Темы кодификатора ЕГЭ: оптические приборы.

Как мы знаем из предыдущей темы , для более подробного разглядывания объекта нужно увеличить угол зрения. Тогда изображение объекта на сетчатке будет крупнее, и это приведёт к раздражению большего числа нервных окончаний зрительного нерва; в мозг направится большее количество визуальной информации, и мы сможем увидеть новые детали рассматриваемого объекта.

Почему угол зрения бывает малым? На то есть две причины: 1) объект сам по себе имеет малый размер; 2) объект, хотя и достаточно велик по размерам, но расположен далеко.

Оптические приборы - это приспособления для увеличения угла зрения. Для рассматривания малых объектов используются лупа и микроскоп. Для рассматривания далёких объектов применяются зрительные трубы (а также бинокли, телескопы и т. д.)

Невооружённый глаз.

Начинаем с рассматривания мелких объектов невооружённым глазом. Здесь и далее глаз считается нормальным. Напомним, что нормальный глаз в ненапряжённом состоянии фокусирует на сетчатке параллельный пучок света, а расстояние наилучшего зрения для нормального глаза равно см.

Пусть небольшой предмет размером находится на расстоянии наилучшего зрения от глаза (рис. 1 ). На сетчатке возникает перевёрнутое изображение предмета, но, как вы помните, это изображение затем вторично переворачивается в коре головного мозга, и в результате мы видим предмет нормально - не вверх ногами.

Ввиду малости предмета угол зрения также является малым. Напомним, что малый угол (в радианах) почти не отличается от своего тангенса: . Поэтому:

. (1)

Если r расстояние от оптического центра глаза до сетчатки, то размер изображения на сетчатке будет равен:

. (2)

Из (1) и (2) имеем также:

. (3)

Как известно, диаметр глаза составляет около 2,5 см, так что . Поэтому из (3) следует, что при рассматривании мелкого предмета невооружённым глазом изображение предмета на сетчатке примерно в 10 раз меньше самого предмета.

Лупа.

Укрупнить изображение объекта на сетчатке можно с помощью лупы (увеличительного стекла).

Лупа - это просто собирающая линза (или система линз); фокусное расстояние лупы обычно находится в диапазоне от 5 до 125 мм. Предмет, разглядываемый через лупу, помещается в её фокальной плоскости (рис. 2 ). В таком случае лучи, исходящие из каждой точки предмета, после прохождения лупы становятся параллельными, и глаз фокусирует их на сетчатке, не испытывая напряжения.

Теперь, как видим, угол зрения равен . Он также мал и приблизительно равен своему тангенсу:

. (4)

Размер l изображения на сетчатке теперь равен:

. (5)

или, с учётом (4) :

. (6)

Как и на рис. 1, красная стрелочка на сетчатке также направлена вниз. Это означает, что (с учётом вторичного переворачивания изображения нашим сознанием) в лупу мы видим неперевёрнутое изображение предмета.

Увеличение лупы - это отношение размера изображения при использовании лупы к размеру изображения при рассматривании предмета невооружённым глазом:

. (7)

Подставляя сюда выражения (6) и (3) , получим:

. (8)

Например, если фокусное расстояние лупы равно 5 см, то её увеличение . При рассматривании через такую лупу объект кажется в пять раз больше, чем при рассматривании его невооружённым глазом.
Подставим также в формулу (7) соотношения (5) и (2) :

Таким образом, увеличение лупы есть угловое увеличение: оно равно отношению угла зрения при рассматривании объекта через лупу к углу зрения при рассматривании этого объекта невооружённым глазом.

Отметим, что увеличение лупы есть величина субъективная - ведь величина в формуле (8) есть расстояние наилучшего зрения для нормального глаза. В случае близорукого или дальнозоркого глаза расстояние наилучшего зрения будет соответственно меньше или больше.

Из формулы (8) следует, что увеличение лупы тем больше, чем меньше её фокусное расстояние. Уменьшение фокусного расстояния собирающей линзы достигается за счёт увеличения кривизны преломляющих поверхностей: линзу надо делать более выпуклой и тем самым уменьшать её размеры. Когда увеличение достигает 40–50, размер лупы становится равным нескольким миллиметрам. При ещё меньших размерах лупы пользоваться ей станет невозможно, поэтому считается верхней границей увеличения лупы.

Микроскоп.

Во многих случаях (например, в биологии, медицине и т. д.) нужно наблюдать мелкие объекты с увеличением в несколько сотен. Лупой тут не обойдёшься, и люди прибегают к помощи микроскопа.

Микроскоп содержит две собирающие линзы (или две системы таких линз) - объектив и окуляр. Запомнить это просто: объектив обращён к объекту, а окуляр - к глазу (к оку).

