Закони заломлення

На межі|кордоні| двох середовищ|середи|, окрім|крім| віддзеркалення|відображення,відбиття|, спостерігається заломлення світла — явище, що полягає у частковому переході променя у друге середовище|середу|, змінюючи|зраджуючи| свій первинний напрям|направлення|. Цей промінь називається заломленим.

II закон: Відношення|ставлення| синуса кута|рогу,кутка| падіння до синуса кута|рогу,кутка| заломлення є величина постійна для заданих двох середовищ|середи| і називається показником заломлення другого середовища|середи| відносно першого:

Показник заломлення якого-небудь середовища|середи| щодо|відносно| вакууму називається абсолютним показником заломлення .

Якщо кут|ріг,куток| падіння більший кута|ріг,куток| заломлення, то друге середовище|середа| називається оптично щільнішим, ніж перше.

Під час переходу світла з|із| оптично щільнішого середовища|середи| в оптично менш щільне -|середу| кут|ріг,куток| падіння a буде менший кута|рогу,кутка| заломлення (мал. 5.2а)

Малюнок 5.2 - Граничний кут падіння

При деякому кутіі падіння кут|ріг,куток| заломлення виявиться рівним 90° (мал.5.2 б), тобто заломлений промінь ковзатиме уздовж|вздовж,уподовж| межі|кордону| розділу середовищ|середи|, не війшовши в друге середовище|середу|.

При подальшому|дальшому| збільшенні a світло повністю відображатиметься|відбиватиметься| в перше середовище (мал.5.2в)|середу|. Це явище носить назву повного|цілковитого| внутрішнього віддзеркалення|відображення,відбиття| світла. Кут|ріг,куток| називається граничним кутом|рогом,кутком| падіння.

звідки

Виходячи з цих співвідношень, можна визначити відносний показник заломлення двох середовищ|середи|, а також абсолютний показник заломлення одного з середовищ|середи|, якщо показник іншого середовища|середи| відомий. Оптичний прилад, що служить для цієї мети|цілі| і заснований на явищі повного|цілковитого| внутрішнього віддзеркалення|відображення,відбиття|, називається рефрактометром.

Лінзи

Для зміни напряму|направлення| світлових променів в оптичних системах широко використовують лінзи (від латинського слова Lens — чечевиця|сочевиця|).

Лінзою називається прозоре тіло обмежене двома сферичними поверхнями, що відрізняється від навколишнього середовища за показником заломлення.

Ми розглядатимемо|розглядуватимемо| лише|лише| тонкі лінзи, товщина яких мала у порівнянні з радіусами сферичних поверхонь, що обмежують лінзу. Прийнято вважати|лічити|, що в таких лінзах заломлення променів відбувається|походить| в одній площині|плоскості| (ЗП|), яка називається заломлюючою (мал. 5.3а).

Пряма, що проходить через центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, (SS') називається головною оптичною віссю (мал. 5.3б).

Точка перетину головної оптичної вісі із|із| площиною заломлення|плоскістю| називається оптичним центром лінзи (О).

Будь-яка пряма, що проходить через оптичний центр лінзи, називається оптичною віссю (АА|) мал. 5.3б

Промені, паралельні головній оптичній вісі, після|потім| заломлення у лінзі збираються в одній точці|точці|, що зветься головним фокусом лінзи (F) мал. 5.4 а. Точка перетину оптичної вісі з|із| фокальною площиною|плоскістю| називається побічним фокусом .

Малюнок 5.3-Основні елементи лінзи

Такі лінзи називаються збираючими. Паралельний пучок променів після|потім| заломлення в лінзі може розсіюватися, тоді в одній крапці|точці|, званій уявним фокусом, зберуться продовження цих променів. Такі лінзи називаються розсіюючими (мал. 5.4, б).

Площина|плоскість|, перпендикулярна головній оптичній вісі, яка проходить через головний фокус лінзи, називається фокальною площиною|плоскістю| (мал. 5.4 а,б).

У збираючих лінзах зображення залежить від положення|становища| предмету. Якщо предмет знаходиться|перебуває| між оптичним центром лінзи і головним фокусом, то зображення буде уявним, прямим і збільшеним (мал. 5.4, а).

