.

Геометрична оптика. Фотометрія - 2 год.

План:

1.Закони геометричної оптики. 2.Лінзи.3.Аберація. 4.Оптичні прилади. 5.Основи фотометрії.

1.Закони геометричної оптики.

Геометри& чна о& птика — розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлових променів.

Геометрична оптика розглядає світло, абстрагуючись від його хвильової природи, тобто у тому випадку, коли довжина хвилі мала в порівнянні з тими тілами, що впливають на хід променів. В геометричній оптиці не розглядаються такі притаманні світлу явища, як дифракція й інтерференція.

2.Лінзи..

Опти& чна лі&нза— найпростіший оптичний елемент, виготовлений із прозорого матеріалу, обмежений двома заломлюючими поверхнями, які мають спільну вісь, або взаємно перпендикулярні площини симетрії. При виготовлені лінз для видимого діапазону світла, використовують оптичне або органічне скло, в УФ діапазоні — кварц, флюорит, і т. д., в ІЧ-діапазоні — спеціальні сорта скла, кремінь, сапфір, германій, ряд солей тощо.

Здебільшого лінзи мають аксіальну симетрію й обмежені двома сферичними поверхнями однакового або різного радіусу.

Лінзу називають тонкою, якщо її товщина мала порівняно з радіусами сферичних поверхонь, що її обмежують. Сферичні тонкі лінзи бувають опуклі і вгнуті.

Опуклі лінзи мають властивість збирати заломлене світло (кожну з лінз можна умовно роздільти на три частини, з яких краї 1 і 3- призми, що заломлюють промені до основи, а середина 2- плоскопаралельна пластинка), тому їх називають збиральними (у них середина товста, а краї тонші). Вгнуті лінзи розсіюють світло після заломлення, їх називають розсіювальними (середина тонка, а краї товстіші).

Залежно від розташування центрів сферичних поверхонь та їхнього радіусу розрізняють такі типи лінз:

1.двовипукла лінза 2.плоско-випукла лінза 3.збірний меніск 4.двоввігнута лінза 5.плоско-ввігнута лінза 6.розсіювальний меніск В залежності від того, сходяться чи розходяться

паралельні пучки променів після проходження лінзи, лінзи поділяють на збірні й розсіювальні.

Вісь симетрії аксіально-симетричної лінзи називається оптичною віссю. Світловий промінь, який розповсюджується вздовж оптичної осі не заломлюється.

Важливими характеристиками лінзи є фокусна віддаль і обернена до неї величина, яку називають оптичною силою лінзи.

Лінза називається тонкою лінзою, коли її товщина набагато менша за фокусну віддаль. У протилежному випадку, коли товщиною лінзи не можна знехтувати в порівнянні з фокусною віддаллю, лінзу називають товстою. Оптичний центр лінзи –

точка, проходячи через яку промінь світла не змінює свого напряму.

Збірна лінза має властивість збирати промені, випущені з однієї точки, в іншій точці по другий бік від лінзи. Якщо на деякій відстані перед лінзою розмістити точку А, то промені що виходитимуть з цієї точки, проходитимуть через лінзу заломлюючись до оптичної осі і збиратимуться в точці А'. Ця точка називається спряженим фокусом до точки А.

Якщо віддаляти точку А від лінзи, то точка А' переміщатиметься ближче до лінзи.

Якщо точка А знаходитиметься нескінечно далеко від лінзи, то промені від неї будуть паралельними, а точка А' називатиметься головним фокусом лінзи, а відстань до неї — головною фокусною відстанню.

При побудові зображень створених двовипуклою лінзою, проводять три лінії:

1.З вершини предмета паралельно оптичній осі лінзи до головної площини лінзи, далі, заломлюючись, через задній головний фокус.