Идея микроскопа проста. Рассматриваемый объект находится между фокусом и двойным фокусом объектива, так что объектив даёт увеличенное (действительное перевёрнутое) изображение объекта. Это изображение располагается в фокальной плоскости окуляра и затем рассматривается в окуляр как в лупу. В результате удаётся достичь итогового увеличения, гораздо большего 50.

Ход лучей в микроскопе показан на рис. 3 .

Обозначения на рисунке понятны: - фокусное расстояние объектива - фокусное расстояние окуляра - размер объекта; - размер изображения объекта, даваемого объективом. Расстояние между фокальными плоскостями объектива и окуляра называется оптической длиной тубуса микроскопа.

Обратите внимание, что красная стрелочка на сетчатке направлена вверх. Мозг вторично перевернёт её, и в результате объект при рассмотрении в микроскоп будет казаться перевёрнутым. Чтобы этого не происходило, в микроскопе используются промежуточные линзы, дополнительно переворачивающие изображение.

Увеличение микроскопа определяется точно так же, как и для лупы: . Здесь, как и выше, и - размер изображения на сетчатке и угол зрения при рассматривании объекта в микроскоп, и - те же величины при рассматривании объекта невооружённым глазом.

Имеем по-прежнему , а угол , как видно из рис. 3 , равен:

Деля на , получим для увеличения микроскопа:

. (9)

Это, разумеется, не окончательная формула: в ней присутствуют и (величины, относящиеся к объекту), а хотелось бы видеть характеристики микроскопа. Ненужное нам отношение мы устраним с помощью формулы линзы.
Для начала ещё раз посмотрим на рис. 3 и используем подобие прямоугольных треугольников с красными катетами и :

Здесь - расстояние от изображения до объектива, - a - расстояние от объекта h до объектива. Теперь привлекаем формулу линзы для объектива:

из которой получаем:

и это выражение мы подставляем в (9) :

. (10)

Вот это и есть окончательное выражение для увеличения, даваемого микроскопом. Например, если фокусное расстояние объектива равно см, фокусное расстояние окуляра , а оптическая длина тубуса см, то согласно формуле (10)

Сравните это с увеличением одного только объектива, которое вычисляется по формуле (8) :

Увеличение микроскопа в 10 раз больше!

Теперь мы переходим к объектам, которые достаточно крупны, но находятся слишком далеко от нас. Чтобы рассматривать их получше, применяются зрительные трубы - подзорные трубы, бинокли, телескопы и т. д.

Объективом зрительной трубы служит собирающая линза (или система линз) с достаточно большим фокусным расстоянием. А вот окуляром может быть как собирающая, так и рассеивающая линза. Соответственно имеются два вида зрительных труб:

Труба Кеплера - если окуляр является собирающей линзой;
-труба Галилея - если окуляр является рассеивающей линзой.

Рассмотрим подробнее, как работают эти зрительные трубы.

Труба Кеплера.

Принцип действия трубы Кеплера очень прост: объектив даёт изображение удалённого обекта в своей фокальной плоскости, а затем это изображение рассматривается в окуляр как в лупу. Таким образом, задняя фокальная плоскость объектива совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра.

Ход лучей в трубе Кеплера изображён на рис. 4 .

Рис. 4

Объектом служит далеко расположенная стрелка , направленная вертикально вверх; она не показана на рисунке. Луч из точки идёт вдоль главной оптической оси объектива и окуляра. Из точки идут два луча, которые ввиду удалённости объекта можно считать параллельными.

В результате изображение нашего объекта, даваемое объективом, расположено в фокальной плоскости объектива и является действительным, перевёрнутым и уменьшенным. Размер изображения обозначим .

Невооружённым глазом объект виден под углом . Согласно рис. 4 :

, (11)

где - фокусное расстояние объектива.

Изображение объекта мы видим в окуляр под углом , который равен:

, (12)

где - фокусное расстояние окуляра.

Увеличение зрительной трубы - это отношение угла зрения при наблюдении в трубу к углу зрения при наблюдении невооружённым глазом:

Согласно формулам (12) и (11) получаем:

(13)

Например, если фокусное расстояние объектива равно 1 м, а фокусное расстояние окуляра равно 2 см, то увеличение зрительной трубы окажется равным: .

Ход лучей в трубе Кеплера принципиально тот же, что и в микроскопе. Изображением объекта на сетчатке также будет стрелочка, направленная вверх, и поэтому в трубе Кеплера мы увидим объект перевёрнутым. Во избежании этого в пространстве между объективом и окуляром ставят специальные оборачивающие системы линз или призм, которые ещё раз переворачивают изображение.

Труба Галилея.

Галилей изобрёл свой телескоп в 1609 году, и его астрономические открытия потрясли современников. Он обнаружил спутники Юпитера и фазы Венеры, разглядел лунный рельеф (горы, впадины, долины) и пятна на Солнце, а сплошной с виду Млечный Путь оказался скоплением звёзд.

