ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА ЛЕКЦИЯ 2 СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 1

ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА ЛЕКЦИЯ№ 2

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 1. Геометрическая оптика 2. Законы геометрической оптики 3. Глаз как оптический прибор Прикладная оптика. Лекция № 2 2

ПЕРВАЯ ТЕОРИЯ Эвклид Птолемей Прикладная оптика. Лекция № 2 3

ВТОРАЯ ТЕОРИЯ Демокрит Эпикур Прикладная оптика. Лекция № 2 Лукреций 4

ТРЕТЬЯ ТЕОРИЯ Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в. , его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света. Аристотель Прикладная оптика. Лекция № 2 5

СРЕДНЕВЕКОВЬЕ Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Ученый придерживался теории Демокрита и впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света. Альгазен Прикладная оптика. Лекция № 2 6

XVII ВЕК • На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений: • Корпускулярная теория Ньютона, которая предполагала, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами. • Волновая теория Гюйгенса, которая утверждала, что свет представляет собой продольные колебательные движения особой светоносной среды (эфира), возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела. Прикладная оптика. Лекция № 2 7

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ • Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник. • Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового. • Белый цвет – смесь всех цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. • Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара. Прикладная оптика. Лекция № 2 8

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ • Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. • Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г. , он объяснил следующим образом. «Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму» . • Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела. Прикладная оптика. Лекция № 2 9

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ • Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Крупнейшие ученые придерживающиесяэтой теории: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. • На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться (волны же проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния) Ньютон Араго Гей-Люссак Прикладная оптика. Лекция № 2 10

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ • Свет – это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе. • Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью. • Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность – фронт волны (принцип Гюйгенса). • Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится. • Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. • Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света. Прикладная оптика. Лекция № 2 11

ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ С помощью теории объясняются многие явления геометрической оптики: – явление отражения света и его законы; – явление преломления света и его законы; – явление полного внутреннего отражения; – явление двойного лучепреломления; – принцип независимости световых лучей. Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды: Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона. Прикладная оптика. Лекция № 2 12

ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ • Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире. • Трудно было объяснить прямолинейное распростронение света, приводящее к образованию за предметами резких теней (по корпускулярной теории прямолинейное движение света является следствием закона инерции) • Явление дифракции (огибания светом препятствий) и интерференции (услиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга) можно объяснить только с точки зрения волновой теории. Гюйгенс Ломоносов Эйлер Прикладная оптика. Лекция № 2 13

XIX-XX СТОЛЕТИЯ • Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. • После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас. • Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Максвелл Герц Прикладная оптика. Лекция № 2 14

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА Гомоцентрические пучки лучей а) б) Прикладная оптика. Лекция № 2 в) 15

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА Предметная точка и ее изображение А’ А’ А А а) б) Прикладная оптика. Лекция № 2 16

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Закон прямолинейного распространения света. Прикладная оптика. Лекция № 2 17

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Закон независимости распространения световых пучков Пересечение пучков света Предмет, освещенный несколькими источниками Прикладная оптика. Лекция № 2 18

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Закон отражения света. Прикладная оптика. Лекция № 2 19

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Закон преломления света. Прикладная оптика. Лекция № 2 20

СТРОЕНИЕ ГЛАЗА стекловидное тело (задняя камера) сетчатка сосудистая оболочка радужная оболочка склера передняя камера Зрительная линия Оптическая ось роговица 5 зрачок хрусталик желтое пятно слепое пятно зрительный нерв ресничное тело Диаметр глазного яблока 22 -24 мм, масса 7 -8 г. оптика. Лекция № 2 Прикладная 21

УПРОЩЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ГЛАЗА Хрусталик (n = 1. 386) сетчатка Роговица (n = 1. 376) Стекловидное тело (n = 1, 336) Воздух (n = 1) Влага передней камеры (n = 1. 336) Прикладная оптика. Лекция № 2 22

ДАННЫЕ СХЕМАТИЧЕСКОГО ГЛАЗА № повти В состоянии наибольшей аккомодации В состоянии покоя радиус кривизны осевое расстояние показатель преломления 1 7, 7 0, 5 1, 376 2 6, 8 3, 1 1, 336 6, 8 2, 7 1, 336 3 10, 0 3, 6 1, 386 5, 33 4, 0 1, 386 4 -6, 0 15 1, 336 -5, 33 15 1, 336 Оптическая сила Ф = 58 дптр Оптическая сила Ф = 70 дптр • Оптическая сила глаза: , [дптр] где f – заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах Прикладная оптика. Лекция № 2 23

АККОМОДАЦИЯ • Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза f ´=22, 78 Прикладная оптика. Лекция № 2 f ´=18, 93 24

