Глаз как оптическая система. Лупа, микроскоп, телескоп.

 

Лупа.

Размеры изображения на сетчатке глаза определяются углом зрения, однако, как показывает опыт для малых или удаленных предметов угол зрения мал и детали предмета выявляются недостаточно. Оптические приборы, вооружающие глаз, позволяют увеличить угол зрения и поэтому более подробно различать детали предмета. Достигаемый при этом эффект характеризуется углом увеличения Г прибора. Г= (1) , где - угол зрения, под которым виден предмет через прибор, - угол, под которым виден предмет невооруженным глазом. Простейшим оптическим прибором для рассмотрения мелких предметов является лупа. Роль лупа выполняют окуляры оптических приборов : микроскопа, телескопа, спектроскопа и др.

Лупа – это собирательная короткофокусная линза, которую располагают между предметом и глазом.

Он будет виден под углом и из чертежа следует, что tg = . Если же рассматривать тот же предмет через лупу и, как правило, глаз расположен вблизи заднего фокуса лупы, то картинка получается следующей. tg ’= Г= =

На практике используются лупы не более 20-кратного увеличения. Более короткофокусные линзы дают искаженное изображение. Лупа используется также для увеличения освещенного изображения удаленных предметов.

Микроскоп.

Оптическая система микроскопа состоит из объектива и окуляра, которые располагаются относительно друг друга на расстоянии 15-20 см. Схематический ход лучей в микроскопе можно показать следующим образом:

Предмет АВ помещают чуть дальше переднего фокуса объектива. Он дает действительный образ и увеличенное изображение A’B’ . Это промежуточное изображение попадает между окуляром и его передним фокусом. Его расстояние через окуляр как через лупу и окончательное изображение A’’B’’ получается мнимым, увеличение по обратным по отношению к АВ.

Положение объектива относительно объекта подбирается так, что бы окончательное изображение располагалось от глаза на расстоянии наилучшего зрения D=25 см. Качество изображения во многом зависит от объектива. Фокусное расстояние объективов мало и составляет всего несколько мм, по этому рабочее расстояние от передней линзы до предмета невелико. Окуляры микроскопов делают съемными. Его фокусное расстояние для биологических микроскопов от 10 до 20 мм. Объектив и окуляр размещены по концам длинной трубы. Она получила название тубус. Тубус крепится на массивном штативе. Расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра называется оптическим тубусом б. Оптическая длинна тубуса короче его геометрической длинны на сумму фокусных расстояний объектива и окуляра . Обычно длина оптического тубуса 160 мм. Наводка на резкость микроскопа осуществляется перемещением тубуса относительно исследуемого аппарата. Увеличение микроскопа Г=( ). Окуляр используется как лупа и его увеличение определяется формулой .

Из рисунка видно, что увеличение размеров изображения на сетчатке глаза при использовании микроскопа определяется увеличением угла зрения. Г= .

Объективы биологических микроскопов имеют увеличение от 8 х до 90 х, а окуляры от 7 х до 15 х увеличение микроскопа лежит в пределах от 56 х до 1350 х. однако увеличение свыше 1000 х использовать не целесообразно. Так как в следствии дифракционных процессов ухудшается качество изображения.

Телескоп.

Предназначен для рассмотрения или фотографирования удаленных тел. Одним из предел. Телескопов является телескоп Кеплера. Схема такова:

В телескопе Кеплера объектив - длиннофокусная, окуляр – короткофокусная , причем задний фокус объектива совмещен с передним фокусом окуляра. Если рассматривать две точки удаленного предмета, одна из которых лежит на оптической оси, а другая выше ее , то изображение предмета получается в фокусной плоскости объектива. Параллельный пучок света от предмета, падающий на объектив остается параллельным и по выходу из окуляра, но сужается, при чем можно показать, что S объекта в Г=( ) уменьшается.

Окуляр работает как лупа. Если пучок лучей от объекта падает под углом , то глаз рассматривает его под углом , при чем Г’= = . Но у такого телескопа F >> , благодаря этому обстоятельству с его помощью удается разделить звезды, видимые под очень малым углом, а также увеличить число видимых звезд за счет увеличения их яркости.

Из-за ничтожных угловых размеров звезды ее изображение в глазу человека умещается на одном светочувствительном окончании, например на колбочке. При рассмотрении неба в телескоп на туже колбочку поступает большой световой поток, но угол зрения на изображение звезды не изменяется и по-прежнему будет видна только одна колбочка сетчатки глаза. Это обстоятельство приведет к увеличению яркости звезды и она выступит на фоне свечения неба, яркость которого не изменяется.

Недостатком трубы Кеплера является ее большая длинна равная сумме F +F .

Другой разновидностью является телескоп Галилея. Схема следующая :

В трубе Галилея окуляр выпуклый в виде рассеивающей линзы, при чем совмещены задние фокусы объектива и окуляра. Это приводит к уменьшению длинны трубы равная F -F , остальные ее характеристики остаются прежними.

Недостатком телескопов, работающих на эффекте преломления света (рефракторов) является их большая длинна. Этот недостаток устраняется в телескопах – рефлекторах.