Окуляром трубы Галилея служит рассеивающая линза; задняя фокальная плоскость объектива совпадает с задней фокальной плоскостью окуляра (рис. 5 ).

Рис. 5.

Если бы окуляра не было, то изображение удалённой стрелки находилось бы в
фокальной плоскости объектива. На рисунке это изображение показано пунктиром - ведь в реальности его там нет!

А нет его там потому, что лучи от точки , которые после прохождения объектива стали сходящимися к точке , не доходят до и попадают на окуляр. После окуляра они вновь становятся параллельными и поэтому воспринимаются глазом без напряжения. Но теперь мы видим изображение объекта под углом , который больше угла зрения при рассматривании объекта невооружённым глазом.

Из рис. 5 имеем

и для увеличения трубы Галилея мы получаем ту же формулу (13) , что и для трубы Кеплера:

Заметьте, что при том же увеличении труба Галилея меньше размером, чем труба Кеплера. Поэтому одно из основных применений трубы Галилея - театральные бинокли.

В отличие от микроскопа и трубы Кеплера, в трубе Галилея мы видим объекты неперевёрнутыми. Почему?

Оптические приборы вооружающие глаз Приборы для рассматривания мелких объектов (лупы, и микроскопы) Приборы для рассматривания далеких объектов (зрительные трубы, телескопы, бинокли и т. п.) Изображения рассматриваемых предметов являются мнимыми. Uchim.net

Микроскоп Микроскоп представляет собой комбинацию двух линз или систем линз. Линза О 1, обращенная к предмету называется объективом (дает действительное увеличение изображения предмета). Линза О 2 – окуляр. Предмет помещают между фокусом объектива и точкой, находящейся на двойном фокусном расстоянии. Окуляр размещают так, чтобы изображение совпадало с фокальной плоскостью окуляра. Увеличением микроскопа называется отношение угла зрения φ, под которым виден предмет при наблюдении через микроскоп, к углу зрения ψ при наблюдении невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения d 0 =25 см. Uchim.net

Труба Кеплера Иоганн Кеплер (1571 – 1630) В 1613 г. была изготовлена Кристофом Шайнером по схеме Кеплера. Объектив – длиннофокусная линза, дающая действительное уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Изображение удаленного предмета получается в фокальной плоскости объектива. Окуляр находится от этого изображения на своем фокусном расстоянии. Uchim.net

Бинокль Бинокль представляет собой две зрительные трубы, соединенные вместе для наблюдения предмета двумя глазами. Призменный бинокль. Для уменьшения размеров применяемых в бинокле труб Кеплера и переворачивания изображения используются прямоугольные призмы полного отражения. Uchim.net

Труба Галилея Галилео Галилей () Галилей в 1609 году конструирует собственноручно первый телескоп. Лучи, идущие от предмета, проходят через собирающую линзу и становятся сходящимися (дали бы перевернутое, уменьшенное изображение). Затем они попадают на рассеивающую линзу и становятся расходящимися. Они дают мнимое, прямое, увеличенное изображение предмета. С помощью своей трубы с 30-кратным увеличением Галилей сделал ряд астрономических открытий: Обнаружил горы на Луне, пятна на Солнце, открыл четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, установил, что Млечный Путь состоит из множества звезд. В наше время в основном применяются в театральных биноклях. Uchim.net

Телескопы Телескоп - оптическое устройство представляет собой мощную зрительную трубу, предназначенную для наблюдения весьма удаленных объектов – небесных светил. Телескоп – это оптическая система, которая, «выхватывая» из пространства небольшую область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку (фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), которая одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в параллельные. Линзовый телескоп совершенствовался. Чтобы улучшить качество изображения, астрономы использовали новейшие технологии стекловарения, а также увеличивали фокусное расстояние телескопов, что, естественно приводило к увеличению и их физических размеров (например, в конце XVIII века длина телескопа Яна Гевелия достигала 46 м). Uchim.net

Стремясь усовершенствовать конструкцию телескопа таким образом, чтобы добиться максимально высокого качества изображения, ученые создали несколько оптических схем, использующих как линзы, так и зеркала. Среди таких телескопов наибольшее распространение получили катадиоптрические системы Ньютона. По типу элемента, используемого для сбора световых лучей в фокусе, все современные потребительские телескопы подразделяются на линзовые (рефракторы), зеркальные (рефлекторы) и зеркально-линзовые (катадиоптрические). Телескопы по типу элемента, используемого для сбора световых лучей в фокусе рефракторы (линзовые) рефлекторы (зеркальные) катадиоптрические (зеркально - линзовые) Uchim.net

