Optikai eszközök; A fizika alapismeretei
A szem¶
A geometriai optika szempontjából a szem két konvergáló lencse lencserendszeréből áll - egyrészt az ívelt szaruhártyarétegből, másrészt a szemlencséből, amelyet egy kör alakú izom deformálhat. A lencsék által készített kép a retina mentén fut. Vannak olyan érzékszervi sejtek (rudak és kúpok), amelyek elnyelik a beeső fénysugarakat, és a megfelelő jeleket továbbítják az agyba a látóidegen keresztül.
Egy szem sematikus felépítése.
A kép észleléséhez elegendő fénynek kell elérnie a retinát. A pupilla mérete szabályozza, hogy mennyi fény esik a szembe; A pupilla szűkül, ha túl sok fény jut a szembe, és károsíthatja a retina érzékelő sejtjeit („adaptáció”). A fénysugarakat az írisz is elzárja, amelyek egyébként eltalálják a lencse szélét, és homályos képet eredményezhetnek a gömb aberráció miatt.
Sugárút és képkép a szemben.
Amint a szem fénysugarainak menetéből látható, a szemlencse fordított és fordított képet hoz létre a retinán. Csak az agyban megy végbe (öntudatlanul) „újragondolás”, amely viszont a kapott képjelekből egyenes képet alkot. [1]
A szem szaruhártyájának törési ereje kb., A (nyugodt) szemlencséjének törési ereje kb. Szükség esetén a záróizom akár a közeli tárgyakra nézve is növelheti a szemlencse fénytörési erejét, ezáltal ez a „szállásnak” nevezett képesség az életkor előrehaladtával „csak” csökkenhet. Ebben az esetben konvergáló lencsével ellátott szemüvegre van szükség ahhoz, hogy a közelben lévő tárgyakat meg lehessen nézni.
Távol- és rövidlátás
Az úgynevezett távollátás vagy rövidlátás a leggyakoribb vizuális hibák közé tartozik.
- Távollátás esetén a szemgolyó „túl kicsi”, ezért a szemlencse által generált kép a retina mögött van. Ebben az esetben egy megfelelő konvergáló lencse olyan gyógyszert biztosíthat, amely növeli a kapott lencserendszer töréserejét vagy csökkenti a gyújtótávolságát.
Távollátás vizuális segítséggel és anélkül.
- A rövidlátásban a szemgolyó „túl nagy”, ezért a lencse által generált kép a retina előtt van. Ebben az esetben egy megfelelő divergens lencse biztosíthatja a gyógymódot, amely csökkenti a kapott lencserendszer töréserejét vagy növeli annak fókusztávolságát.
Távollátás vizuális segédeszközökkel és anélkül.
Mindkét látási hiba veleszületett lehet, ha a szemgolyó mérete eltér a "normál" mérettől. Myopia esetén a szem lencséje myopia esetén is túl élesen vagy túl gyengén görbülhet.
Távollátás esetén a körizom életkorral összefüggő csökkenése vagy a szemlencse megkeményedése a lencse gyenge töréshatalmához vezethet. Ebben az esetben a szem lencséje már nem lehet annyira ívelt („befogadott”), hogy képes legyen fókuszban lévő közeli tárgyakat képezni; ebben az esetben "presbiópiáról" beszélünk. Csakúgy, mint a veleszületett távollátás, ezt megfelelő fénytörési erővel rendelkező konvergáló lencse is kompenzálhatja.
A látószög és a felbontás
Az, hogy egy objektum mekkora érzékelésű, a retinán létrehozott kép méretétől függ. A kép mérete grafikusan meghatározható az objektumból származó központi sugarakba történő rajzolással. Ezt a sugarat képező szöget nevezzük látószögnek.
Annak a látószögnek az ábrázolása, amelynél a megtekintett tárgy megjelenik a retinán.
Minél kisebb a látószög, annál kisebb a megtekintett objektum képe a retinán. A minimális látószöget, amely ahhoz szükséges, hogy két tárgypont egymástól térben elkülönülve érzékelhető legyen, (optikai eszköz) felbontóképességének nevezzük. Az emberi szemben körülbelül egy hatvanad fokos (egy ívperces) látószög szükséges ahhoz, hogy két különböző érzékszervi sejtet stimuláljon a retinán, és így két tárgypontot egymástól külön-külön is észlelni tudjunk (a retinán lévő érzékszervi sejtek távolsága hozzávetőlegesen kb.). A normál látású szem általában két, egymástól elválasztott pontot érzékel a tiszta látótávolságnak nevezett távolságtól.
