Геометрична оптика як граничний випадок хвильової оптики. Основні поняття геометричної оптики. Оптичні прилади. Волоконна оптика.

Оптику поділяють на дві основні частини: фізичну і геометричну. Фізична оптика вивчає явища, в яких проявляються хвильові і кор­пускулярні властивості світла. Наприклад, з'ясовані вже нами явища інтерференції і дифракції є проявами хвильових властивостей світла. Геометрична оптика вивчає явища, в яких проявляється властивість прямолінійного поширення світла в ізотропному середовищі. Геометрична оптика – це розділ оптики, що розглядає питання поширення світла в різних оптичних

Основним у геометричній оптиці є поняття світлового променя. Під променем розуміють нормаль до хвильової поверхні, яка показує напрям поширення світлової енергії. Експериментально цей напрям зображують вузьким пучком світла, що виділяється через невелич­кий отвір у непрозорому екрані. Такий пучок можна візуально спо­стерігати в задимленому просторі.

Прямолінійністю поширення світла пояснюється утворення ті­ней від непрозорих предметів. Хід променя на межі двох середовищ визначається законами відбивання і заломлення.

Користуючись світловими променями, можна встановити прос­тий метод побудови зображень в оптичних системах. Він зводиться до того, що з кожної точки S світного предмета проводять пучок про­менів і шукають точку їхнього перетину S' після проходження оптич­ної системи. З цієї точки промені далі розходяться так, ніби вона є самостійним джерелом, подібним до світної точки S; тому точку S' називають зображенням світної точки S. Сукупність зображень всіх точок світного предмета буде зображенням цього предмета у даній оптичній системі.

Метод геометричної оптики має важливе застосування в роз­рахунках і конструюванні різних оптичних приладів. Проте слід зазначити, що цей метод має наближений характер і обмежене засто­сування.

Закони геометричної оптики можуть порушуватися внаслідок явищ дифракції або різних неоднорідностей у середовищі.

Спочатку здається, що коли виділяється дедалі вужчий пучок світла, то світловий промінь все ближче і точніше відображатиме за­кономірності геометричної оптики. Насправді ж виділення і зву­ження світлового пучка можна досягти за допомогою діафрагми з отвором, але при звуженні отвору все більше проявляється явище дифракції, яке зумовлює розширення світлового пучка.

Оптичні прилади – це оптичні системи, які складаються з лінз, дзеркал, призм та ін., змонтованих у залежності від призначення приладу. До оптичних приладів, метою застосування яких є отримання різних оптичних зображень, належать: проекційні апарати (кіноапарат, фільмоскоп, фотозбільшувач, епіадоскоп), лупи, фотоапарати, мікроскопи, телескопи (рефрактори, рефлектори) та ін.

Фотоапарат. Фотоапарат складається із збиральної лінзи або комбінації лінз — об'єктива Об (рис.), апертурної діафрагми Д, камери К з касетною частиною Ф. При фотографуванні у касетну частину вставляється касета з фотопластинкою або з фото­плівкою. У деяких фотоапаратах для наведення зображення на різкість у касетну час­тину вставляють матове скло; в інших фотоапаратах для наведення на різкість є спеціальні видошукачі.

Об'єктив фотоапарата звичайно являє собою короткофокусну збиральну оптичну систему з усуненими абераціями(відхиленнями), за допомогою якої на фо­топлівці дістаємо дійсне і перевернуте зображен­ня. Якщо предмет віддалений, то зображення знаходиться поблизу фокальної площини; якщо предмет ближче, то зображення буде далі від фо­кальної площини.

Проекційний апарат. За допомогою проекційних апаратів одержують на екрані дій­сні і збільшені зображення картин або предметів. По суті проекційний апарат являє собою конструкцію, подібну до фотоапарата, де предмет і зображення помінялися мі­сцями. Картина на скляній пластинці або плівці розміщується відносно об'єктива Об на відстані, яка дещо більша від його фокусної відстані (рис.), завдяки чому на ек­рані Е, розміщеному в кількох метрах від об'єктива, виникає збільшене і перевернуте зображення. Пластинка або плівка освітлюється потужним джерелом світла S, розмі­щеним у головному фокусі лінз конденсора К. Конденсор забезпечує рівномірне осві­тлення кадра. Такою є схема проекційного апарата для демонстрування прозорих об'єктів (діапозитивів). Інакше його називають діаскопом (для діапрозорих об'єктів).

До таких апаратів належить також кінопроектор. Предметом у ньому є довга плів­ка з окремих знімків. Тут на екран проектується 20—25 кадрів за секунду, тому створюється враження безперервного руху.

Для показу на екрані непрозорих предметів, наприклад, рисунків з книги, їх сильно освітлюють боковим світлом і за допомогою дзеркала Дз та об'єктива Об (рис. ) проектують на екран Е. Прилад, призначений для таких проекцій, називають епіскопом.

Часто в одному приладі компонують пристрої для проектування як прозорих, так і непрозорих предметів. Такі прилади називаються епідіаскопами.

Лупа. Лупа є найпростішим оптичним приладом, яким користуються для роз­глядання дрібних предметів у точних роботах. Вона є тонкою збиральною лінзою, яка, діючи спільно з оком, забезпечує збільшення кута зору. Звичайну лупу утримують біля ока, а розглядуваний предмет розміщують між фокусом і лінзою, поблизу фокуса (рис. 50, а). При цьому зображення предмета буде уявне, пряме і збільшене. Здійсню­ючи деяке переміщення ока з лупою, зображення одержують на відстані 250 мм; тобто на відстані найкращого бачення.

Мікроскоп. Для розгляду близьких і дуже дрібних предметів, коли потрібні значно сильніші збільшення від тих, що дає лупа, використовується складніша оптична сис­тема — мікроскоп. Мікроскоп складається з об'єктива і окуляра, які являють собою короткофокусні збиральні системи з усунутими абераціями. Мікроскоп може давати давати не тільки уявне зображення а й дійсне. Для цього досить дещо підняти окуляр угору, збільшивши відстань між об'єктивом і окуляром так, щоб первинне зображення предмета розмістилося за фокусом окуляра. Тоді вторинне зображення предмета буде дійсним і знаходитиметься над окуляром мікроскопа. Величину цього зображення можна змінювати, змінюючи відстані окуляра від первинного зображення предмета.

Телескоп. Телескопом називають оптичний прилад, призначений для розглядання великих, але віддалених предметів. Він складається з довгофокусного об'єктива і коро­ткофокусного окуляра. Об'єктив відтворює великий, але віддалений предмет в маленьке, але близьке зображення, не змінюючи кута зору; окуляр же в ролі лупи збільшує це пер­винне зображення.