Линзовые телескопы (рефракторы) Преимущества: закрытая труба телескопа предотвращает проникновение внутрь трубы пыли и влаги, которые оказывают негативное воздействие на полезные свойства телескопа. Просты в обслуживании и эксплуатации – положение их линз зафиксировано в заводских условиях, что избавляет пользователя от необходимости самостоятельно производить юстировку, то есть тонкую подстройку. отсутствует центральное экранирование, которое уменьшает количество поступающего света и ведет к искажению дифракционной картины. Недостатки: хроматическая аберрация. Uchim.net

Зеркальные телескопы (рефлекторы) Преимущества: Объектив – параболическое зеркало большого диаметра лишено хроматической аберрации. менее дороги в производстве: в конструкции рефлектора присутствуют всего две нуждающиеся в полировке и специальных покрытиях поверхности. Минусы: большую длину трубы, делающую телескоп более уязвимым к колебаниям. сложное обслуживание, предполагающее регулярную юстировку каждого зеркала. Uchim.net

Простые оптические приборы.

Лупа

Одним из простейших оптических приборов является лупа - собирающая линза, предназначенная для рассматривания увеличенных изображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, а предмет помещают между линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета. Удобнее всего рассматривать предмет через лупу совершенно ненапряженным глазом, аккомодированным на бесконечность. Для этого предмет помещают в главной фокальной плоскости линзы так, что лучи, выходящие из каждой точки предмета, образуют за линзой параллельные пучки. На рисунке изображено два таких пучка, идущих от краев предмета. Попадая в аккомодированный на бесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируются на ретине и дают здесь отчетливое изображение предмета.

Простейшим прибором для визуальных наблюдений является лупа. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием . Лупу располагают близко к глазу, а рассматриваемый предмет - в ее фокальной плоскости. Предмет виден через лупу под углом.

где h - размер предмета. При рассматривании этого же предмета невооруженным глазом его следует расположить на расстоянии наилучшего зрения нормального глаза. Предмет будет виден под углом

Отсюда следует, что угловое увеличение лупы равно

Линза с фокусным расстоянием 10 см дает увеличение в 2,5 раза.

Рис 3. 1 Действие лупы: а - предмет рассматривается невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения ; б - предмет рассматривается через лупу с фокусным расстоянием F.

Угловое увеличение

Глаз находится очень близко к линзе, поэтому за угол зрения можно принять угол 2β, образованный лучами, идущими от краев предмета через оптический центр линзы. Если бы лупы не было, нам пришлось бы поставить предмет на расстоянии наилучшего зрения (25 см) от глаза и угол зрения был бы равен 2γ. Рассматривая прямоугольные треугольники с катетами 25 см и F см и обозначая половину предмета Z, можем написать:

(3.4)

2β - угол зрения, при наблюдении через лупу;

2γ - угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;

F - расстояние от предмета до лупы;

Z - половина длины рассматриваемого предмета.

Принимая во внимание, что через лупу рассматривают обычно мелкие детали (а следовательно, углы γ и β малы), можно тангенсы заменить углами. Таким образом, получится следующее выражение для увеличения лупы:

Следовательно, увеличение лупы пропорционально , то есть её оптической силе.

3.2 Микроскоп.

Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз - объектива O1 и окуляра O2 (рис. 3.2). Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.

Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.

Как следует из рис. 3.2, угол зрения φ предмета, рассматриваемого через окуляр в приближении малых углов

Приближенно можно положить d ≈ F1 и f ≈ l, где l - расстояние между объективом и окуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предмета невооруженным глазом

В результате формула для углового увеличения γ микроскопа приобретает вид

Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.

У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.

Телескоп

Телескопы (зрительные трубы) предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз - обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двух типов:

1) Зрительная труба Кеплера , предназначенная для астрономических наблюдений. Она дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтому неудобна для земных наблюдений.

2) Зрительная труба Галилея , предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямые изображения. Окуляром в трубе Галилея служит рассеивающая линза.

На рис. 15 изображен ход лучей в астрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, поэтому лучи от каждой точки удаленного предмета выходят из окуляра параллельным пучком. Такой ход лучей называется телескопическим. В астрономической трубе телескопический ход лучей достигается при условии, что расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний .

Зрительную трубу (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением γ. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом ψ, а при наблюдении через телескоп под углом φ, то угловым увеличением называют отношение

Угловому увеличению γ, как и линейному увеличению Γ, можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубы Кеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.

Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусные расстояния:

В качестве объектива в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматической аберрацией.

В России построен самый большой в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м. Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.

Разберем схему и принцип работы некоторых широко распространенных оптических приборов.

Фотоаппарат

Фотоаппарат - прибор, важнейшей частью которого является собирательная система линз - объектив. При обычном любительском фотографировании предмет расположен за двойным фокусным расстоянием, поэтому изображение будет между фокусом и двойным фокусным расстоянием, действительное, уменьшенное, перевернутое (рис. 16).

