Dispozitive optice; Cunoștințe de bază despre fizică
Ochiul¶
Din punct de vedere al opticii geometrice, ochiul constă dintr-un sistem de lentile din două lentile convergente - în primul rând stratul corneean curbat și în al doilea rând lentilele oculare care pot fi deformate de un mușchi circular. Imaginea produsă de lentile rulează de-a lungul retinei. Există celule senzoriale (tije și conuri), care absorb razele de lumină incidente și transmit semnalele corespunzătoare către creier prin intermediul nervului optic.
Structura schematică a unui ochi.
Pentru ca imaginea să fie percepută, trebuie să ajungă suficientă lumină la retină. Mărimea elevului controlează câtă lumină cade în ochi; Pupila se îngustează atunci când intră prea multă lumină în ochi și poate deteriora celulele senzoriale ale retinei („adaptare”). Razele de lumină sunt, de asemenea, blocate de iris, care altfel lovesc marginea lentilei și ar putea produce o imagine neclară din cauza aberației sferice.
Traseul fasciculului și formarea imaginii în ochi.
Așa cum se poate observa din cursul razelor de lumină din ochi, lentila oculară produce o imagine inversată și inversată pe retină. Doar în creier are loc o „regândire” (inconștient), care la rândul său construiește o imagine verticală din semnalele de imagine primite. [1]
Corneea ochiului are o putere de refracție de aproximativ, puterea de refracție a lentilelor oculare (relaxate) este de aproximativ. Dacă este necesar, mușchiul sfincterului poate crește puterea de refracție a lentilei oculare până la privirea obiectelor din apropiere, prin care această abilitate, cunoscută sub numele de „acomodare”, poate „scădea” numai odată cu înaintarea în vârstă. În acest caz, ochelarii echipați cu un obiectiv convergent sunt necesare pentru a putea vizualiza obiecte care se află în apropiere.
Depărtare și miopie
Așa-numita miopie sau miopie se numără printre cele mai frecvente defecte vizuale.
- În hipermetropie, globul ocular este „prea mic”, astfel încât imaginea generată de lentila ochiului se află în spatele retinei. În acest caz, un obiectiv convergent adecvat poate oferi un remediu care crește puterea de refracție a sistemului de lentile rezultat sau reduce distanța focală a acestuia.
Miopie cu și fără ajutor vizual.
- În miopie, globul ocular este „prea mare”, astfel încât imaginea generată de lentila ochiului se află în fața retinei. În acest caz, o lentilă divergentă adecvată poate oferi un remediu care reduce puterea de refracție a sistemului de lentile rezultat sau îi mărește distanța focală.
Miopie cu și fără ajutoare vizuale.
Ambele defecte vizuale pot fi congenitale dacă dimensiunea globului ocular se abate de la dimensiunea „normală”. În cazul miopiei, lentila ochiului poate fi, de asemenea, curbată prea brusc sau prea slab în cazul miopiei.
În cazul hipermetropiei, o scădere legată de vârstă a mușchiului circular sau întărirea cristalinului ochiului poate duce la o putere slabă de refracție a cristalinului. În acest caz, obiectivul ochiului nu mai poate fi curbat („acomodat”) suficient de puternic pentru a putea imagina obiecte apropiate focalizate; în acest caz se vorbește despre o „presbiopie”. La fel ca hipermetropia congenitală, poate fi compensată de un obiectiv convergent cu putere de refracție adecvată.
Unghiul de vedere și rezoluția
Cât de mare este perceput un obiect depinde de mărimea imaginii sale care este creată pe retină. Dimensiunea imaginii poate fi determinată grafic prin trasarea razelor centrale emanate de obiect. Unghiul pe care îl formează aceste raze se numește unghi de vizualizare.
Reprezentarea unghiului de vizualizare la care apare un obiect vizualizat pe retină.
Cu cât unghiul de vizualizare este mai mic, cu atât imaginea obiectului vizualizat apare mai mică pe retină. Unghiul minim de vizualizare care este necesar pentru a putea percepe două puncte de obiect separate separat spațial unul de celălalt este denumit puterea de rezoluție (a unui dispozitiv optic). În ochiul uman, este necesar un unghi de vizualizare de aproximativ un șaizeci de grad (un minut de arc) pentru a stimula două celule senzoriale diferite de pe retină și, astfel, pentru a putea percepe două puncte de obiect separat una de cealaltă (distanța dintre celulele senzoriale de pe retină este de aproximativ). Un ochi cu vedere normală poate percepe de obicei două puncte separate unul de celălalt la o distanță de așa-numitul interval vizual clar.