2.З вершини предмета через центр лінзи. 3.З вершини предмета через передній фокус до головної

площини лінзи, а далі паралельно оптичній осі лінзи. Ці три лінії перетинаються в одній точці і дають

зображення вершини предмета. Відповідно до формули

1.Якщо предмет знаходиться далі за подвійну фокусну відстань, то зображення знаходитиметься позаду лінзи між фокусом і подвійним фокусом і буде дійсним, перевернутим і зменшеним.

2.Якщо предмет знаходиться між фокусом і подвійним фокусом перед лінзою, то зображення буде позаду лінзи за подвійним фокусом і буде дійсним, перевернутим і збільшеним.

3.Якщо предмет знаходиться ближче від фокуса перед лінзою, то зображення буде ще ближче перед лінзою і буде уявним, прямим і збільшеним.

Лінзи є універсальним оптичним елементом більшості оптичних систем. Традиційне застосування лінз: біноклі, телескопи, оптичні приціли, теодоліти, мікроскопи і фотовідеотехніка.

Поодинокі збираючі лінзи використовуються як збільшувальні стекла. Інша важлива сфера застосування лінз офтальмологія, де без них неможливе виправлення недоліків зору - короткозорості, далекозорості, неправильної акомодації, астигматизму і інших захворювань. Лінзи використовують в таких пристосуваннях, як окуляри і контактні лінзи.

У радіоастрономії і радарах часто використовуються діелектричні лінзи, що збирають потік радіохвиль в приймальну антену, або фокусуючи на цілі.

У конструкції плутонієвих ядерних бомб для перетворення сферичної ударної хвилі застосовувалися лінзові системи, виготовлені з вибухівки з різною швидкістю детонації (тобто з різним коефіцієнтом заломлення).

3.Аберація.

Аберáція— дефект, похибка зображення в оптичних системах. Аберація оптичних систем проявляється в тому, що зображення втрачають чіткість і не точно відповідають зображуваним об'єктам.

Найпоширенішими є геометричні аберації: -сферична аберація — дефект зображення, при якому

промені, що проходять поблизу оптичної осі системи і промені, що проходять на віддалі від оптичної осі не збираються в одну точку;

-кома — аберація, що виникає при косому проходженні променів через оптичну систему;

-астигматизм — виникає при проходженні через систему хвилі із сферичним хвильовим фронтом, у випадку, коли пучки променів з однієї точки не перетинаються в одній точці а розташовуються в двох взаємно перпендикулярних відрізках;

-дисторсія — аберація, що призводить до геометричної невідповідності між об'єктом та його зображенням.

Також до аберацій відносять кривизну поля зображення.Поряд із геометричними існують існують інші види аберацій, такі як:-хроматична аберація, пов'язана із різницею коефіцієнтів заломлення світла для світла різного кольору;

-внаслідок хвильової природи світла виникає також дифракційна аберація — зображення монохроматичної світної точки, що лежить на осі системи, має вигляд світлої плями, оточеної концентричними кільцями, інтенсивність яких послідовно зменшується;

-термооптична аберація — виникає внаслідок неоднорідних температурних змін різних частин оптичного приладу. Виявляється в зміні розташування та розмірів зображення.

Оптичні системи можуть мати кілька різних типів аберацій одночасно. Усунення аберацій часто є дуже складною проблемою.

Дифракційні аберації усунути принципово неможливо і вони визначають теоретичну роздільну здатність оптичних приладів (наприклад, телескопів).

4.Оптичні прилади.Оптичні прилади – прилади, будова яких ґрунтується на законах поширення світла або на використанні властивостей світла.До них, наприклад, належать:

-фотоапарат -телескоп -мікроскоп -лазер -кінопроектор -кінокамера -псевдоскоп -епіскоп -камера-обскура -діаскоп

-епідіаскоп -графоскоп -лорнета -лупа -відеокамера -монокль -окуляри -перископ -теодоліт -проектор -рефлектор

Фотокамера — прилад для фіксації оптичного зображення на спеціальному носії (зазвичай фотоплівці або у формі комп'ютерного файлу на електронній карті пам'яті).