Рис 3. 4

На место этого изображения помещается фотопленка или фотопластинка (покрытые светочувствительной эмульсией, содержащей бромистое серебро), на некоторое время открывается объектив - пленка экспонируется. На ней появляется скрытое изображение. Попадая в специальной раствор - проявитель, «засвеченные» молекулы бромистого серебра распадаются, бром уносится в раствор, а серебро выделяется в виде темного налета на засвеченных частях пластинки или пленки; чем больше света попало при экспозиции на данное место пленки, тем темнее оно станет. После проявления и промывания необходимо изображение закрепить, для чего его помещают в раствор - закрепитель, в котором растворяется и уносится с негатива не засвеченное бромистое серебро. Получается изображение того, что было перед объективом, с перестановкой оттенков - светлые части стали темными и наоборот (негатив).

Для получения фотографии - позитива - необходимо через негатив осветить на некоторое время фотобумагу, покрытую таким же бромистым серебром. После ее проявления и закрепления получится негатив с негатива, т. е. позитив, в котором светлые и темные части будут соответствовать светлым и темным частям предмета.

Для получения качественного изображения большое значение имеет наводка на резкость - совмещение изображения и пленки или пластинки. Для этого у старых фотоаппаратов делалась подвижной задняя стенка, вместо светочувствительной пластинки вставлялась матовая стеклянная; двигая последнюю, на глаз устанавливали резкое изображение. Затем заменяли стеклянную пластинку светочувствительной и производили фотосъемку.

В современных фотоаппаратах для наводки на резкость используется выдвижной объектив, связанный с дальномером. При этом неизменными остаются все величины, входящие в формулу линзы, изменяются расстояние между объективом и пленкой до совпадения с f. Для увеличения глубины резкости - расстояний вдоль главной оптической оси, на которых предметы изображаются резко, - диафрагмируют объектив, т. е. уменьшают его отверстие. Но это уменьшают количество света, попадающее в аппарат, и увеличивает время необходимой экспозиции.

Освещенность изображения, для которого источником света является объектив, прямо пропорциональна площади его отверстия, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату диаметра d2. Освещенность также обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до изображения, в нашем случае почти квадрату фокусного расстояния F. Итак, освещенность пропорционально дроби , которую называют светосилой объектива. Корень квадратный из светосилы называют относительным отверстием и обычно указывают на объективе в виде надписи: . Современные фотоаппараты снабжаются целым рядом приспособлений, облегчающих труд фотографа и расширяющих его возможности (автозапуск, набор объективов с разными фокусными расстояниям, экспонометры, в том числе автоматические, автоматическая или полуавтоматическая наводка на резкость и т.д.). Широко распространена цветная фотография. В процессе освоения - фотография объемная.

Глаз

Человеческий глаз с оптической точки зрения представляет собой такой же фотоаппарат. Такое же (действительное, уменьшенное, перевернутое) изображение создается на задней стенке глаза - на светочувствительном желтом пятне, в котором сосредоточены особые окончание зрительных нервов - колбочки и палочки. Их раздражение светом передается нервам в мозг и вызывает ощущение видения. У глаза есть объектив - хрусталик, диафрагма - зрачок, даже крышка объектива веко. Во многих отношениях глаз совершеннее современных фотоаппаратов. Он автоматически наводится на резкость - измерением кривизны хрусталика под действием глазных мускулов, т. е. изменением фокусного расстояния. Автоматически диафрагмируются - сужением зрачка при переходе из темного помещения в светлое. Глаз дает цветное изображение, «запоминает» зрительные образы. Вообще, биологи и медики пришли к выводу, что глаз - вынесенная на периферию часть мозга.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение. Экспериментально доказано, сто при видении одним глазом картина с 10 м кажется плоской (при базе - расстояние между крайними точками зрачка, - равной диаметру зрачка). Глядя двумя глазами, мы видим плоской картину с 500 м (база - расстояние между оптическими центрами хрусталиков), т. е. можем на глаз определить размеры предметов, какой и на сколько ближе или дальше.

Для увеличения этой способности надо увеличить базу, это осуществляется в призматическом бинокле и в разного рода дальномерах (рис. 3.5).

Но, как все на свете, даже такое совершенное создание природы, как глаз, не лишено недостатков. Во-первых, глаз реагирует только на видимый свет (и при этом с помощью зрения мы воспринимаем до 90% всей информации). Во-вторых, глаз подвержен многим заболеваниям, самым распространенным из которых является близорукость - лучи сводятся ближе сетчатки (рис. 3.6) и дальнозоркость - резкое изображение за сетчаткой (рис. 3.7).

