучей нагреваются мало, так как они имеют очень небольшое поглощение. Энергия, не прошедшая через фильтр, отражается. Поэтому необходимо принимать меры, исключающие вредное влияние отраженных лучей. Стеклянные фильтры, обладающие большим поглощением, при интенсивном облучении сильно нагреваются, их кривая поглощения изменяется. Спектральная граница красных фильтров с повышением температуры смещается в красную область спектра. В связи с этим упомянем, что граница спектра пропускания горячей кварцевой колбы ртутной лампы высокого давления лежит в области длин волн > 254 ммк.

Красители вводятся в растворы желатина, которые высушивают на стеклянных пластинках. Рецепты 41 желатинового фильтра опубликованы Ходжменом. Ниже мы даем некоторые из них. Стеклянные пластинки предварительно необходимо очищать при помощи растворов едкого натра в воде и двухромовокислого калия в серной кислоте; желатина взвешивается, в течение часа моется в холодной поде и разминается. Затем берут на 20 г. сухой желатины 300 см3 воды, растворяют ее при температуре 40° С и фильтруют. Этот раствор желатины нагревается до 45° С, смешивается с краской и с помощью пипетки наливается на стеклянную пластинку, очищенную, как указано; пластинку предварительно устанавливают горизонтально и защищают от пыли. Две пластинки, приготовленные таким образом, после высыхания склеивают канадским бальзамом.

Однако изготовление хорошего фильтра требует все же налгядный вид известных познаний в области специальных свойств красителей и знания определенных приемов работы с ними; надо думать, что Э.Дж. Уолл был прав, когда он вообще отказался от самостоятельного изготовления подобных цветных фильтров. Поэтому в каждом случае не обходимо, прежде всего, подробно ознакомиться с монографиями по этому вопросу указанного автора или монографией Вейгерта. В отношении всех светофильтров, у которых краситель растворен в желатине, имеется опасность, что их цвет в течение нескольких месяцев или лет изменится, особенно если слой приклеен канадским бальзамом и если фильтр длительное время оставался на свету. Цветные желатиновые пленки выпускаются в продажу рядом фирм.

Можно рекомендовать и так называемые монохроматические фильтры, выделяющие из спектра полосы почти одинаковой ширины, примыкающие друг к другу. Имеются два сорта монохроматических фильтров: для более широких и для более узких областей спектра. Если область пропускания сужается, то уменьшается и максимальное значение пропускания - на несколько процентов. Монохроматические фильтры можно с успехом применять для устранения рассеянного света в простых монохроматорах.

Для серых стекол кривая пропускания, вообще говоря, не обнаруживает зависимости от длины волны. За пределами красной части степень прозрачности в большинстве случаев резко увеличивается. Это свойство надо иметь в виду при применении таких стекол, например, в форме клина в качестве ослабителя в спектральном аппарате. Селективность серого фильтра приобретает большое значение при очень плотных фильтрах. Серые фильтры, полученные фотографическим путем, сравнительно мало селективны. К сожалению, они в большинстве случаев немного рассеивают свет, так что при употреблении этих фильтров рассеянные лучи могут вызвать дополнительный световой эффект.

Пользуясь стеклянными фильтрами и обычными спектральными лампами, имеющимися в продаже, можно выделять линии, почти равномерно расположенные на всем протяжении спектра. В противовес жидким фильтрам, стеклянный фильтр имеет то преимущество, что он чуть ли не безгранично устойчив. В справочнике по физике и химии Д'Анса и Лакса приведены комбинации фильтров и соответствующих им спектральных ламп.

Для видимого и ультрафиолетового света хорошие результаты дают прозрачные металлические слои платины, родия, сурьмы, отложенные испарением на кварцевые пластинки.

Тейсинг и Гёберт изготовили с помощью изящного приема серый « фильтр, поглощение которого в области длин волн между 3000 А и 2,3 мк практически является постоянным. Для этого они на один слой, поглощение которого уменьшается при уменьшении длин волн, отложили второй слой, поглощение которого изменяется в противоположном направлении.