Телескоп — прилад для спостереження віддалених об'єктів. Термін «телескоп» також вживається для позначення астрономічних приладів для спостережень електромагнітних хвиль невидимих для людського ока (інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські, гамма- і радіотелескопи), а також для реєстрації відмінного від електромагнітного випромінювання (нейтринні та гравітаційні телескопи).

Мікроскоп – прилад для розглядання дрібних, невидимих для неозброєного ока, предметів у збільшеному зображенні.

Лазер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання) (рос. лазер, англ. laser, нім. Laser m)—

пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні (108 Вт/см² для високоенергетичних лазерів). Лазер працює за принципом, аналогічним принципові роботи мазера. Лазери використовуються для зв'язку (лазерний промінь може переносити набагато більше інформації, ніж радіохвилі), різання, пропалювання отворів, зварювання, спостереження за супутниками, медичних і біологічних досліджень і в хірургії.

Окуляри для корекції вад зору — оптичний прилад, який застосовують для виправлення вад зору (астигматизм, аномалії рефракції ока та акомодації ока).

5.Основи фотометрії.

Фотометрі&я (дав.-гр. φῶς, родовий відмінок φωτός — світло і μετρέω — вимірюю) — загальна для всіх розділів прикладної оптики наукова дисципліна, на основі якої проводяться кількісні вимірювання енергетичних характеристик поля випромінювання.

В основі фотометрії як науки лежить розроблена А. Гершуном теорія світлового поля .

На практиці положення теорії світлового поля реалізуються інженерною дисципліною — Світлотехнікою.

Фотометрія — розділ оптики, в якому досліджуються енергетичні характеристики світла при його емісії, розповсюдженні і взаємодії з тілами. Оперує фотометричними величинами.

У фізичній оптиці інтенсивність поля електромагнітного випромінювання визначається квадратом модуля вектора напруженості електромагнітного поля E,(який є основною розрахунковою величиною у фізичній оптиці), і характеризуеться щільністю поля (нім. Energiedichte) dw:

dw = dE / dV = ε x | E |(2) де dV — елемент об'єму в заданій точці простору, а dE

енергія поля, укладеного в даному об'ємі на даний момент часу

ε — діелектрична стала середовища, у якій поширюється випромінювання.

Рівняння Максвелла, яке дозволяє вирахувати значення Е не враховує в явному вигляді ні геометрії поля випромінення, ні його фотометричних характеристик, і тому сучасна теорія оптичних приладів не використовує математичного апарату теорії Максвелла у всій його повноті.

Будучи орієнтованою на практику, теорія оптичних приладів продовжує базуватись на використанні геометричної оптики і закону збереження енергії.

Існує офіційно признана сукупність термінів, які описують енергетичні характеристики поля випромінювання.

Фото& метр — пристрій для вимірювання будь-яких із фотометричних величин, частіше інших — одної або багатьох світлових величин.

При використанні фотометра здійснюють конкретне просторове обмеження потоку випромінювання і реєстрацію його приймачем випромінювання із заданою спектральною чутливістю. Освітленність вімірюють люксметрами, світловий потік і світлову енергію — за допомогою інтегруючого фотометра. Пристрої для вимірювання кольору об'єкта називають кольорометрами.

Висновок:

Геометри& чна о& птика — розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлових променів.

Опти& чна лі&нза— найпростіший оптичний елемент, виготовлений із прозорого матеріалу, обмежений двома заломлюючими поверхнями, які мають спільну вісь, або

взаємно перпендикулярні площини симетрії. Аберáція— дефект, похибка зображення в оптичних

системах. Аберація оптичних систем проявляється в тому, що зображення втрачають чіткість і не точно відповідають зображуваним об'єктам.

Оптичні прилади – прилади, будова яких ґрунтується на законах поширення світла або на використанні властивостей світла.