СТРОЕНИЕ СЕТЧАТКИ • Палочки • высота 30 мкм, толщина 2 мкм • 130 миллионов палочек • аппарат сумеречного зрения (больше чувствительность, но не различают цветов) • родопсин • Колбочки • высота 10 мкм, толщина 6 -7 мкм • 7 миллионов колбочек • аппаратом дневного зрения (чувствительны к цветам, но менее чувствительны к свету) • йодопсин Прикладная оптика. Лекция № 2 25

СЛЕПОЕ ПЯТНО • Слепое пятно: • диаметр – около 1, 88 мм • соответствующее поле зрения – 6° • Опыт: • поднести рисунок к глазу на расстояние 10 см, закрыть левый глаз и смотреть на крестик правым глазом 7 мм 5 см Прикладная оптика. Лекция № 2 26

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА Видимая область спектра: = 380 – 780 нм Коэффициент относительной спектральной чувствительности: где V – абсолютная спектральная чувствительность излучения с длиной волны ; V = 555 – абсолютная спектральная чувствительность для длины волны = 555 нм Пример: поток излучения оранжевых лучей ( =610 нм) в 1 Вт создает световое ощущение такой же интенсивности, как поток зеленых лучей ( =555) в 0, 5 Вт: V =610 = 0. 5 Прикладная оптика. Лекция № 2 27

КРИВАЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГЛАЗА k 1. 0 для сумеречного зрения для дневного зрения 0. 5 , нм 0. 0 400 эффект Пуркинье 500515 555 600 Прикладная оптика. Лекция № 2 700 28

ЦВЕТОВОСПРИЯТИЕ • Три типа «колбочек» , проявляющих наибольшую чувствительность к трем основным цветам видимого спектра (RGB): • красно-оранжевому (600 – 700 нм) • зеленому (500 – 600 нм) • синему (400 – 500 нм) Прикладная оптика. Лекция № 2 29

АДАПТАЦИЯ • Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией: • темновая адаптация – это процесс приспособления глаза при переходе от больших яркостей к малым (50 -60 мин) • световая адаптация – это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим (8 -10 мин) • Адаптация обеспечивается тремя явлениями: • изменением диаметра отверстия зрачка • перемещением черного пигмента в слоях сетчатки • различной реакцией палочек и колбочек Прикладная оптика. Лекция № 2 30

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛАЗА • Поле зрения глаза: • полное поле зрения: 125° по вертикали и 150° по горизонтали • поле зрения в области желтого пятна: 6° по вертикали и 8° по горизонтали • поле наиболее совершенного зрения (в центральной ямке): 1– 1, 5° • Предел разрешения глаза: около 1´ Угловой предел разрешения глаза – это минимальный угол, при котором глаз наблюдает раздельно две светящиеся точки • Диаметр зрачка глаза: около 4– 5 мм Прикладная оптика. Лекция № 2 31

ДЕФЕКТЫ ЗРЕНИЯ • Нормальный (эмметропический) глаз – дальняя точка глаза находится в бесконечности • Аметропия – несовпадение дальней точки с бесконечно удаленной: • миопия (близорукость) – лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются перед сетчаткой • гиперметропия (дальнозоркость) – лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются за сетчаткой • астигматизм – преломляющая способность глаза различна в разных плоскостях, проходящих через его оптическую ось Прикладная оптика. Лекция № 2 32

БЛИЗОРУКОСТЬ • Близорукость – лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются перед сетчаткой Прикладная оптика. Лекция № 2 33

ДАЛЬНОЗОРКОСТЬ • Дальнозоркость – лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются за сетчаткой Прикладная оптика. Лекция № 2 34

АСТИГМАТИЗМ • Астигматизм – преломляющая способность глаза различна в разных плоскостях, проходящих через его оптическую ось Прикладная оптика. Лекция № 2 35

КОРРЕКЦИЯ БЛИЗОРУКОСТИ дальняя точка - aд F Прикладная оптика. Лекция № 2 36

КОРРЕКЦИЯ ДАЛЬНОЗОРКОСТИ дальняя точка aд F Прикладная оптика. Лекция № 2 37

КОРРЕКЦИЯ АСТИГМАТИЗМА • Исправление астигматизма возможно при помощи цилиндрических линз Прикладная оптика. Лекция № 2 38

АМЕТРОПИЯ Аметропия глаза выражается в диоптриях как величина, обратная расстоянию от первой поверхности глаза до дальней точки, выраженной в метрах: Например: дальняя точка находится перед глазом на расстоянии 50 см (близорукость): Прикладная оптика. Лекция № 2 39

АМЕТРОПИЯ • Слабая степень аметропии – до 3 дптр • Средняя степень аметропии – от 3 до 6 дптр • Высокая степень аметропии – свыше 6 дптр Прикладная оптика. Лекция № 2 40

• ВСЁ!!! Прикладная оптика. Лекция № 2 41