Поляризационные пленки, которые теперь изготовляются различными фирмами, при скрещенном положении можно применять в качестве нейтрального фильтра переменной прозрачности. Во многих случаях с большим успехом вместо поляризационных призм употребляются поляризационные пленки. При скрещенном положении лучшие из них уменьшают яркость света в сотни раз. По сравнению с поляризационными призмами они обладают преимуществом большего поля зрения. Пленки можно изготовить почти безграничного размера. Иногда возникают затруднения вследствие необходимости обеспечить их теплоустойчивость. От действия влаги поляризаторы можно надежно защищать, если это вообще необходимо, вклеивая их между стеклянными дисками.

С одной стороны, производство поляризационных фильтров такого типа, с другой стороны, изготовление пленок с двойным преломлением побуждают к проектированию ротационно-дисперсионных светофильтров. Этот вид фильтров много лет назад описал Р.В. В уд при разделении компонентов линии натрии; светофильтры такого типа затем разрабатывались Лайотом, Эхманом, Регием и Хаазе. Фильтр с отверстием Лайотом, пропускал, в зеленой части полоску в 2 А ширины при прозрачности 13%, а в красной части – 3 А при 24%.

2. Зеркальные поверхности

Результаты весьма многочисленных экспериментальных исследований в этой области приводят к следующим качественным выводам. При больших длинах волн, в несколько микрон, большинство металлов отражает от 90 и почти до 100% падающего света. От 15 мк до почти 4000 А серебро по отражательной способности превосходит все другие металлы; в инфракрасной области вплоть до 8500 А золото отражает так же, как и серебро. Очень хорошим отражателем в длинноволновой области является также латунь.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Что такое оптика? Оптика - это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле.

Изучая природу света и закономерности его распространения, человек использует полученные знания себе на пользу.

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений.

Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия[2].

Нельзя недооценивать практическое значение оптики, а также ее влияния на иные отрасли знания. Удивительный и богатый мир явлений, что происходят во Вселенной, открылся человеческому взору благодаря изобретению спектроскопа и телескопа. Революцию в биологии произвело изобретение микроскопа. Почти всем отраслям науки помогала и продолжает помогать фотография, также изобретение на основе оптики. Конечно же, в основе большинства научных приборов с оптическим наполнением является линза, без которой не было бы ни телескопа, ни микроскопа, фотоаппарата, очков, телевидения и многого другого[7].

Цель работы: рассмотреть законы оптических явлений.

-изучить законы геометрической оптики;

- рассмотреть явления физической оптики;

- построения изображений в линзах.

Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следующие четыре основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости световых пучков.

3. Закон отражения от зеркальной поверхности.

4. Закон преломления света на границе двух прозрачных сред.

Дальнейшее изучение этих законов показало, во-первых, что они имеют гораздо более глубокий смысл, чем может казаться с первого взгляда, и во-вторых, что их применение ограничено, и они являются лишь приближёнными законами. Установление условий и границ применимости основных оптических законов означало важный прогресс в исследовании природы света.

Сущность этих законов сводится к следующему.

Закон прямолинейного распространения света

В однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Закон этот встречается в сочинениях по оптике, приписываемых Евклиду и, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона могут служить наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Рис. 1 иллюстрирует получение изображения при помощи малого отверстия, причем форма и размер изображения показывают, что проектирование происходит при помощи прямолинейных лучей[1].

Закон прямолинейного распространения может считаться прочно установленном на опыте. Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому возникло из оптических наблюдений. Геометрическое понятие прямой как линии, представляющей кратчайшее расстояние между двумя точками, есть понятие о линии, по которой распространяется свет в однородной среде.

Более детальное исследование описываемых явлений показывает, что закон прямолинейного распространения света теряет силу, если мы переходим к очень малым отверстиям.