Якщо предмет знаходиться|перебуває| між фокусом і подвійним фокусом, зображення — дійсне, зворотнє, збільшене (мал. 5.4, б).

Малюнок 5.3- Фокус та уявний фокус

Якщо предмет знаходиться|перебуває| між подвійним і потрійним|потроєним| фокусами і далі, зображення — дійсне, зворотнє, зменшене (мал. 5.4, в).

Розсіюючі лінзи завжди дають уявне, пряме і зменшене зображення (мал. 5.4, г).

Малюнок 5.4- Побудова зображення у лінзах

Відстань від оптичного центру лінзи до головного фокусу називається фокусною відстанню . Величина, зворотня фокусній відстані, називається оптичною силою лінзи:

Вимірюється оптична сила лінзи у діоптріях (дптр|).

Одна діоптрія — це оптична сила такої лінзи, фокусна відстань якої рівна 1 м.

У|в,біля| збираючих лінз вона позитивна, у|в,біля| розсіюючих - негативна|заперечна|.

На практиці, для визначення фокусної відстані і оптичної сили лінзи використовують формулу тонкої лінзи:

,

де — відстань від предмету до лінзи, — відстань від лінзи до зображення.

Зображення, одержані|отримані| за допомогою однієї лінзи, як правило, відрізняються від самого предмету. У цьому випадку говорять про спотворення зображення.

Нижче розглядаються|розглядуються| основні види спотворень і способи їх усунення.

Сферична аберація виникає тому, що краї лінзи відхиляють|відхилюють| промені сильніше, ніж центральна частина|частка| (мал. 5.5, а). Таким чином, зображення точки|точки|, що світиться, на екрані виходить у вигляді розпливчатої плями, а зображення протяжного предмету стає не різким та розмитим. Для усунення сферичної аберації використовують центровані оптичні системи, що складаються із збираючих і розсіюючих лінз.

Центрованою називається система лінз, що мають загальну|спільну| головну оптичну вісь.

Хроматична аберація обумовлена дисперсією світла, оскільки|тому що| лінзу можна представити|уявити| у вигляді призми. У цьому випадку фокусна відстань для променів різної довжини хвилі виявляється|опиняється| неоднаковою рис 5.5., б. Тому при освітленні предмету складним, наприклад, білим світлом, точку|точка| на екрані буде видно у вигляді забарвленої|пофарбованої| плями, а зображення протяжного предмету буде забарвленим|пофарбованим| і нерізким. Хроматичну аберацію можна виключити, комбінуючи збираючі і розсіюючі лінзи зі скла різних сортів|гатунків|, що володіють різними відносними дисперсіями. Такі системи лінз називаються ахроматами|.

Малюнок 5.5- Види спотворення зображень у лінзах

Причиною астигматизму є|з'являється,являється| неоднакове заломлення променів у різних меридіональних площинах|плоскості| лінзи. Розрізняють два види астигматизму. Перший, так званий, астигматизм нахилених променів, виникає у лінзах, що мають сферичну форму поверхні, але|та| промені падають на лінзу під значним кутом|рогом,кутком| до головної оптичної вісі. У цьому випадку промені у взаємно перпендикулярних площинах|плоскості| заломлюються неоднаково (мал. 5.5, в). Точка|точка| на екрані виглядає як лінія, а у|в,біля| протяжного предмета форма спотворюється, наприклад, квадрат буде видно як прямокутник. Другий вид астигматизму, правильний, виникає при відхиленні поверхні лінзи від сферичної (мал. 5.5, г), коли по різних меридіональних площинах|плоскості| неоднаковий радіус кривизни, тобто форма поверхні у цій площині|плоскості| не є|з'являється,являється| сферичною. Астигматизм нахилених променів усувається поворотом лінзи до зображеного предмету |змальовується|. Правильний астигматизм усувається шляхом підбору радіусів кривизни і оптичних сил заломлюючих поверхонь. Найчастіше це циліндрові лінзи. Оптичну систему, виправлену на астигматизм |справлену| окрім|крім| сферичної та хроматичної аберації називають анастигматом.