Одним из таких телескопов является телескоп Максутова. Он состоит из вогнутого зеркала и вогнуто выпуклой линзы.

Сферическая абберрация обеих частей телескопа сделана равной, но имеет противоположные знаки, благодаря чему этот телескоп практически свободен от сферической абберрации. Хроматическая абберрация у этого телескопа мала. Поэтому телескопы получились небольшие по размеру и дают хорошее изображение.

Глаз как оптическая система.

Схематически глаз можно изобразить следующим образом.

Существенной частью глаза как оптической системы является зрачок - это отверстие в непрозрачной радужной оболочке В, размеры которого меняются в зависимости от яркости объекта, тем самым предохраняя глаз от перегрузки. Двояковыпуклая линза К называется хрусталиком. Мышцы позволяют человеку менять кривизну хрусталика, тем самым изменяя оптическую силу глаза в зависимости от расстояния глаза до объекта. Далее идет стекловидное тело Т, которое является толстой линзой.

Изображение в глазе создается на сетчатке S . Оно является перевернутым и уменьшенным. На сетчатке находятся светочувствительные окончания зрительного нерва, которое связывает глаз с мозгом. Зрительный нерв образует мельчайшие рецепторные клетки, которые называются палочками и колбочками. Число палочек в глазу человека достигает 130 млн, а число колбочек 7 млн. Они выполняют различную роль, так например, колбочки работают при более или менее значительной освещенности и обеспечивают цветное зрение. Палочки работают при малых освещениях, но не различают цветов. Свет вызывает фотохимические реакции на этих клетках, изменяет их состояние, за счет чего генерируется первый импульс, который по нервным волокнам передается в мозг. Точка К внутри хрусталика соответствует оптическому центру глаза. Луч, идущий через него, не испытывает преломления. Линия ОО’ является главной оптической осью глаза, а любая другая, например MN одна из побочных оптических осей. Здоровый глаз приспосабливается к рассмотрению предметов, расположенных от него на расстоянии от 10-15 см до . В этом случае говорят об аккомодации глаза. Аккомодация глаза – это его способность изменять оптическую силу за счет изменения кривизны хрусталика и получать на сетчатке четкое изображение предмета. В целом оптическая система глаза действует как собирающая линза с переменным фокусным расстоянием. В ненапряженном состоянии вся система глаза имеет оптическую силу свыше 60 дптр. На сетчатке в этом случае фокусируется изображение удаленных предметов. При рассмотрении близко расположенных предметов кривизна хрусталика увеличивается, и оптическая сила увеличивается до 70-75 дптр. Для нормального глаза наиболее удобным является расстояние порядка 25 см , называемое расстояние наилучшего зрения. Глаз почти свободен от хроматической абберрации, не обладает сферической абберрацией. Чувствительность глаза меняется в огромных пределах. Например отношение наибольшей интенсивности, уже опасной для глаза, и наименьшей интенсивности достигает 10 , в тоже время как у обычных приборов не превышает 10 . Область длин волн, воспринимаемых глазом, от 400 до 700 нм. Длительность зрительного восприятия глаза составляет около 0,1 с ,поэтому быстро меняющееся образы сливаются в сознании человека.Это обстоятельство позволило осуществить ряд достижений: создать кинематограф и телевидение, используемые для освещения лампы с быстро меняющейся интенсивностью. Разрешенная способность глаза принято характеризовать минимальным углом зрения , под которым две соседние точки видны раздельно. Две точки кажутся раздельными, если они возбуждают две различные светочувствительные клетки, между которыми остаётся одна невозбужденная. При этом угол зрения на них составляет не менее . При нормальном зрении человек может с расстояния 25 см видеть раздельно 2 точки, отстающие друг от друга 0,05-0,07мм. Зрение двумя глазами даёт ощущение глубины пространства и позволяет оценить расстояние до пределов. Эта способность сохраняется до расстояний, близких до 1,5км.

Наиболее часто встречающимися недостатками глаза являются близорукость и дальнозоркость. У близорукого человека преломляющая способность оптической системы глаза больше, чем при нормальном зрении, а задний её фокус находится перед сетчаткой. Поэтому изображения удаленных предметов не фокусируются на сетчатке и получаются расплывчатыми. Близорукие люди отчетливо видят близкие предметы. Причиной близорукости считаются аномалия мышечно-связываемого аппарата глаза, который помогает удерживать хрусталик в определенном состоянии, а также продольная вытянутость глазного яблока. Коррекция близорукости производится с помощью очков с рассеивающими линзами.

У дальнозоркого человека фокус оптической системы глаза находится в ненапряженном состоянии, удален за сетчатку. Аккомодация позволяет хорошо различать удаленные предметы. Чтобы увидеть близкие предметы, глаз должен значительно увеличить свою оптическую силу, однако аккомодационая способность глаза оказывается недостаточной для этого. Для дальнозоркого человека расстояние наилучшего зрения возрастает до 40-60см. Дальнозоркость объясняется слабой аккомодацией хрусталика или укорочением глазного яблока. Возрастная дальнозоркость вызвана потерей эластичности хрусталика, уменьшением его аккомод. способности. Коррекция дальнозоркости проводится с помощью очков с собирающими линзами.