Так, в опыте, изображенном на рис. 1, мы получим хорошее изображение при размере отверстия около 0,5 мм. При последующем уменьшении отверстия - изображение будет несовершенным, а при отверстии около 0,5-0,1 мкм изображение совсем не получится и экран будет освещён практически равномерно[3].

Закон независимости световых пучков

Световой поток можно разбить на отдельные световые пучки, выделяя их, например, при помощи диафрагм. Действие этих выделенных световых пучков оказывается независимым, т.е. эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены[5].

Закон отражения света

Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения равен углу отражения. Этот закон также упоминается в сочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированных металлических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху[4].

1.4. Закон преломления света

Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела однородных изотропных прозрачных (не поглощающих) сред. Преломление света сопровождается также отражением света (рис.3).

Явление преломления света было известно уже Аристотелю. Попытка установить количественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г. н.э.), который предпринял измерение углов падения и преломления[6].

Закон отражения и закон преломления также справедливы лишь при соблюдении известных условий. В том случае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, мал, мы наблюдаем заметные отступления от указанных выше законов. Однако для обширной области явлений, наблюдаемые в обычных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго[1].

На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;

– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.

Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии.

Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами[3].

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Оно связано с перераспределением световой энергии в пространстве при наложении так называемых когерентных волн, то есть волн, имеющих одинаковые частоты и постоянную разность фаз. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Для расчета интерференции используется понятие оптической длины пути. Пусть свет прошел расстояние L в среде с показанием преломления n. Тогда его оптическая длина пути рассчитывается по формуле:

Для интерференции необходимо наложение хотя бы двух лучей. Для них вычисляется оптическая разность хода (разность оптических длин) по следующей формуле:

Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее: интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При m = 0 наблюдается максимум нулевого порядка, при m = ±1 максимум первого порядка и так далее. Интерференционный минимум (темная полоса) наблюдается при выполнении следующего условия:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При первом нечетном числе (единица) будет минимум первого порядка, при втором (тройка) минимум второго порядка и т.д. Минимума нулевого порядка не бывает[6].

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос[4].

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Если показатель преломления линзы больше, чем окружающей среды, то собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если показатель преломления линзы меньше, чем окружающей среды, то всё наоборот.

Прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Рисунок 1 Правила построения хода луча в линзах

4.1. Формула линзы

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображение – это точка пространства, где пересекаются лучи (или их продолжения), испущенные источником после преломления в линзе. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными (пересекаются сами лучи) и мнимыми (пересекаются продолжения лучей), увеличенными и уменьшенными.

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

Для простоты можно запомнить, что изображение точки будет точкой. Изображение точки, лежащей на главной оптической оси, лежит на главной оптической оси. Изображение отрезка – отрезок. Если отрезок перпендикулярен главной оптической оси, то его изображение перпендикулярно главной оптической оси. А вот если отрезок наклонен к главной оптической оси под некоторым углом, то его изображение будет наклонено уже под некоторым другим углом.

Изображения можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы. Если кратчайшее расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а кратчайшее расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.

Разрешающая сила.

Увеличение.

Если предмет длиной H перпендикулярен оптической оси системы, а длина его изображения H΄, то увеличение m определяется по формуле m = H΄/H. Увеличение зависит от фокусных расстояний и взаимного расположения линз; для выражения этой зависимости существуют соответствующие формулы. Важной характеристикой приборов для визуального наблюдения является видимое увеличение М. Оно определяется из отношения размеров изображений предмета, которые образуются на сетчатке глаза при непосредственном наблюдении предмета и рассматривании его через прибор. Обычно видимое увеличение М выражают отношением M = tg b /tg a , где a – угол, под которым наблюдатель видит предмет невооруженным глазом, а b – угол, под которым глаз наблюдателя видит предмет через прибор.

При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры.

Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.

Микроскопы.