В обоих случаях на сетчатке создается нерезкое изображение. Оптика позволяет помочь этим недугам. В случае близорукости надо подобрать очки с вогнутыми линзами соответствующей оптической силы. При дальнозоркости, наоборот, надо помочь глазу свести лучи на сетчатке, очки должны быть выпуклыми и тоже соответствующей оптической силы.

Рис. 7. Горизонтальный разрез правого глаза

Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка ) является диафрагмой,

ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболоч-

ке (зрачок ) свет проникает в глаз. В зависимости от величины падающего свето-

вого потока диаметр зрачка может изменяется от 1 до 8 мм.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, кото-

рая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает измене-

ние формы хрусталика. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю ка-

меру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой , представ-

ляющей собой светочувствительный слой. Сетчатка состоит из слоя светочувст-

вительных клеток – фоторецепторов, которые бывают двух видов: колбочки ипалочки . Палочки обладают большей чувствительностью к свету, но не чувст-

вительны к цвету. Колбочки же чувствительны к цветам, но зато менее воспри-

имчивы к свету и поэтому считаются аппаратом дневного зрения. Палочек мно-

го – около 130 миллионов, и расположены они по всей сетчатке кроме самого центра. Благодаря им человек видит предметы даже на самых окраинах поля

зрения, в том числе при низкой освещенности. Колбочек около 7 миллионов и расположены они, в основном, в центре сетчатки, в так называемом "желтом пятне", часть которого состоит из одних колбочек. Главный луч зрения всегда проходит по оси: центр желтого пятна – центр хрусталика – рассматриваемый предмет. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, на-

зывается зрительной осью . Она отклонена от оптической оси глаза на угол око-

ло 5°. Желтое пятно – это место дневного зрения и наилучшего цветового вос-

и все больше палочек.

В сумерках работают палочки. Ночью намного лучше человек видит пред-

меты, изображение которых оказывается на боковых участках сетчатки, т.е. ко-

гда глаз не смотрит прямо на предмет, который нужно увидеть. Существует три типа колбочек разделенных по наибольшей чувствительности к трем основным цветам видимого спектра: красно-оранжевому; зеленому; синему.

Получаемое светочувствительными элементами сетчатки раздражение пе-

редается волокнам зрительного нерва и по ним достигает зрительных центров мозга. Между сетчаткой и склерой находится тонкаясосудистая оболочка , со-

стоящая из сети кровеносных сосудов, питающих глаз. Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно под желтым пятном.

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней действительное, перевернутое и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринима-

ется как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело (рис. 8). Особенностью этой системы явля-

ется то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образо-

ванием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Рис. 8. Оптическая система глаза

Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности – роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хруста-

лика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

Аккомодация – это способность глаза изменять фокусное расстояние, т. е.

приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза. Аккомодация происходит путем изменения кривизны по-

верхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного те-

ла. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кри-

визны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под дей-

ствием упругих сил увеличивает свою кривизну. В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются ясные изображения беско-

нечно удаленных предметов, а при наибольшей аккомодации видны самые близ-

кие предметы.

Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сет-

чатке для ненапряженного глаза, называют дальней точкой глаза . Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке при наиболь-

шем возможном напряжении глаза, называют ближней точкой глаза .

При аккомодации глаза на бесконечность задний фокус совпадает с сет-

чаткой. При наибольшем напряжении на сетчатке получается изображение предмета, находящегося на расстоянии около 9 см от глаза. С возрастом способ-

ность глаза к аккомодации постепенно уменьшается. В возрасте 20 лет для сред-

него глаза ближняя точка находится на расстоянии около 10 см (диапазон акко-

модации 10 дптр), в 50 лет ближняя точка располагается на расстоянии уже око-

ло 40 см (диапазон аккомодации 2,5 дптр), а к 60 годам уходит на бесконечность,

то есть аккомодация прекращается. Это явление называется возрастной дально-

зоркостью или пресбиопией.

Расстояние наилучшего зрения – это расстояние, на котором нормаль-

ный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета. В среднем расстояние наилучшего зрения составляет около 25-30 см,

хотя для каждого человека оно может быть индивидуальным. Для близорукого

чать мелкие детали.
Глаз плохо распознает детали предмета, которые он		видит под углом
менее 1" (1 минута). Это – угол, под которым виден отрезок, длина			которого
1 см на расстоянии 34 м от глаза. При	плохом освещении (в сумерках) мини-
мальный угол разрешения повышается и может дойти до 1°.
Самыми распространенными	нарушениями
ся близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Рис. 9. Изображение предмета при близорукости

Рис. 10. Изображение предмета при дальнозоркости

У близоруких людей изображение фокусируется перед сетчаткой (рис. 9).

У такого человека обычно либо увеличенное расстояние от роговицы до сетчат-

ки, либо радиус кривизны роговицы слишком маленький, либо сочетание этих двух моментов. Для исправления близорукости используют очки с отрицатель-

ными диоптриями.