Unghiul de vizualizare poate fi determinat folosind următoarea relație
Pentru unghiuri de vizualizare mici, următoarele se aplică aproximativ în radiani și astfel:
O modalitate de a crește unghiul de vizualizare este de a aduce obiectul vizionat mai aproape de ochi sau invers. Un ochi cu vedere normală se poate concentra doar până la o distanță de jur împrejur; Pe o perioadă mai lungă de timp, această viziune tensionată este percepută și ca epuizantă. Utilizarea unui dispozitiv optic, de exemplu o lupă, este mai plăcută pentru vizualizarea obiectelor mici. În acest caz, mărirea rezultă din faptul că obiectul vizualizat apare la un unghi de vizualizare mai mare cu un astfel de ajutor. În mod oficial, mărirea unui dispozitiv optic poate fi definită după cum urmează:
Telescopul Kepler¶
Un telescop Kepler („telescop”) constă în esență dintr-un obiectiv convergent mare, ușor curbat, ca obiectiv și un obiectiv convergent relativ mic, mai puternic curbat, ca ocular. [2]
Un telescop Kepler este de obicei folosit pentru a privi obiecte care sunt foarte îndepărtate și care sunt cu mult în afara dublului distanței focale a obiectivului. În acest caz, obiectivul obiectivului produce o imagine redusă, inversată și inversată a obiectului din interiorul telescopului. Aceasta este privită mărită prin ocular, care acționează ca o lupă. [3]
Traseul fasciculului într-un telescop Kepler.
Per total, un telescop Kepler are ca rezultat o mărire care corespunde raportului dintre distanța focală a obiectivului și distanța focală a ocularului:
(1) ¶
În plus față de mărirea (relativ mică) a unghiului de vizualizare, sistemul de lentile al unui telescop Kepler asigură faptul că întreaga cantitate de lumină incidentă asupra obiectivului este împachetată pe obiectivul ocularului semnificativ mai mic și astfel percepută de ochi; imaginea produsă de telescop apare mai strălucitoare.
Lungimea minimă a unui telescop Kepler este egală cu suma distanțelor focale ale obiectivului și ocularului, adică . Motivul pentru aceasta este că imaginea intermediară generată este (chiar) în afara distanței focale a obiectivului și aproape la distanța focală a ocularului.
Microscopul cu lumină¶
Într-un microscop cu lumină, o sursă puternică de lumină situată în baza microscopului este utilizată pentru transiluminarea unui specimen aflat pe o masă de microscop. Acest obiect este vizualizat printr-un sistem de două lentile convergente (obiectiv și ocular).
Distanța dintre obiectul vizionat și obiectiv este ajustată prin reglarea înălțimii etapei microscopului astfel încât distanța dintre obiect și obiectul unic și dublul distanței focale a obiectivului. În acest caz, obiectivul produce o imagine mărită, inversată și inversată a obiectului din interiorul tubului.
Traseul fasciculului într-un microscop cu lumină. Săgețile purpurii arată dimensiunea imaginii pe retină sau unghiul de vizualizare fără microscop.
Imaginea (intermediară) generată de obiectiv este vizualizată prin ocular, care acționează ca o lupă, cu o mărire suplimentară. Mărirea totală a microscopului corespunde produsului măririlor obiectivului și ocularului.
Telescopul Galileo¶
Un telescop galilean constă în esență dintr-un obiectiv convergent mare, ușor curbat, ca obiectiv și un obiectiv divergent relativ mic, mult mai puternic curbat, ca ocular.
Traseul fasciculului într-un telescop Galileo.
Un telescop Galileo este de obicei folosit pentru a privi obiecte foarte îndepărtate care depășesc cu mult dublul distanței focale a obiectivului. Spre deosebire de telescopul Kepler, cu toate acestea, fasciculele de lumină grupate de obiectivul obiectiv nu se intersectează în cadrul telescopului; mai degrabă, razele incidente sunt împrăștiate din nou de ocular în așa fel încât să ruleze paralel cu razele originale.
Un telescop Galileo nu produce o imagine intermediară, ci doar mărește unghiul de vedere sub care apare obiectul vizionat. Mărirea unui telescop Galileo poate fi calculată - la fel ca la un telescop Kepler - folosind distanțele focale (pozitive) și cele două obiective:
(2) ¶
Lungimea minimă a unui telescop Kepler este egală cu diferența dintre distanțele focale ale obiectivului și ocular, adică Motivul este că distanța focală a lentilei oculare este aleasă astfel încât punctele focale ale ambelor lentile să coincidă. În acest fel, razele de lumină incidente în paralel sunt, la rândul lor, reprezentate pe raze paralele în timp ce trec prin telescop.
Această abilitate nu este încă disponibilă la copiii nou-născuți în primele zile de viață; durează aproximativ o săptămână pentru ca simțurile ochiului să fie procesate „corect” de creier.
Cu ajutorul așa-numitelor „ochelari inversați”, experiența opusă poate fi, de asemenea, recreată experimental în viața ulterioară.
Există exerciții pentru această secțiune .