A látószög a következő összefüggés alapján határozható meg
Kis látószögek esetén az alábbiak körülbelül radiánban vonatkoznak, és így:
A látószög növelésének egyik módja az, hogy a megtekintett tárgyat közelebb hozza a szemhez, vagy fordítva. A normál látású szem csak kb. Távolságra tud fókuszálni; Hosszabb ideig ezt a feszült látást kimerítőnek is érzékelik. Optikai eszköz, például nagyító használata kellemesebbnek tűnik a kis tárgyak megtekintéséhez. Ebben az esetben a nagyítás abból adódik, hogy a megtekintett tárgy egy ilyen segédeszközzel nagyobb látószögben jelenik meg. Formálisan az optikai eszköz nagyítását a következőképpen lehet meghatározni:
A Kepler-távcső¶
A Kepler-teleszkóp ("teleszkóp") lényegében egy nagy, kissé ívelt konvergáló lencséből áll, mint egy objektívből, és egy viszonylag kicsi, erősebben ívelt konvergáló lencséből, mint okulárból. [2]
A Kepler-teleszkópot általában olyan objektumok megtekintésére használják, amelyek nagyon messze vannak, és amelyek jóval az objektív gyújtótávolságának kétszeresén kívül esnek. Ebben az esetben az objektív lencséje kicsinyített, megfordított és fordított képet készít a teleszkóp belsejében lévő tárgyról. Ezt a szemlencsén keresztül kinagyítva nézzük, amely nagyítóként működik. [3]
Sugárút egy Kepler-távcsőben.
Összességében egy Kepler-teleszkóp nagyítást eredményez, amely megfelel az objektív fókusztávolságának és a szemlencse fókusztávolságának arányának:
(1) ¶
A látószög (viszonylag kicsi) nagyításán túl a Kepler-távcső lencserendszere biztosítja, hogy az objektívre eső teljes fénymennyiség a lényegesen kisebb okulárlencsére koncentrálódjon, és így a szem érzékelje; a teleszkóp által készített kép világosabbnak tűnik.
A Kepler-teleszkóp minimális hossza megegyezik az objektív és a szemlencse gyújtótávolságainak összegével, azaz . Ennek az az oka, hogy a létrehozott köztes kép (éppen) kívül esik a lencse gyújtótávolságán, és majdnem a szemlencse gyújtótávolságánál.
A fénymikroszkóp¶
A fénymikroszkópban a mikroszkóp tövében elhelyezkedő erős fényforrást használják a mikroszkópasztalon fekvő minta átvilágítására. Ezt az objektumot két konvergáló lencse (objektív és szemlencse) rendszerén keresztül tekintik meg.
A megtekintett tárgy és az objektum közötti távolságot úgy állítják be, hogy a mikroszkóp fokozatának magasságát úgy állítsák be, hogy az objektum és az objektum fókusztávolságának egy- és kétszerese legyen a távolság. Ebben az esetben az objektív kinagyított, fordított és fordított képet készít az objektumról a csőben.
Sugárút fénymikroszkópban. A lila nyilak mutatják a kép méretét a retinán vagy a látószöget mikroszkóp nélkül.
A nagyítóként működő szemlencsén keresztül az objektív által generált (köztes) képet további nagyítással tekintjük meg. A mikroszkóp teljes nagyítása megfelel az objektív és a szemlencse nagyításainak szorzatának.
A Galileo távcső¶
A galileai távcső lényegében egy nagy, kissé ívelt konvergáló lencséből áll, mint objektívből, és egy viszonylag kicsi, sokkal erősebben ívelt, széttartó lencséből, mint okulárból.
Sugárút egy Galileo-távcsőben.
Általában Galileo-teleszkóppal olyan objektumokat néznek meg, amelyek nagyon távol vannak, és amelyek messze meghaladják az objektív gyújtótávolságának kétszeresét. A Kepler-teleszkóppal ellentétben azonban az objektívlencse által összekapcsolt fénysugarak nem keresztezik egymást a teleszkópon belül; inkább a beeső sugarakat szétszórja a szemlencse úgy, hogy párhuzamosan futjanak az eredeti sugarakkal.
A galilei távcső nem hoz létre köztes képet, csak növeli azt a látószöget, amely alatt a megtekintett tárgy megjelenik. A Galileo teleszkóp nagyítása kiszámítható - akárcsak a Kepler-teleszkóp esetében - a (pozitív) gyújtótávolság és a két lencse felhasználásával:
(2) ¶
A Kepler-teleszkóp minimális hossza megegyezik az objektív és a szemlencse gyújtótávolságának különbségével, azaz Ennek oka az, hogy a szemlencse gyújtótávolságát úgy választják meg, hogy mindkét lencse fókuszpontja egybeessen. Ily módon a párhuzamosan beeső fénysugarakat viszont a teleszkópon áthaladva párhuzamos sugarakra képezik.
Ez a képesség az újszülött gyermekeknél még nem érhető el az élet első napjaiban; körülbelül egy hétbe telik, amíg a szem érzékeit az agy „helyesen” feldolgozza.
Az úgynevezett „fordított szemüveg” segítségével az ellenkező élmény kísérleti úton is újjáéleszthető a későbbi életben.
Vannak gyakorlatok ehhez a szakaszhoz .