Чтобы понять оптическую систему глаза, нужно хорошо знать основные законы оптики, включая физику преломления света, фокусировки, глубины фокуса и прочее. В статьях по физиологии на сайте представлен краткий обзор этих физических принципов и изложена оптика глаза.
а) Преломление света. Индекс преломления прозрачного материала. Скорость распространения световых лучей в воздухе составляет приблизительно 300000 км/сек, но сквозь прозрачные твердые частицы и жидкости световые лучи проходят гораздо медленнее. Индекс преломления прозрачного материала рассчитывается как отношение скорости света в воздухе к скорости его распространения в веществе. Индекс преломления воздуха — 1,00. Таким образом, если свет проходит через особый тип стекла со скоростью 200000 км/сек, индекс преломления этого стекла равен частному от деления 300000 на 200000, или 1,50.
Световые лучи, входящие в стеклянную поверхность, перпендикулярную пучку света (А) и расположенную под углом к нему (Б).
Рисунок демонстрирует, что расстояние между волнами после их вхождения в стекло укорачивается примерно на 1/3 по сравнению с этим расстоянием в воздухе.
Видно также, что при прохождении сквозь стеклянную поверхность, расположенную под углом, световые лучи отклоняются
б) Преломление световых лучей на границе раздела между двумя средами с различными индексами преломления. Когда направленный пучок света (рисунок А выше) встречается с расположенной перпендикулярно к нему поверхностью раздела двух сред, световые лучи входят во вторую среду, не отклоняясь от своего курса. Происходит лишь уменьшение скорости передачи и укорочение длины волны, что на рисунке обозначено более короткими расстояниями между фронтами волн.
Когда световые лучи проходят через поверхность раздела двух сред, расположенную под углом к их ходу (рисунок Б выше), лучи отклоняются, если индексы преломления этих сред различны. На рисунке световые лучи из воздуха (индекс преломления равен 1,00) входят в стеклянный блок с индексом преломления 1,50. При столкновении пучка света с расположенной под углом поверхностью раздела лучи нижней части пучка входят в стекло раньше лучей верхней его части. Фронт волны в верхней части пучка продолжает распространяться со скоростью 300000 км/сек, в то время как в нижней его части, уже вошедшей в стекло, скорость распространения фронта составляет 200000 км/сек. В результате свет в верхней части пучка движется быстрее, чем в нижней части, что ведет к отклонению фронта волны под углом вправо от вертикального положения. Поскольку свет всегда движется в направлении, перпендикулярном плоскости фронта волны, в этом случае направление движения светового пучка отклоняется вниз.
Это отклонение световых лучей на расположенной под углом поверхности раздела называют преломлением. Обратите внимание, что степень преломления возрастает, как функция:
(1) отношения индексов преломления двух прозрачных сред;
(2) уровня углового отклонения поверхности раздела по отношению к плоскости входящего в нее фронта волны.
Отклонение лучей света на каждой поверхности выпуклой сферической линзы, демонстрирующее, что параллельные световые лучи собираются в точке фокуса
б) Применение принципов преломления к линзам. Выпуклая линза фокусирует световые лучи. На рисунке выше показаны параллельные световые лучи, входящие в выпуклую линзу. В центре линзы световые лучи проходят сквозь нее перпендикулярно к ее поверхности, и, следовательно, здесь лучи не преломляются. Однако по направлению к любому краю линзы световые лучи сталкиваются с ее поверхностью под большим углом. Внешние лучи в пучке света сходятся все больше к центру; это явление называют конвергенцией лучей. Половина отклонений происходит при входе лучей в линзу, а другая — при выходе их с противоположной стороны линзы. (Следует подумать, почему лучи отклоняются к центру при выходе из линзы.) Если кривизна линзы идеальная, параллельные световые лучи, проходящие через любую ее часть, будут фокусироваться достаточно точно, в результате все лучи пройдут через единую точку, которую называют точкой фокуса.
в) Вогнутая линза ведет к расхождению (дивергенции) световых лучей. На рисунке ниже показано влияние вогнутой линзы на параллельные световые лучи. В центре линзы граница раздела перпендикулярна пучку света, поэтому световые лучи проходят здесь без преломления. Лучи, приходящие к краю линзы, входят в нее раньше, чем центральные. Это ведет к расхождению (дивергенции) периферических световых лучей от лучей, проходящих через центр линзы. Таким образом, вогнутая линза ведет к расхождению световых лучей, а выпуклая линза способствует их схождению.
Отклонение лучей света на каждой поверхности вогнутой сферической линзы, демонарирующее, что параллельные световые лучи расходятся
А. Выпуклая сферическая линза собирает параллельные световые лучи в точке фокуса.
Б. Выпуклая цилиндрическая линза собирает параллельные световые лучи на линии фокуса
г) Цилиндрические линзы отклоняют лучи света только в одной плоскости. Сравнение со сферическими линзами. На рисунке выше показаны две выпуклые линзы: сферическая и цилиндрическая. Цилиндрическая линза отклоняет световые лучи с обеих ее сторон, но лучи, проходящие через вершину или основание линзы, не отклоняются. Это значит, что отклонение происходит в одной плоскости, но не в другой. Таким образом, параллельные световые лучи отклоняются к линии фокуса. Наоборот, световые лучи, проходящие через сферическую линзу, преломляются на всех краях линзы (в обеих плоскостях) по направлению к центральному лучу, и все лучи попадают в точку фокуса.
Хорошим примером цилиндрической линзы может служить пробирка, заполненная водой. Если такую пробирку поместить в луч солнечного света и постепенно приближать кусочек бумаги к противоположной стороне пробирки, на определенном расстоянии можно увидеть схождение световых лучей на линии фокуса. Сферическую линзу демонстрирует обычная лупа. При помещении такой линзы в пучок солнечного света и постепенном приближении к ней кусочка бумаги на определенном расстоянии световые лучи сойдутся в общей фокусной точке.
Вогнутые цилиндрические линзы способствуют расхождению (дивергенции) световых лучей только в одной плоскости, а выпуклые цилиндрические линзы обеспечивают схождение (конвергенцию) световых лучей в одной плоскости.
А. Фокусирование света от точечного источника цилиндрической линзой на линии фокуса.
Б. Две выпуклые цилиндрические линзы, расположенные под прямым углом друг к другу; одна линза собирает световые лучи в одной плоскости, а другая собирает их в плоскости, расположенной под прямым углом. Обе линзы вместе дают такой же точечный фокус, как и одна выпуклая сферическая линза
д) Комбинация двух цилиндрических линз, размещенных под прямым углом, соответствует сферической линзе. На рисунке Б выше показаны две выпуклые цилиндрические линзы, расположенные под прямым углом друг к другу. Вертикальная линза собирает световые лучи, проходящие через обе ее стороны, а горизонтальная линза собирает лучи у верхушки и основания. Таким образом, все световые лучи сходятся в единой фокусной точке. Другими словами, две цилиндрические линзы, расположенные под прямым углом друг к другу, выполняют ту же функцию, что и одна сферическая линза той же преломляющей силы.
Видео физиология зрительного анализатора - профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
