Проекционный аппарат

Проекционный аппарат представляет собой прибор, с помощью которого на экране получают действительное увеличенное изображение предметов. Проекционный аппарат, предназначенный для демонстрации прозрачных объектов (диапозитивов, рисунков на стекле, слайдов, фильмов) называется диаскопом (рис. 48,7). Проекционный аппарат, предназначенный для демонстрации непрозрачных объектов, называют эпископом или апипроектором (рис. 48.8).

Проекционный аппарат состоит из источника света S, конденсатора К, предназначенного для получения изображения источника

S на объективе О. Объектив О представляет собой систему линз, действующих как одна собирающая линза. Предмет D располагается вблизи фокальной плоскости объектива О. Размеры конденсатора подбираются так, чтобы весь предмет D был освещен равномерно. Этой же цели служит зеркало 3.

Фотоаппарат. Изображение И в фотоаппарате создается объективом О, который представляет собой собирающую систему линз (рис. 48.9). Изображение, как правило, получается действительным уменьшенным и перевернутым. Предмет П располагается на расстоянии, превышающем удвоенное фокусное расстояние объектива Объектив О находится у передней стенки аппарата. Изображение И проецируется на фотопластинку (пленку), расположенную у задней его стенки. Наводкой на резкость (с помощью перемещения объектива) добиваются того, чтобы расстояние до предмета П соответствовало расстоянию до изображения И. Диаметр объектива d и его фокусное расстояние f определяют величину относительного отверстия

Рис 48 9 Рис. 48 10

которая пропорциональна освещенности фотопластинки. На оправах объективов фотоаппаратов указывают их фокусные расстояния / и относительное отверстие в виде числа F. Последнее записывается в форме дроби 1/F, где F = f/d, и показывает, во сколько раз фокусное расстояние больше диаметра объектива. Чем меньше число F, тем больше светосила объектива, равная (d/f)². Для регулировки светового потока, поступающего в фотоаппарат, объектив снабжают диафрагмой, диаметр которой можно изменять Кроме того,

фотоаппараты снабжаются устройствами, позволяющими изменять время экспонирования (выдержку).

Отражение света от поверхностей линз уменьшает светосилу объектива и понижает контрастность изображения. Для уменьшения отражающей способности линз используют так называемое просветление оптики — нанесение на поверхность линзы тонкой прозрачной пленки из специального материала. Обычно толщина пленки подбирается из расчета минимального отражения зеленого света. Поэтому просветленная оптика имеет сине-красный оттенок.

Глаз. Глаз является органом зрения. Он представляет собой сложную оптическую систему. Его устройство схематично показано на ряс. 48.10 Здесь С—склера (белковая оболочка глаза);

Р — прозрачная роговица, сквозь которую в глаз проникает свет;

РО — радужная оболочка с отверстием-зрачком 3; Х — хрусталик — эластичное, линзообразное тело; Ц — циллиарная мышца, изменяющая радиус кривизны поверхности хрусталика, его оптическую силу и фокусное расстояние; СТ — стекловидное тело — прозрачная студенистая жидкость, заполняющая полость глаза за хрусталиком;

СЕ — сетчатая оболочка (сетчатка) — полусфера, состоящая из светочувствительных клеток, имеющих форму колбочек и палочек; СО — сосудистая оболочка, состоящая из сложного сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз; ПК — передняя камера, заполненная ка­мерной влагой, СП — слепое пятно — место, где нет светочувствительных клеток и откуда выходит зрительный нерв ЗН; ЦЯ— центральная ямка, в которой сосредоточены колбочки. По своему устройству глаз как оптическая система имеет много общего с фотоаппаратом [48.2.2]. Роль объектива здесь играет хрусталик вместе со средой передней камеры. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, находящихся на различных расстояниях. Здоровый глаз в спокойном состоянии дает на сетчатке отчетливое изображение очень удаленных предметов (звезд). Наименьшее расстояние, на котором такой глаз может отчетливо видеть предметы, меняется с возрастом от 10 см (до 20 лет) до 22, см (около 40 лет) или до 30 см (в пожилом возрасте).

Минимальное расстояние, на котором глаз аккомодируется без утомления, для здорового глаза составляет 25 см. Задний фокус такого

глаза в спокойном состоянии находится на сетчатке. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза перед сетчаткой, то глаз называют близоруким (рис. 48.11). Такой глаз плохо видит отдаленные предметы. Близорукость глаза исправляют с помощью рассеивающих линз. Если фокус глаза находится за сетчаткой, то такой глаз называют дальнозорким. Он плохо видит близкие предметы. Ему приходится делать усилия даже для того, чтобы видеть очень удаленные объекты. Для исправления дальнозоркости глаза пользуются собирающими линзами (рис. 48.12).

Две близкие светящиеся точки глаз воспринимает раздельно, если они видны под углом зрения не менее Г. Углом зрения называется угол, под которым виден предмет. Если G — размер предмета, а — расстояние до него, то угол зрения 8 находится по формуле

Минимальный угол зрения 6, при котором глаз способен различать две точки предмета, определяет его разрешающую способность. Разрешающая способность глаза может быть увеличена с помощью оптических приборов: лупы, микроскопа и телескопа (бинокля). Глазу присущи все виды аберраций [48.1] обычных оптических систем, которые, однако, из-за его совершенства очень малы.

