Геометрическая оптика

1. Геометрическая оптика

ГЕОМЕТРИЧЕСК
АЯ ОПТИКА
Лекция 9

2. Природа света

• Исаак Ньютон – предлагал считать свет потоком частиц
(корпускул), для которых действуют закон сохранения
импульса и другие закономерности механики.
• В 1865 г. Джеймс Максвелл определил, что скорость
распространения электромагнитной волны совпадает со
скоростью света, на основании чего предположил, что
свет – электромагнитная волна.
• По современным представлениям свет обладает
корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. обнаруживает
свойства и потока частиц, и электро-магнитной волны.
• Волновые свойства проявляются в явлениях
интерференции, дифракции, поляризации. Эти явления
изучает волновая оптика.
• Корпускулярные свойства свет обнаруживает в эффекте
Комптона, в фотоэффекте, в существовании давления
света, при тепловом излучении. Эти явления изучает
квантовая оптика.

3. ОПТИКА

• ОПТИКА – раздел физики, в котором изучаются
оптическое излучение (свет), процессы его
распространения и явления, наблюдаемые при
взаимодействии света и вещества.
• Геометрическая оптика, не рассматривая вопроса о
природе света, исходит из эмпирических законов его
распространения.
• Геометрическая оптика оперирует понятием «луч».
• Световой луч – это математическая абстракция, т.е. это
пучок света, который выделяла бы бесконечно узкая
диафрагма, если бы не было явления дифракции.
• Световой луч представляет собой линию, вдоль которой
переносится энергия света.
• Понятие «луч» применимо, если размеры объектов, с
которыми взаимодействует свет, гораздо больше длины
световой волны.

4. Законы геометрической оптики

С древности были известны 4 основных оптических
закона:
1. Закон прямолинейного
распространения света;
2. Закон независимости
световых пучков – эффект,
производимый отдельным
пучком не зависти от того,
действуют ли
одновременно другие
пучки;

5. Законы геометрической оптики

3. Закон отражения: луч
падающий, нормаль к
отражающей поверхности и
луч отраженный лежат в
одной плоскости, причем
угол падения равен углу
отражения.
4. Закон преломления света:
луч падающий, нормаль к
отражающей поверхности и
луч преломленный лежат в
одной плоскости, причем
угол падения и угол
преломления связаны
соотношением:

6. Полное внутреннее отражение

• Если свет переходит из
среды с большим
показателем преломления в
среду с меньшим
показателем преломления
(например из воды в
воздух), то при углах
падения больше,
критического, будет
наблюдаться полное
внутреннее отражение.
• На этом явлении основана
работа волоконной оптики, в
частности медицинских
эндоскопов.

7. Дисперсия света

• Показатель преломления n некоторой среды – это
отношение скорости света в вакууме к скорости света
в этой среде.
• Показатель преломления света зависит от длины
волны света – это явление называется дисперсия.

8. Линза

• Оптическая система содержит две и более
преломляющие поверхности.
• Оптическая система называется центрированной, если
центры всех преломляющих поверхностей лежат на
одной прямой, которая называется главной оптической
осью системы.
• Простейшим случаем преломляющей оптической
системы является линза – преломляющая среда,
ограниченная двумя сферическими поверхностями.
• Линза называется тонкой, если её толщина мала по
сравнению с радиусами кривизны ограничивающих
поверхностей.

9. Линзы

• Точка, в которой сходятся
параллельные лучи, падающие на
линзу, называется фокусом линзы.
В этом случае фокус –
действительный, а линза –
собирающая или положительная.
• Если после прохождения через
линзу, параллельные лучи
расходятся, то фокус – это точка
пересечения продолжения этих
лучей. В этом случае фокус –
мнимый, а линза – рассеивающая
или отрицательная.
• У линзы два фокуса – передний и
задний.
• Фокусное расстояние – расстояние
от центра линзы до её фокуса.

10. Формула тонкой линзы

11. Оптическая система глаза

Роговица – 40-43, хрусталик – 18-20, влага передней камеры и
стекловидное тело – 3-5 дптр.

12. Недостатки оптической системы глаза

• Аккомодация –
способность глаза
хорошо видеть на
различном расстоянии.
• Расстояние наилучшего
зрения – 25 см.
• Угол зрения – угол
между лучами, идущими
от краев предмета через
оптический центр глаза.
• Наименьший угол
зрения составляет 1’.

13. Недостатки оптической системы глаза

14. Угловое увеличение

• Угловое увеличение — отношение тангенса угла наклона
луча, при построении изображения с помощью
оптической системы, к тангенсу угла наклона луча без
оптической системы.

15. Оптическая система микроскопа

• Микроскоп – оптическая система, состоящая из двух
собирающих линз: короткофокусного объектива и
длиннофокусного окуляра.

16. Разрешающая способность микроскопа

• Разрешающая способность – свойство оптической
системы давать раздельное изображение двух близко
лежащих точек.
• Предел разрешения Z – минимальное расстояние
между двумя точками, видимыми раздельно.
• Разрешающая способность микроскопа определяется
разрешающей способностью объектива.

17. Разрешающая способность микроскопа

• А – числовая аппертура, ее указывают на объективе и она
составляет 1…1,4.
• Предел разрешения для оптического микроскопа z=
0,2…0,3 нм.
• Чтобы объекты были разрешимы глазом, необходимо,
чтобы увеличение микроскопа было не меньше
разрешающей способности глаза:
• Эту величину называют полезное увеличение.

18. Разрешающая способность микроскопа

• Для уменьшения предела
разрешения используют
иммерсионную жидкость,
которой заполняется
пространство между
покровным стеклом и
объективом. Предел
разрешения в этом случае:
• где n – показатель
преломления
иммерсионной жидкости