Оптика

 

Содержание

оптика человека. Как мы видим …………………………………..2-3 Дефекты зрения ………………………………………………………….3-5 Оптические приборы, «вооружающие» глаз. Очки, лупа, микроскоп, телескоп……………………………………………………5-11 Светопрекционная техника. Проекционные устройства, спектральный аппарат, фотоаппарат, киноаппарат ……..11-16 Заключение …………………………………………………………………..17 Список использованной литературы ……………………………….18

Оптика человека

Как мы видим

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют со­бой весьма совершенную оптическую систему.

Рис.6. Строение человеческого глаза

В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром око­ло 2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис.5). Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть — роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против ро­говицы сосудистая оболоч­ка переходит в радуж­ную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы каме­рой с прозрачной водяни­стой массой.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемое зрачком, диаметр которого может из­меняться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при сла­бом освещении — увеличивается. Внутри глазного яблока за ра­дужной оболочкой расположен хрусталик, который представ­ляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольце­вая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку, на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе 6 метра от глаза. Изображение более близких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для получения отчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всё сильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом, «наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него, называют аккомодацией (от латинского «аккомодацио» – приспособление). При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. В этом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодация глаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркости наблюдаемых объектов называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз на определенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предмета на другой между осями глаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильно определять положение предмета. Когда предметы находятся очень далеко, то оси глаз располагаются параллельно, и человек не может даже определить, движется предмет или нет, на который он смотрит. Некоторую роль в определении положения тел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик при рассматривании предметов, расположенных недалеко от человека.

 

Дефекты зрения

Близорукость.

В том случае, если расстояние между сетчатой оболочкой и хрусталиком ненормально велико или хрусталик настолько закруглён и толст, что его фокусное расстояние ненормально мало, изображение удалённого предмета попадает перед сетчатой оболочкой (рис. 4). Этот дефект глаза очень распространён и называется близорукостью или миопией. Близорукость – это такой дефект глаза, который чрезвычайно распространён среди школьников и студентов. Согласно данным специалистов каждые 3 новорождённых из 100 обладают этим дефектом; в начальной школе число близоруких составляет примерно 10 из 100; в средней школе число близоруких достигает 24%, а в колледже – 31%. Среди диких племён, живущих и работающих большей частью на открытом воздухе, близорукость почти неизвестна. Точно также среди фермеров и лиц, работающих на открытом воздухе, очень малое количество страдает от близорукости, если только они не приобрели её в школе или при работе с близкими объектами.

Причиной близорукости в большинстве случаев является, по-видимому, то, что в детстве глаз легко деформируется. При работе с близкими предметами глазное яблоко “привыкает” удлиняться на столько, что хрусталик уже теряет способность сплющиваться для фокусирования изображения удалённого предмета на сетчатой оболочке без избыточного напряжения. Сравните длину близорукого глаза на рис. 4 с длиной дальнозоркого на рис. 5.

 

Испытание на близорукость.

Один из видов проверки на миопию делается при помощи таблицы Снеллена. Таблица Снеллена в уменьшенном виде изображена на рис. 5. При нормальном зрении можно читать седьмую строчку хорошо освещённой таблицы стандартных размеров каждым глазом в отдельности с расстоянием в 50 см. Неспособность сделать это не обязательно свидетельствует о близорукости, так как эта непосредственность может быть вызвана другой причиной. Но если отрицательная (рассеивающая) сферическая линза улучшает видимость (при этом нужно начать с линзы малой оптической силы и постепенно увеличивать силу линзы), то можно предположить наличие близорукости.

Близорукость можно исправить, но не вылечить, при помощи очков. В этом случае применяются рассеивающие сферические линзы (рис. 4.с). Эта линза рассеивает параллельные световые волновые лучи, исходящие от удалённых предметов в достаточной степени для того, чтобы изображение попало на сетчатую оболочку дальше того места, где оно находилось бы без применения очков.

 

 

Гиперопия, или дальнозоркость.

 Если расстояние между сетчатой оболочкой и хрусталиком ненормально мало или если хрусталик ненормально тонок и сплющен, так что фокусное расстояние его ненормально велико, то изображение близких предметов оказывается за сетчатой оболочкой (рис.6). Следовательно, близкие предметы не могут быть видимы без напряжения глаза.