У людей страдающих дальнозоркостью изображение формируется уже за сетчаткой (рис. 10). В этом случае, наоборот, либо у человека маленькое рас-

стояние между роговицей и сетчаткой, либо сама роговица слишком плоская и слабо преломляет световые лучи. Дальнозоркость исправляется собирающими линзами.

Астигматизм вызван, чаще всего, неравномерностью кривизны роговицы,

ее передняя поверхность представляет собой не поверхность шара, где все ра-

диусы равны, а отрезок вращающегося эллипсоида, где каждый радиус имеет свою длину. В этом случае изображение предмета при прохождении световых

лучей через такую роговицу на сетчатке появляется не в виде точки, а в виде от-

резка прямой, при этом человек видит изображение искажённым - одни линии чёткие, другие - размытые.

Оптическая сила глаза в очках определяется формулой:

Микроскоп, его основные части.

Устройство микроскопа

Микроскоп (от лат. Micros – малый и Scopein – рассматривать, наблюдать)

позволяет получать увеличенное изображение объектов и их структуры, недос-

тупных глазу человека. В практике медико-биологических исследований приме-

няются методы световой и электронной микроскопии. Световые микроскопы мо-

гут увеличивать объект размером от 0,5 мкм с разрешением элементов объекта

до 0,1 мкм более чем в 1500 раз, а электронные микроскопы – в 20 000 раз.

Световая микроскопия основывается на законах геометрической оптики

и волновой теории образования изображения. В качестве освещения использу-

ются естественный или искусственные источники света.

Простые микроскопы появились в XVII веке. Больших успехов в их изго-

товлении добился голландский ученый А. Левенгук. В 1609 –1610 гг. сложный микроскоп был построен Г. Галилеем (1564 – 1642). В 1846 г. немецкий механик

Карл Цейс (1816 – 1888) открыл мастерскую и через год приступил

к изготовлению микроскопов. Карл Цейс успешно использовал в деятельности своей фирмы открытия профессора физики Эрнста Аббе. Теоретические и практические работы Эрнста Аббе (1840 –1905), Отто Шотта (1851 –1935) и

Августа Келера (1866 –1948) определили направление развития и принципы по-

строения оптических систем современных микроскопов.

Приближая предмет к глазу, человек увеличивает угол зрения и, следова-

тельно, получает возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить предмет 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. Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По сво-

ему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие две большие группы.

1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа,

микроскоп).

2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов

(зрительная труба, бинокль, телескоп и т. п.).

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибо-

ра размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Микроскоп имеет, как минимум, две ступени увеличе-

ния. Функциональные и конструктивно-технологические части микроскопа предназначены для обеспечения работы микроскопа и получения устойчивого,

максимально точного, увеличенного изображения объекта.

Рассмотрим ход лучей в микроскопе, объективом и окуляром которого яв-

ляются собирающие линзы (рис. 11). При этом объектив представляет собой ко-

роткофокусную линзу с фокусом f 1 , а окуляр – длиннофокусную линзу с фоку-

сом f 2 .

Рис. 11. Ход лучей в микроскопе

Предмет АВ помещается на расстоянии большем, чем фокусное от объек-

тива. Действительное, увеличенное и перевернутое изображение А1 В1 оказыва-

ется на расстоянии, немного меньшем f 2 от окуляра. Это изображение рассмат-

ривается в окуляр как в лупу. В результате получается мнимое, увеличенное,

перевернутое изображение А2 В2 . Это изображение расположено на расстоянииL ,

которое является расстоянием ясного зрения (L 25 см).

Общее увеличение микроскопа Г равно произведению увеличения объек-

тива и окуляра:

где l – оптическая длина тубуса микроскопа, L – расстояние ясного зрения,f 1 – фокусное расстояние объектива,f 2 – фокусное расстояние окуляра.

Оптическая система микроскопа делится на 3 функциональные части:

1. Осветительная часть предназначена для создания светового потока, ко-

торый позволяет осветить объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа предельно точно выполняли свои функции. Осветительная часть микроскопа проходящего света расположена перед объектом под объективом в

прямых микроскопах (например, биологические (рис. 12), поляризационные и др.) и перед объектом над объективом в инвертированных. Осветительная часть конструкции микроскопа включает источник света (зеркало, лампа и электриче-

ский блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор,

диафрагмы).

2. Воспроизводящая часть предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микро-

скопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).

Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположе-

на после объекта до плоскости изображения микроскопа и состоит из объектива

и промежуточной оптической системы.

