Око як оптична система

Органом зору людини є очі, які у багатьох відносинах являють собою дуже розроблену оптичну систему.

У цілому око людини — це кулясте тіло діаметром близько 2,5 см, яке називають очним яблуком (мал.1). Непрозору і міцну зовнішню оболонку ока називають склерою, а її прозору і більш опуклу передню частину — роговицею. З внутрішньої сторони склера вкрита судинною оболонкою, що складається з кровоносних судин, що харчують очей. Проти роговиці судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, неоднаково забарвлену в різних людей, що відділена від роговиці камерою з прозорою водянистою масою.

У райдужній оболонці є круглий отвір, який називається зіницею, діаметр якої може змінюватися. Таким чином, райдужна оболонка відіграє роль діафрагми, що регулює доступ світла в око. При яскравому освітленні зіниця зменшується, а при слабкому освітленні — збільшується. Усередині очного яблука за райдужною оболонкою розташований кришталик, що являє собою двоопуклу лінзу з прозорої речовини з показником переломлення близько 1,4. Кришталик облямовує кільцевий м'яз, що може змінювати кривизну його поверхонь, а виходить, і його оптичну силу.

Судинна оболонка з внутрішньої сторони ока покрита розгалуженнями світлочутливого нерва , особливо густими напроти зіниці. Ці розгалуження утворять сітчасту оболонку , на якій виходить дійсне зображення предметів, створюване оптичною системою ока. Простір між сітківкою і кришталиком заповнено прозорим склоподібним тілом, що має студинисту будову. Зображення предметів на сітківці ока виходить перевернене. Однак діяльність мозку, що одержує сигнали від світлочутливого нерва, дозволяє нам бачити всі предмети в натуральних положеннях.

Коли кільцевий м'яз ока розслаблений, то зображення далеких предметів виходить на сітківці . узагалі пристрій ока таке, що людина може бачити без напруги предмети, розташовані не ближче 6 м від ока. Зображення більш близьких предметів у цьому випадку виходить за сітківкою ока. Для одержання виразного зображення такого предмета кільцевий м'яз стискає хрусталик усе сильніше доти, поки зображення предмета не виявиться на сітківці, а потім утримує кристалик у стиснутому стані.

Таким чином, «наведення на фокус» ока людини здійснюються зміною оптичної сили кристалика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати виразні зображення предметів, що знаходять на різних відстанях від нього , називають акомодацією ( від латинського «акомодаціо» – пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів в око попадають рівнобіжні промені. У цьому випадку говорять, що око акомодовано на нескінченність.

Акомодація ока не нескінченна. За допомогою кільцевого м'яза оптична сила очі може збільшуватися не більше чим на 12 діоптрій. При довгому розгляданні близьких предметів око утомлюється , а кільцевий м'яз починає розслаблюватися і зображення предмета розпливається.

Ока людини дозволяють добре бачити предмети не тільки при денному висвітленні. Здатність ока пристосовуватися до різного ступеня роздратування закінчень світлочутливого нерва на сітківці ока, тобто до різного ступеня яскравості об'єктів, що спостерігаються, називають адаптацією.

Зведення зорових осей ока на визначеній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при пері воді око з одного предмета на іншій між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко , те осі очей розташовуються паралельно , і людина не може навіть визначити , рухається чи предмет ні, на який він дивиться. Деяку роль у визначенні положення тіл грає і зусилля кільцевого м'яза, що стискає кристалик при розгляданні предметів , розташованих недалеко від людини.

Проекційні пристрої

Для показу глядачам на екрані збільшеного зображення малюнків, фотознімків чи креслень застосовують проекційний апарат. Малюнок на склі чи на прозорій плівці називають діапозитивом, а сам апарат, призначений для показу таких малюнків, - діаскопом.

Якщо апарат призначений для показу непрозорих картин і креслень, то його називають епіскопом. Апарат, призначений для обох випадків називається епідіаскопом.

Лінзу, яка створює зображення предмета, що знаходиться перед нею, називають об'єктивом. Звичайно об'єктив являє собою оптичну систему, у якої усунуті найважливіші недоліки, властиві окремим лінзам. Щоб зображення предмета на було гарно видно глядачам, сам предмет повинен бути яскраво освітлений.

Схема пристрою проекційного апарата показана на мал.2.Джерело світла S міститься в центрі увігнутого дзеркала (рефлектора) Р. світло йде безпосередньо від джерела S і відбитий від рефлектора Р, попадає на конденсор ДО, що складається з двох плоско випуклих лінз. Конденсор збирає ці світлові промені на об'єктиві ПРО, що вже направляє їх на екран Е, де виходить зображення діапозитива Д. Сам діапозитив міститься між головним фокусом об'єктива і крапкою, що знаходиться на відстані 2F від об'єктива. Різкість зображення на екрані досягається переміщенням об'єктива, що часто називається наведенням на фокус.

Поняття оптичної системи

Тонка лінза представляє найпростішу оптичну систему. Прості тонкі лінзи застосовуються головним чином у виді стекол для окулярів. Крім того, загальновідоме застосування лінзи як збільшувальне скло.

Дія багатьох оптичних приладів – проекційного ліхтаря, фотоапарата й інших приладів - може бути схематично уподібнено дії тонких лінз. Однак тонка лінза дає гарне зображення тільки в тім порівняно рідкому випадку , коли можна обмежитися вузьким одноколірним пучком, що йде від джерела уздовж головної оптичної чи осі під великим кутом до неї. У більшості ж практичних задач, де ці умови не виконуються, зображення , що дається тонкою лінзою , досить не зовсім. Тому в більшості випадків прибігають до побудови більш складних оптичних систем , що мають велике число заломлюючих поверхонь і не обмежених вимогою близькості цих поверхонь (вимога , якій задовольняє тонка лінза ).

Висновок

Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання винятково великі. Винахід телескопа і спектроскопа відкрило перед людиною неймовірний і багатший світ явищ , що відбуваються в неосяжному Всесвіті. Винахід мікроскопа зробило революцію в біології. Фотографія допомогла і продовжує допомагати чи ледве не всім галузям науки. Одним з найважливіших елементів наукової апаратури є лінза. Без її не було би мікроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоапарата, кіно , телебачення і т.п. не було би окулярів, і багато людей, яким перевалило за 50 років, були б позбавлені можливості читати і виконувати багато робіт , зв'язані з зором.

Область явищ, досліджувана фізичною оптикою, дуже велика. Оптичні явища найтіснішим образом зв'язані з явищами, досліджуваними в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому не дивно , що оптиці протягом тривалого часу належала ведуча роль у дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних поглядів. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися й у значній мірі розвилися на ґрунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрило нові найширші можливості не тільки в оптику, але й у її додатках у різних галузях науки і техніки.