Если рассматривать через положительную (собирающую) линзу предмет, расположенный за линзой не дальше ее фокальной точки, то видно увеличенное мнимое изображение предмета. Такая линза представляет собой простейший микроскоп и называется лупой или увеличительным стеклом. Из схемы рис. 1 можно определить размер увеличенного изображения. Когда глаз настроен на параллельный пучок света (изображение предмета находится на неопределенно большом расстоянии, а это означает, что предмет расположен в фокальной плоскости линзы), видимое увеличение M можно определить из соотношения (рис. 1):

M = tg b /tg a = (H/f)/(H/v) = v/f,

где f – фокусное расстояние линзы, v – расстояние наилучшего зрения, т.е. наименьшее расстояние, на котором глаз хорошо видит при нормальной аккомодации. M увеличивается на единицу, когда глаз настраивается так, что мнимое изображение предмета оказывается на расстоянии наилучшего зрения. Способности к аккомодации у всех людей разные, с возрастом они ухудшаются; принято считать 25 см расстоянием наилучшего зрения нормального глаза. В поле зрения одиночной положительной линзы при удалении от ее оси резкость изображения быстро ухудшается из-за поперечных аберраций. Хотя и бывают лупы с увеличением в 20 крат, типичная их кратность от 5 до 10. Увеличение сложного микроскопа, именуемого обычно просто микроскопом, доходит до 2000 крат. См. также МИКРОСКОП.; ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП.

Телескопы.

Телескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопа входят две положительные линзы (рис. 2). Лучи от удаленного предмета, параллельные оси телескопа (лучи a и c на рис. 2), собираются в заднем фокусе первой линзы (объектива). Вторая линза (окуляр) удалена от фокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновь параллельно оси системы. Некоторый луч b, исходящий не из тех точек предмета, откуда пришли лучи a и c, падает под углом a к оси телескопа, проходит через передний фокус объектива и после него идет параллельно оси системы. Окуляр направляет его в свой задний фокус под углом b . Поскольку расстояние от переднего фокуса объектива до глаза наблюдателя пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до предмета, то из схемы рис. 2 можно получить выражение для видимого увеличения M телескопа:

M = –tg b /tg a = –F/f ΄ (или F/f).

Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто. В астрономических телескопах оно таким и остается; в телескопах для наблюдений за наземными объектами применяют оборачивающую систему, чтобы рассматривать нормальные, а не перевернутые изображения. В оборачивающую систему могут входить дополнительные линзы или, как в биноклях, призмы.

Бинокли.

Бинокулярный телескоп, обычно именуемый биноклем, представляет собой компактный прибор для наблюдений обоими глазами одновременно; его увеличение, как правило, от 6 до 10 крат. В биноклях используют пару оборачивающих систем (чаще всего – Порро), в каждую из которых входят две прямоугольные призмы (с основанием под 45 ° ), ориентированные навстречу прямоугольными гранями. Чтобы получить большое увеличение в широком поле зрения, свободном от аберраций объектива, и, следовательно, значительный угол обзора (6–9 ° ), биноклю необходим очень качественный окуляр, более совершенный, чем телескопу с узким углом зрения. В окуляре бинокля предусмотрена фокусировка изображения, причем с коррекцией зрения, – его шкала размечена в диоптриях. Кроме того, в бинокле положение окуляра подстраивается под расстояние между глазами наблюдателя. Обычно бинокли маркируются в соответствии с их увеличением (в кратах) и диаметром объектива (в миллиметрах), например,

Оптические прицелы.

В качестве оптического прицела можно применить любой телескоп для наземных наблюдений, если в какой-либо плоскости его пространства изображений нанести четкие метки (сетки, марки), отвечающие заданному назначению. Типичное устройство многих военных оптических установок таково, что объектив телескопа открыто смотрит на цель, а окуляр находится в укрытии. Такая схема требует излома оптической оси прицела и применения призм для ее смещения; эти же призмы преобразуют перевернутое изображение в прямое. Системы со смещением оптической оси называются перископическими. Обычно оптический прицел рассчитывается так, что зрачок его выхода удален от последней поверхности окуляра на достаточное расстояние для предохранения глаза наводчика от ударов о край телескопа при отдаче оружия.

