Глава 5. Физиологическая оптика

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика изучает правила распространения света и образования изображений с помощью линз.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Однако при прохождении светового пучка через границу раздела двух прозрачных сред, в которых скорость распространения света различна, направление лучей изменяется. Возникают два феномена — отражение и преломление света. Преломление света в оптической системе зависит от формы поверхности, разделяющей две оптические среды, и показателей преломления обеих сред.

Линзы

Линза — тело, которое ограничено двумя преломляющими поверхностями. Лучи света, проходящие через линзу, преломляются на границе сред «воздух–линза» или «линза–воздух». Упрощенно принято считать, что преломление происходит в условной плоскости, которая при одинаковом радиусе кривизны поверхностей линзы делит последнюю пополам. Если радиусы кривизны различны, то условная главная плоскость смещается в сторону более преломляющей поверхности, которая имеет меньший радиус кривизны. Выделяют также понятие главной оптической оси, соединяющей центры передней и задней поверхностей линзы. Условно любую линзу можно рассматривать как бесчисленное количество призм, расположенных одна над другой. Отсюда лучи света, проходящие параллельно главной оптической оси, преломляются к основанию призмы и сходятся в точке главного фокуса. Это определяет понятие главного фокусного расстояния. Соответственно ходу лучей различают передний и задний главные фокусы. Положение их зависит от величины или силы преломления линзы, которая является величиной, обратной фокусному расстоянию, и оценивается в диоптриях. За одну диоптрию принята оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в 1 м.

Таким образом, формула диоптрии:

Д = 1/F(м), где F — фокусное расстояние в 1 м.

Сферические линзы наиболее простые. В соответствии с их формой выделяют плосковогнутые, плосковыпуклые, двояковыпуклые, двояковогнутые, выпукло-вогнутые и вогнуто-выпуклые линзы. Все сферические линзы в зависимости от направления отклонения лучей после преломления подразделяют на собирательные и рассеивающие.

• Собирательные линзы (плосковыпуклые, двояковыпуклые и выпукло-вогнутые) преломляют лучи по направлению к оптической оси, а их фокус находится позади линзы (рис. 5.1). Данные линзы обозначают знаком «+» (они увеличивают изображение) и латинским словом convex.

Рис. 5.1. Строение и действие плосковыпуклой сферической линзы: AO — оптическая ось; F — главный фокус; f — главное фокусное расстояние; D — преломляющая сила линзы

• Рассеивающие линзы (плосковогнутые, двояковогнутые и вогнуто-выпуклые) характеризуются отклонением лучей от оптической оси после преломления, при этом их фокус расположен впереди линзы (рис. 5.2). Такие линзы обозначают знаком «-» (они уменьшают изображение) и латинским словом concav.

Рис. 5.2. Строение и действие плосковогнутой сферической линзы: AO — оптическая ось; F — главный фокус; f — главное фокусное расстояние

Действие сферических линз называют стигматическим (греч. stigma — точка), поскольку лучи от точки после преломления образуют также точку, которая, однако, имеет другой размер и перевернутую ориентацию (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Формирование изображения собирательной сферической линзой: a — рассматриваемый предмет; а′ — изображение предмета; AO — оптическая ось; F — главный фокус; F′ — один из фокусов, образованный собирающимися лучами, идущими от предмета; ВС — лучи, проходящие через главную точку линзы

Цилиндрические и торические линзы преломляют только те лучи, которые перпендикулярны оси цилиндра (тора), в то время как параллельные ей лучи проходят без преломления. При этом лучи от точки преобразуются в коноид Штурма (астигматическое действие). Мерой астигматизма называют разность преломляющей силы в двух главных сечениях.