Основы геометрической оптики. Оптическое стекло
Современный объектив, работающий с аналоговым или цифровым фотоаппаратом, представляет собой сложную оптико-электронную систему.
Использование в оптике законов света
Свет – один из видов излучения, которое вызывает зрительные ощущения. Существует две гипотезы, объясняющие движение света в пространстве:
-
Корпускулярная – свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул).
-
Волновая – свет рассматривается как электромагнитная волна, распространяющаяся во все стороны.
Скорость распространения света в пространстве определяется с помощью формулы:
c = λv
где: λ - длина волны;
v – частота колебаний.
В спектре электромагнитных волн на долю видимых лучей приходится небольшая часть – колебания с длинами волн от 380 до 720 нм (нанометров). К оптической области спектра относятся ещё и смежные с видимым спектром зоны ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.
Световые излучения с одной длиной волны называют монохроматическими (одноцветными). Обычно свет одновременно содержит излучения с различными длинами волн и называется светом сплошного спектрального состава (белый свет). Если направить белый свет на призму, то он ею разлагается в спектр, представляющий собой совокупность монохроматических излучений.
Действие света в оптических приборах рассматривается на основе принципов геометрической оптики, которая исходит из того, что световой луч в однородной среде распространяется прямолинейно. Существуют и другие законы геометрической оптики:
-
Закон независимости световых пучков – световые лучи в пространстве распространяются независимо один от другого.
-
Закон отражения (рис. 1а) – луч света, отражающийся от плоской поверхности, всегда отвечает следующим условиям: а) луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с нормалью в точке падения; б) угол отражения равен углу падения. Отражательные свойства поверхности определяет коэффициент отражения.
-
Закон преломления (рис. 1б) – при переходе из одной среды в другую (обе среды различны) луч света на поверхности раздела сред меняет свое направление, т.е. преломляется следующим образом: а) луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с нормалью в точке падения; б) при переходе из среды менее плотной в среду более плотную луч света приближается к нормали и наоборот при переходе из среды более плотной в менее плотную луч света отклоняется от нормали; в) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данной пары сред, не зависит от угла падения луча и называется показателем преломления данной среды:
n = sin α/sin β = const
-
Закон обратимости – если луч света проходит определенный путь в определенных средах, то в случае обратного хода он пройдет тот же самый путь.
Для оптических приборов большое значение имеет явление полного внутреннего отражения (рис. 1в), заключающееся в том, что при выходе луча из стекла в воздух угол падения может достигнуть такой величины, когда луч света после преломления устремится по линии раздела сред, а не выйдет в воздух. Этот угол падения и будет предельным углом для данного сорта стекла.
На этом явлении построено действие некоторых призм в фотографических приборах. Конструирование фотоаппаратуры, объективов и проекционных приборов ведется с учетом законов распространения света и таких световых явлений, как дисперсия, дифракция, интерференция и поляризация.
Дисперсия (рис. 2) – это разложение белого света в спектр. Дисперсией света объясняется хроматическая аберрация, которая используется как положительное явление при создании объективов с мягким оптическим рисунком.
Дифракция (рис. 3) – это огибание светом препятствий, соизмеримых с длиной волны.
Интерференция (рис. 4) – это взаимное наложение колебаний световых пучков, приводящее к усилению или ослаблению света. Явление интерференции легло в основу просветления оптики.
Поляризация (рис. 5) – это явление, позволяющее из хаотического процесса колебаний световых волн, распространяющихся от источника света, выделить волны, которые колеблются в одной плоскости. На основе явления поляризации действуют поляризационные фильтры.