Глаз осуществляет цветное зрение. Согласно теории цветного зрения Юнга и Гельмгольца в глазу имеется только три типа светочувствительных приемников. На первый тип действует

только красный свет, на другой — зеленый, на третий — сине-голубой. Сложение этих трех спектрально чистых излучений в различных комбинациях с учетом их интенсивностей физиологически оказывается эквивалентным получению любого цветового ощущения. Чувствительность глаза к различным длинам волн разная. Область допустимого зрительного восприятия нормального глаза показана на рис. 48.13, где V_λ - относительная световая эффективность, определяющая, во сколько раз чувствительность глаза к излучению данной длины волны меньше, чем к излучению в максимуме.

Лупа. Лупа является простейшим оптическим прибором, позволяющим увеличить разрешающую способность глаза [48.2.3]. Лупа представляет собой короткофокусную линзу. Она помещается перед глазом, как можно ближе к нему, а рассматриваемый предмет — на расстоянии немного меньшем фокусного расстояния линзы (рис. 48.14). Глаз видит через лупу предмет под углом φ:

где h — линейные размеры предмета,/— фокусное расстояние линзы. Невооруженный глаз видит предмет под углом φ₀:

где D — расстояние наилучшего видения (D ж 25 см). Нормальное увеличение N линзы определяется формулой

Изображение В предмета на сетчатке глаза оказывается таким, как если бы рассматривался увеличенный предмет без лупы, а не действительный предмет G (рис. 48.14). Чем меньше фокусное расстояние, тем больше увеличение лупы. Лупы с увеличением больше N = 40 не применяются. Пользоваться лупами с очень малыми фокусными расстояниями (малыми диаметрами) практически невозможно.

Микроскоп. Для получения значительных увеличении служит микроскоп. Он состоит из двух собирающих линзовых систем:

объектива с фокусным расстоянием f₁, равным нескольким миллиметрам» и окуляра с фокусным расстоянием f₂, равным нескольким сантиметрам. Предмет G помещается перед фокусом F₁ объектива (рис. 48.15). За объективом за фокусом F₂ окуляра на расстоянии большем 2f₁ возникает действительное увеличенное (промежуточное) изображение В'. Окончательное изображение В, возникающее перед окуляром, является мнимым перевернутым и увеличенным. Общее увеличение микроскопа N складывается из увеличении объектива N1 ≈ l/f₁ окуляра N₂ = D/f₂:

(48.4)

где l — оптическая длина тубуса микроскопа, т. е. расстояние. Между фокальными точками

fi ' и F2 (рис. 48.15), D ≈ W 25 см — расстояние наилучшего видения.

Наличие у микроскопа действительного промежуточного изображения В' позволяет измерять

размеры предмета О. Для этого в фокальную плоскость окуляра помещают шкалу, нанесенную на Прозрачную пластинку. Кроме того, можно получить проекцию изображения

В' на экран, сфотографировать и т. д.

Вследствие волновой природы света максимальное увеличение N микроскопа не может быть больше 2000

Телескопы и бинокли. Телескопы и бинокли предназначены для увеличения угла зрения [48.2.3] при наблюдении больших очень удаленных предметов. Простейшим телескопом является подзорная труба, она состоит из двух линзовых систем — объектива и окуляра. Подзорная труба с собирающим окуляром (рис. 48.16) называется трубой Kеплеpa (1611), Труба с рассеивающим окуляром (рис. 48.17) — трубой Галилея (1609). Предмет находится на очень большом расстоянии от объектива. В трубе Кеплера за фокусом Объектива возникает промежуточное изображение В'. Оно расположено на расстоянии от окуляра, меньшем его фокусного расстояния. Перед окуляром возникает увеличенное мнимое и перевернутое окончательное изображение В. Увеличение, даваемое трубой Кеплера, равно

где f₁ — фокусное расстояние объектива, f₂ — фокусное расстояние окуляра Длина телескопа

В трубе Кеплера фокусы объектива F₁ и окуляра F ₂ практически совпадают. В этом случае при рассматривании удаленного предмета из окуляра выходят пучки параллельных лучей. Это позволяет наблюдать в телескоп нормальным глазом в спокойном состоянии (без акко­модации)

В трубе Галилея между объективом и окуляром не создается промежуточное изображение. Эта труба создает мнимое, увеличенное прямое изображение В. Ее увеличение определяется формулой (48.5). В этой трубе фокусы объектива F'₁ и окуляра F₂ ^, практически совпадают.

Труба Галилея дает несильное увеличение удаленного предмета. Поэтому ее используют в театральных биноклях. Так как труба Кеплера дает перевернутое изображение, то в биноклях, построенных на ее основе, применяется оборачивающая система из дополнительной линзы или системы призм с полным внутренним отражением (рис. 48.18). Наличие промежуточного изображения В' в трубе Кеплера позволяет снабжать ее измерительной шкалой или фотопластинкой, помещенной в плоскость расположения Промежуточного изображения В'. Поэтому труба Кеплера находят применение в астрономии. Наряду с телескопами, построенными по типу подзорных труб— рефракторов, широкое применение получили зеркальные или отражательные телескопы — рефлекторы (рис. 48.19).