3. Визуализирующая часть предназначена для получения реального изо-

бражения объекта на сетчатке глаза, фотоплёнке или пластинке, на экране теле-

визионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вто-

рая ступень увеличения). Визуализирующая часть включает монокулярную или бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной сис-

темной. Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличе-

ния; проекционные насадки; рисовальные аппараты; системы анализа и доку-

ментирования изображения с соответствующими адаптерами для цифровых ка-

Методы микроскопии

Микроскопия – изучение объектов с использованием микроскопа. Она подразделяется на несколько видов: оптическая микроскопия, электронная мик-

роскопия, рентгеновская или рентгеновская лазерная микроскопия, отличаю-

щиеся использованием электромагнитных лучей с возможностью рассмотрения и получения изображений микроэлементов вещества в зависимости от разре-

шающей способности приборов (микроскопов).

Оптическая микроскопия. Человеческий глаз представляет собой естест-

венную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением,

т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (вос-

принимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличе-

ны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на расстоя-

ние наилучшего видения (L=25 см), среднестатистическое нормальное разреше-

ния составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов и прочее значительно меньше этой вели-

чины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микро-

скопы различных типов. С помощью микроскопов определяют форму, размеры,

строение и многие другие характеристики микрообъектов.

Оптический, или световой микроскоп использует видимый свет, проходя-

щий через прозрачные объекты, или отражённый от непрозрачных. Полученное изображение можно наблюдать глазом (или обеими глазами, в бинокуляре), либо фотографировать, передавать на видеокамеру для оцифровки. В состав совре-

менного микроскопа обычно входит система подсветки, столик для перемещения объекта (препарата), наборы специальных объективов и окуляров.

Существуют виды микроскопов, которые позволяют расширить возможно-

сти обычной оптической микроскопии: люминесцентный микроскоп, поляриза-

ционный микроскоп, металлографический микроскоп.

Глаз работает в оптическом диапазоне длин волн (от 400 до 780 нм). Пре-

дельное увеличение оптического микроскопа – до 2000 раз. Дальнейшее увели-

чение изображения было нецелесообразно, так как не позволяло обнаружить до-

полнительных деталей структуры объекта. Отдельные частички размером при-

близительно до 0,15 мкм хорошо видны при увеличении в 2000 раз. Более мел-

кие частицы не отражают световые лучи и не видны под микроскопом.

Электронная микроскопия - совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей

(электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов - при-

боров, в которых для получения увеличения изображений используют электрон-

Разрешающая способность оптических приборов

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

1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти приборы зрительно увеличивают рассматриваемые предметы.

2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.). Эти приборы зрительно приближают рассматриваемые предметы.

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей.

Лупа. В зависимости от угла, под которым виден предмет, мы сможем рассмотреть его более или менее подробно. Например, мелкая монета с расстояния в 30 см кажется вдвое больше, чем с расстояния в 60 см , так как в первом случае она видна под вдвое большим углом, чем во втором. Чтобы лучше разглядеть детали предмета, мы подносим его ближе к глазам, тем самым увеличивая угол зрения (рис. 7.5), Но наши глаза могут аккомодироваться лишь до определенного предела. Минимальное расстояние, на котором глаз может обеспечить четкую фокусировку, это расстояние наилучшего зрения. Максимальное расстояние, на котором глаз может обеспечить отчетливую фокусировку, называется пределом зрения, и соответствует случаю полного расслабления мышц. Для нормального глаза предел зрения очень велик, и его можно считать бесконечным.

Лупа позволяет зрительно приблизить предмет к глазу, и предмет будет виден под большим углом. Лупа представляет собой короткофокусную линзу, которую помещают для рассматривания предмета так, чтобы предмет был между главным фокусом и линзой. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета, которое должно находиться от глаза на расстоянии не менее 25 см , чтобы глаз мог сфокусироваться на нем (рис. 7.6). Если мышцы расслаблены, то изображение оказывается бесконечно удаленным, в этом случае объект находится точно в фокусе. Такую наводку на резкость и производят, передвигая лупу и фокусируя ее на объекте.

На рис. 7.6 объект рассматривается с помощью лупы (рис. 7.6а ) и невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения (рис. 7.6б ). Видно, что при использовании лупы объект виден под гораздо большим углом. Угловое увеличение будет равно

Угловое увеличение можно выразить через фокусное расстояние лупы. Будем полагать, что изображение на рис. 7.6а находится на расстоянии наилучшего зрения, то есть . Тогда расстояние до объекта определится соотношением , или . Пусть высота объекта h настолько мала, что синусы и тангенсы углов и равны самим углам в радианной мере. Тогда , и . Поэтому угловое увеличение лупы для случая, когда глаз сфокусирован в точку на расстоянии наилучшего зрения:

Из сравнения (7.1) и (7.2) видно, что большего увеличения удается достичь, когда глаз фокусируется в точку на расстоянии наилучшего зрения, чем когда мышцы глаз расслаблены. Чем короче фокусное расстояние линзы, тем больше увеличение.