Если вы только дальнозорки и не имеете никаких других недостатков зрения, то вы легко прочтёте 9-ю строчку таблицы Снеллена, но ваша ближняя точка может оказаться дальше своего нормального положения.

Для исправления гиперопии следует уменьшать расстояние изображения для близких предметов. Это требует применения собирательной (положительной) линзы соответствующей оптической силы

Астигматизм.

Обычно поверхность роговой оболочки – несколько выступающей передней части глазного яблока – и поверхность хрусталика являются частями почти идеальной сфер. Однако нередко кривизна одной или обеих этих поверхностей оказывается большей в одной плоскости, чем в какой – либо другой. Этот дефект, в результате которого получается нечёткое зрение, называется астигматизмом.

Астигматизм может причинить головные боли и создавать расплывчатость, в особенности, если читать длительное время подряд. Астигматизм исправляется цилиндрической линзой вместо сферической. Отметьте, в частности, что направление кривизны линзы очков должно совпадать с соответствующей кривизной глазного хрусталика. Следовательно, если астигматическая линза меняет своё положение относительно глаза, необходимо принять меры, чтобы вернуть её на место, так как совершенно необходимо, чтобы соответствующие кривизны совпадали.

 

Оптические приборы, вооружающие глаз

Очки

Кто изобрел увеличительное стекло?

Если оставить в стороне отрывочные данные, которые восходят еще к античным временам, то увеличительные стекла стали объектом научного рассмотрения уже в эпоху раннего средневековья. Еще Альхазен исследовал увеличение, создаваемое стеклянной сферой, рассматривая его как оптическую иллюзию. Позже появились очки, которые не могли быть результатом теоретического рассмотрения, ибо нельзя себе представить, чтобы при средневековой теории зрения можно было даже прийти к мысли о возможности исправления его дефектов. Открытие это было, вероятно, случайным, и вполне вероятно допустить, что его автором является кто-то из изготовителей стекла.

То, что это открытие было сделано ремесленниками, подтверждается и народным происхождением слова "lente" (линза) от слова "lenticchia" (чечевица), которое ученые XVI века решили несколько облагородить, латинизировав его.

Впервые линзы для целей науки применил Бэкон. Известно, что он использовал их во многих опытах и даже поднес одну папе Клименту IV, прося его попробовать применить ее. Бэкон избегает специального названия и говорит о «приспособлении». Даже в XVI веке Иероним Кардан, всегда туманно изъясняющийся латинист, называет линзы "orbem e vitro" – выражение, которое его французский переводчик то ли не понял, то ли не смог правильно выразить по-французски и прямо перевел "rotondite faite du verre" (округлость, сделанная из стекла).

В течение трех веков после Бэкона в трудах ученых нельзя было отыскать упоминания об «очках для старых», как назывались двояковыпуклые стекла, или «очках для молодых» – двояковогнутых стеклах для коррекции близорукости.

Двояковогнутые стекла появились, очевидно, позже двояковыпуклых и тоже, видимо, случайно были изобретены мастерами-стекольщиками или явились результатом элементарного рассуждения: если выпуклые стекла помогают зрению стариков, то вогнутые должны, наоборот, помогать зрению молодых. К середине XIV века очки уже получили достаточно широкое распространение – на фреске 1352 г. изображен монах в очках.

В 1743 г. французский естествоиспытатель Бюффон Жорж Луи Леклерк предложил окклюзию (лат. occlusio – запирание, скрывание) здорового глаза с целью исправления косоглазия и восстановления остроты зрения больного глаза. Этим методом пользуются и сейчас.

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 оптического центра. 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 действительное, уменьшенное и обратное. Угол φ, под которым виден предмет S₁S₂ из оптического центра О, называется углом зрения.

Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их изображение на сетчатке попадают в один и тот же элемент, воспринимаются глазом, как одна точка. Минимальный угол зрения, под которым две светящихся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом ещё 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 см от глаза. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол разрешения повышается и может дойти до 1º.

Рис. 11. Коррекция изображения рассматриваемых предметов: а - угол зрения φ = S1' S2' / h = S1 S2 / D; б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке; N = b' / b = φ' / φ .

Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем

возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить 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 большим углом зрения и могут лучше различать мелкие детали.

Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие большие группы.