Дальномеры.

Оптические дальномеры, с помощью которых измеряют расстояния до объектов, бывают двух типов: монокулярные и стереоскопические. Хотя они различаются конструктивными деталями, основная часть оптической схемы у них одинакова и принцип действия один: по известной стороне (базе) и двум известным углам треугольника определяется неизвестная его сторона. Два параллельно ориентированных телескопа, разнесенных на расстояние b (база), строят изображения одного и того же удаленного объекта так, что он кажется наблюдаемым из них в разных направлениях (базой может служить и размер цели). Если с помощью какого-нибудь приемлемого оптического устройства совместить поля изображений обоих телескопов так, чтобы их можно было рассматривать одновременно, окажется, что соответствующие изображения предмета пространственно разнесены. Существуют дальномеры не только с полным наложением полей, но и с половинным: верхняя половина пространства изображений одного телескопа объединяется с нижней половиной пространства изображений другого. В таких приборах с помощью подходящего оптического элемента проводится совмещение пространственно разнесенных изображений и по относительному сдвигу изображений определяется измеряемая величина. Часто в качестве сдвигающего элемента служит призма или комбинация призм. В схеме монокулярного дальномера, показанной на рис. 3, эту функцию исполняет призма P₃; она связана со шкалой, проградуированной в измеряемых расстояниях до объекта. Пентапризмы B используются как отражатели света под прямым углом, поскольку такие призмы всегда отклоняют падающий световой пучок на 90 ° , независимо от точности их установки в горизонтальной плоскости прибора. Изображения, создаваемые двумя телескопами, в стереоскопическом дальномере наблюдатель видит сразу обоими глазами. База такого дальномера позволяет наблюдателю воспринимать положение объекта объемно, на некоторой глубине в пространстве. В каждом телескопе имеется сетка с марками, соответствующими значениям дальности. Наблюдатель видит шкалу расстояний, уходящую в глубь изображаемого пространства, и по ней определяет удаленность объекта.

Осветительные и проекционные приборы.

Прожекторы.

В оптической схеме прожектора источник света, например кратер дугового электрического разряда, находится в фокусе параболического отражателя. Лучи, исходящие из всех точек дуги, отражаются параболическим зеркалом почти параллельно друг другу. Пучок лучей немного расходится потому, что источником служит не светящаяся точка, а объем конечного размера.

Диаскоп.

В оптическую схему этого прибора, предназначенного для просмотра диапозитивов и прозрачных цветных кадров, входят две линзовые системы: конденсор и проекционный объектив. Конденсор равномерно освещает прозрачный оригинал, направляя лучи в проекционный объектив, который строит изображение оригинала на экране (рис. 4). В проекционном объективе предусматриваются фокусировка и замена его линз, что позволяет менять расстояние до экрана и размеры изображения на нем. Оптическая схема кинопроектора такая же.

Спектральные приборы.

Основным элементом спектрального прибора может быть дисперсионная призма либо дифракционная решетка. В таком приборе свет сначала коллимируется, т.е. формируется в пучок параллельных лучей, затем разлагается в спектр, и, наконец, изображение входной щели прибора фокусируется на его выходную щель по каждой длине волны спектра.

Спектрометр.

В этом более или менее универсальном лабораторном приборе коллимирующая и фокусирующая системы могут поворачиваться относительно центра столика, на котором расположен элемент, разлагающий свет в спектр. На приборе имеются шкалы для отсчетов углов поворота, например дисперсионной призмы, и углов отклонения после нее разных цветовых составляющих спектра. По результатам таких отсчетов измеряются, например, показатели преломления прозрачных твердых тел.

Спектрограф.

Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210–800 нм), стекла (360–2500 нм) или каменной соли (2500–16000 нм). В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области. См. также АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА; ОПТИКА.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 1970
Ефремов А.А. и др. Сборка оптических приборов. М., 1978
Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 1980
Кулагин С.В. Основы конструирования оптических приборов. Л., 1982
Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л., 1982

Читайте также: