Оптика развитие представлений о природе света




Скачать 368.88 Kb.
НазваниеОптика развитие представлений о природе света
страница3/4
Дата конвертации21.12.2012
Размер368.88 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4

11. Недостатки изображений.
Итак, сферическая форма линз - это компромисс между тем, что хотелось бы иметь, и тем, что можно изготовить. Платой за этот компромисс являются искажения изображения, которые называются сферической аберрацией. Её проявления разнообразны.

Линзы со сферическими поверхностями хорошо заменяют линзы с точным профилем лишь для лучей, близких к главной оптической оси (так называемых параксиальных лучей). Получается, что дальние от оси лучи всё той же схемы рисунка 5 отклоняются «слишком хорошо», пересекая ось за линзой в точках, лежащих левее фокуса. Так что если в фокальной плоскости поместить экран, то на нем вместо яркой точки получится пятно.

Если не идеальна фокусировка параллельного пучка света, то неизбежны изъяны и в любом изображении, получаемом с помощью линзы. Таковы проявления специфической аберрации.

Отметим ещё два недостатка линз, связанные с неидеальностью формы их преломляющих поверхностей: они имеют свои специфические проявления, а потому - свои названия.

Дисторсия - недостаток изображения, вызванный тем, что неодинаковость фокусного расстояния линзы для ближних к оси и дальних лучей означает так же и неодинаковость увеличения, получаемого в этих лучах. Как общее следствие, изображение предмета имеет искажения формы. Так, разглядывая через линзу квадрат, можно в связи с дисторсией увидеть то, что показано на схемах (А) или (Б) рисунка 16


Рисунок 16
Астигматизм - искажение изображения, получаемого в косых лучах от точечного источника света, значительно смещенного в поле зрения линзы от её оси. Получаемое изображение: вместо точки или хотя бы круглого пятна - два взаимно перпендикулярных отрезка (крест). Этот дефект изображения обусловлен тем, что вместо сферического фронта волны, падающей на линзу, на выходе её получается волна, фронт которой более изогнут в одной плоскости (например, вертикальной), и менее изогнут в другой (горизонтальной) плоскости.

Но линзы имеют так же недостаток изображения, не связанный с их формой. Это хроматическая аберрация. Суть ее в том, что показатель преломления вещества, из которого выполнена линза - это не константа (явление дисперсии), а лучи света с различной длиной волны (красный, жёлтый, синий и т.п.) преломляются в одной и той же линзе по-разному, «подчиняясь» своему значению показателя преломления, и, соответственно, фокусируются по-разному. Изображение предмета получается в радужном ореоле. И чем больше увеличение, на которое рассчитан оптический прибор, тем сильнее проявится хроматическая аберрация, если не принять защитных мер.

В оптических приборах недостатки изображения научились компенсировать путём установки, вслед за основной линзой, дополнительных линз, корректирующих ход лучей. Так, «слишком хорошее» преломление лучей, удаленных от главной оптической оси, подправляется рассеивающей дополнительной линзой. Если основная линза характерна дисторсией типа А на рисунке 15, то для её коррекции напрашивается линза с дисторсией типа Б. Хроматическая аберрация устраняется или минимизируется с помощью дополнительных линз, изготовленных из стекол с другим значением показателя преломления.

При разработке оптических приборов устраняются не все аберрации подряд, а лишь те, устранение которых соответствует назначению прибора.

Группа линз, взаимно дополняющих возможности друг друга-это оптическая система, работающая как одна линза.

Анастигмат - это оптическая система, скорректированная не только по сферической и хроматической аберрации, но и астигматизму. Так что если объектив фотоаппарата – анастигмат, то не удивляйтесь, что аппарат стоит так дорого.

12. Оптическая система глаза.
Зрение начинается с глаза. Оптическая система глаза обеспечивает получение на сетчатке глаза уменьшенного действительного обратного (перевернутого) изображения.

Рисунок 17

Если светопреломляющую систему глаза рассматривать как одну линзу, то общая оптическая сила этой системы получается как алгебраическая сумма следующих четырёх слагаемых:

а) Роговица: D = +42,5 дптр

б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр

в) Хрусталик: D  const; от +19 до +33 дптр

г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр.

Благодаря тому, что оптическая сила хрусталика - величина переменная, суммарная оптическая сила глаза лежит в пределах от 49 до 73 дптр.

Редуцированный глаз, как единая линза, обращён одной стороной - к воздуху, (абсолютный показатель преломления nвозд = 1), а другой - соприкасается с жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый фокусные расстояния не одинаковы; если переднее фокусное расстояние в среднем F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический центр системы - в глубине глаза на расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности роговицы.

Основной преломляющий элемент этой системы – роговица - имеет не сферическую, а более сложную форму преломляющих поверхностей, и это - хороший удар по сферической аберрации.

Хрусталик меняет свою оптическую силу при сокращении или расслаблении цириальных мышц; этим достигается аккомодация глаза - его приспособление к фокусировке изображения на сетчатке как при рассматривании удалённых, так и близких предметов. И кстати, необходимое напряжение этих мышц даёт информацию о расстоянии до рассматриваемого предмета, даже если мы рассматриваем его одним глазом. Но наша ориентация в пространстве более точна и совершенна благодаря бинокулярному зрению: изображения в каждом из глаз, сводимые мозгом воедино, дают не только трехмерное пространственное видение, но и улучшенную ориентацию в пространстве. Источником информации является и натяжение мышц, управляющих поворотами глазных яблок (например, их сведением «в кучку»).

Хрусталик интересен ещё и тем, что он имеет слоистую структуру, слои прозрачны, но их показатель преломления меняется от n=1,40 в центре до n=1,38 по краям, а это уже - удар по хроматической аберрации. И хорошо бы научиться изготавливать оптические материалы с заданным распределением показателя преломления!

Общее количество света, поступающее в глаз, регулируется радужной оболочкой. Она может быть разной по цвету, и потому люди бывают голубоглазые, кареглазые и т.п. Она управляется парой мышц. Имеется мышца, сужающая зрачки (циркулярная мышца), имеется мышца, его расширяющая (радиальная мышца). Обычное дело: сокращение одной мышцы при расслаблении другой, и наоборот; сходным образом пары мышц «сгибатель-разгибатель» обеспечивают любую степень свободы опорно-двигательного аппарата. Необычность этой пары глазных мышц всё же имеет место, и состоит в том, что циркулярная мышца управляется коротким аксоном непосредственно из головного мозга, а радиальная - по нервным волокнам, идущим через головной мозг в спинной мозг, в область грудной клетки, оттуда - через шейный нервный узел - опять в голову и оттуда к другому концу радужки. В чём необходимость такого кружного пути - до сих пор дело темное. А последствия различной иннервации этой пары мышц весьма ощутимы: мы очень быстро реагируем на внезапные вспышки света (быстрое сокращение зрачка), но если внезапно оказываемся в темноте, то длительное время вообще ничего не видим, и лишь постепенно начинаем различать контуры окружающих предметов.

Рассмотрим далее особенности строения сетчатки. Её назначение - преобразовать оптическое изображение, полученное на её поверхности, в потоки электрических нервных импульсов, поступающих в мозг. Эти преобразования осуществляются клетками-фоторецепторами двух типов, получивших, в связи с особенностями своей формы, название колбочек и палочек.

Колбочки-фоторецепторы дневного зрения. Обеспечивают цветовое зрение. Палочки - рецепторы сумеречного зрения. Каждый глаз человека содержит примерно 125106 палочек и 5106 колбочек, итого 130106 фоторецепторов. Аналогия: структурной единицей жидкокристаллических мониторов является единичный жидкий кристалл - пиксель. Так что каждый глаз - это 130 мегапикселей. Впечатляет?

Колбочки и палочки распределены по сетчатке очень неравномерно: на периферии размещены только палочки, чем ближе к области жёлтого пятна, тем больше встречается колбочек; в жёлтом пятне размещены только колбочки и их плотность (количество на единицу площади) очень велика, так что здесь эти клетки даже «изготавливаются» в малогабаритном варианте - они более мелкие, чем в других областях сетчатки.

Область жёлтого пятна сетчатки - это область наилучшего зрения. Здесь мы фокусируем изображение предмета, если хотим разглядеть этот предмет особо тщательно.

Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом пятне определяет остроту нашего зрения. Плотность эта, в среднем, такова, что на отрезке длиной 5 мкм умещаются три колбочки. Для того, чтобы глаз различал две точки предмета, необходимо, чтобы между двумя засвеченными колбочками непременно находилась одна не засвеченная. С учётом положения оптического центра глаза, обсуждавшегося выше, нормальная острота зрения - угол между двумя засвеченными колбочками - получается равной 1/ (одна угловая минута). Много это или мало? Если продолжить два таких луча из оптического центра на расстояние наилучшего зрения (L=25 см), то какова протяженность l объекта на пределе наших возможностей?


Рисунок 18
Если на схеме рисунка 18 угол:

 = 1/ = = 0,0170 = 0,017 радиан =0,0003 радиан = 310-4 радиан,

то, в соответствии с определением радианной меры угла:  = = 310-4;

l = 310-4L=310-425 см = 7510-4 см = 0,0075 см = 0,075 мм

Этот результат можно проиллюстрировать так: если провести тонкую горизонтальную линию на расстоянии 25 см от глаз, то мы сможем различить верхнюю и нижнюю кромки этой линии (кто-то может, а кто-то и нет).

Для определения остроты зрения применяются более крупные тестовые объекты, но расположенные на большем удалении. Это буквенные таблицы Сивцева или кольца с разрывами Ландольта.

Область сетчатки, от которой отходит зрительный нерв, вообще не имеет фоторецепторов; это - так называемое «слепое пятно», но область эта невелика, и особых проблем со зрением не создаёт.
13. Некоторые особенности зрительной рецепции.
1. Общее число колбочек и палочек в одном глазе - 130106, количество волокон в зрительном нерве – 106. Это указывает на то, что на одно волокно - один канал связи с мозгом - приходится в среднем 130 фоторецепторов.

Если связи «сетчатка-мозг» назвать вертикальными, то связи между рецепторами - это горизонтальные связи. Более детальное изучение вопроса показало, что количество палочек, объединенных в зону общих горизонтальных связей, может превосходить 1000,а на каждую колбочку приходится по одному волокну. Но не следует думать, что межколбочковые горизонтальные связи отсутствуют.

Благодаря горизонтальным связям фоторецепторов, в сетчатке осуществляется предварительная обработка зрительной информации, своего рода «предварительные вычисления», иначе говоря, сетчатка выполняет некоторую часть функций мозга. Фразу «сетчатка - это часть мозга» не следует рассматривать как литературное преувеличение: доказано, что при развитии зародыша, часть мозга выносится вперед, из неё назад вырастают длинные волокна, которые связывают её с остальным мозгом. И по своей организации сетчатка весьма похожа на мозг.

2. Кратко остановимся на «географических» соответствиях сетчатки и мозга. Тот миллион нервных волокон, который выходит из каждого глаза, заканчивается в зрительной коре, причём таким образом, что если две некоторые зоны соседствуют в сетчатке, то они соседствуют и в мозге. Так что, пятну света на сетчатке соответствует «пятно» возбуждения в мозге. Из сказанного следует, что расхожее утверждение: «новорожденный всё видит вверх ногами и постепенно переучивается» мало чего стоит: перевернутое оптическое изображение на сетчатке - это не итог зрения, а самое его начало. А в мозгу - где там верх, где низ?

Однако, соответствие областей сетчатки и областей мозга далеко от геометрического подобия. Так, сравнительно компактной области жёлтого пятна в сетчатке соответствуют весьма обширные области мозга, и это не должно удивлять: во-первых, это зона наилучшей разрешающей способности глаза, и с её помощью мы изучаем окружающие предметы наиболее детально; во-вторых, в жёлтом пятне содержатся только колбочки, а на каждую из них приходится по одному нервному волокну.

Для полноты картины отметим так же, что некоторая часть нервных волокон левого глаза поступает в правое полушарие, а правого - в левое. Это необходимо для функционирования бинокулярного зрения.

Наконец, по некоторым волокнам передается информация о «вычисленной» сетчаткой средней освещенности. Эта информация необходима для выработки команд на расширение или сужение зрачка.

3. Порог чувствительности палочки - 1 квант света. Что представляет собой клетка, называемая палочкой, представлено на схеме рисунка 19


Рисунок 19
Светочувствительная часть палочки (наружный сегмент) имеет длину от 20 до 30 мкм, при общей длине палочки 50-60 мкм. Диаметр палочки - около 2 мкм. Наружный сегмент представляет собой столбик из 700-1000 дисков, в каждом из которых- молекулы родопсина, ожидающие взаимодействия с квантом.

Пусть, для определенности, речь идёт о кванте зеленого света, длина волны =500 нм=0,5 мкм. Рассмотрим его взаимодействие с палочкой.

Эта порция света, как волновой процесс, распространяется по фоточувствительной части палочки, испытывая полное внутреннее отражение от её стенок. Но энергия кванта неделима, она может достаться лишь одному электрону одной из молекул родопсина одного из дисков.

Вероятность того, что квант поглотится в каком-нибудь из дисков, пропорциональна общему их количеству, а их много: 700-1000 шт. Но, вообще говоря, эта вероятность меньше, чем 1; и регистрация каждого кванта не гарантирована.

Родопсин - высокомолекулярное соединение, двумя основными компонентами которого являются ретиналь и опсин. При поглощении светового кванта происходит фотоизомеризация ретиналя.

Поглощения одного кванта достаточно для начала процесса возникновения рецепторного потенциала на мембране полочки. Но энергии кванта на создание потенциала совершенно недостаточно.

Энергия кванта:

E = h = , где h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме.

Для  = 500 нм получаем значение энергии кванта: Е  410-19 Дж. Это примерно в 1000 раз меньше, чем надо для возникновения рецепторного потенциала. Так что фотопоглощение кванта подобно нажатию на спусковой крючок ружья.

Энергообеспечение процессов возникновения рецепторных потенциалов осуществляется в клетках митохондриями - местными «фабриками» АТФ. В палочках они размещены во внутреннем сегменте.

4. Порог чувствительности глаза в целом не таков, как у отдельной палочки. У человека, предварительно долго посидевшего в темноте, ощущение слабого света вызывает, по разным данным, от 5 до 10 засвеченных палочек. Такое излучение по «яркости» составляет 10-12 - 10-14 от яркости полного солнечного света.

Таким образом, диапазон значений интенсивности света, в котором функционирует наша зрительная система, чрезвычайно широк: максимальная и минимальная интенсивность света отличаются друг от друга в 1014 раз (на четырнадцать порядков).

5. На схеме рисунка 19 может вызвать недоумение стрелка, показывающая направление света: более логичной представлялась бы её обратная направленность.

Недоумение лишь усилится, если обратиться к схеме строения сетчатки приматов и человека на рисунке 20. Схема заимствована из книги В. О. Самойлова «Медицинская биофизика».


Рисунок 20
Из схемы видно, что светочувствительные системы палочек, окружённые пигментным эпителием, обращены к склере - сосудистой оболочке глаза, но не к стекловидному телу! Иначе говоря, складывается впечатление, что сетчатка глаза «вывернута наизнанку». Между стекловидным телом и светочувствительными концами палочек - слои клеток, ослабляющие световой поток и ухудшающие фоточувствительность глаза.

Обсуждаемая особенность сетчатки характерна для всех позвоночных, и потому «вывернутая наизнанку» сетчатка не должна восприниматься как некое недоразумение, причуда природы.

А в мире беспозвоночных самый высокоразвитый глаз у осьминога. Он очень похож на глаз человека: есть и роговица, и радужная оболочка, и веко, и хрусталик, и сетчатка. Сетчатка у осьминога, как оказалось, тоже представляет собой часть мозга, образованную при эмбриональном развитии. Но есть поразительное отличие: сетчатка не «вывернута наизнанку», а обращена своими светочувствительными клетками к внутренней поверхности глазного яблока.

Вопрос на засыпку: предложите разумные версии неодинакового хода эволюции глаза у человека и осьминога, в части строения сетчатки.

6. Фоторецепторные мембраны дисков не вечны. Их обновляемость - ещё один пример периодических процессов в организме. Верхушки наружных сегментов колбочек обламываются ночью, а палочек - в дневные часы. Беспрестанная замена дисков необходима, поскольку их мембраны весьма чувствительны к свету, и, как оборотная сторона медали, - подвержены разрушению светом - фотоокислению, которое происходит, несмотря на предусмотренную природой мощную антиоксидантную систему (витамин Е).

Ежедневно заменяется 80-90 дисков каждой палочки, так что в среднем за 10 суток обновляется весь наружный сегмент. Фагоцитами являются клетки пигментного эпителия, каждая из которых «обслуживает» 30-45 колбочек и палочек.

Процесс непрерывного разрушения - восстановления во внешних сегментах светочувствительных клеток не следует рассматривать как деструктивный и нежелательный. Наоборот, он необходим, а нарушение фагоцитирующих функций клеток эпителия – путь к дистрофии сетчатки и, в итоге, к слепоте.

7. Мгновенных процессов в природе не существует. В частности, процессы формирования рецепторных потенциалов, формирования и передачи в мозг нервных импульсов, процессы восстановления фоторецепторов после предыдущего «срабатывания» - всё это требует определенного времени и определяет инерционность зрения.

Инерционность зрения гениально использовали братья Люмьер, изобретатели кино (1895 г.).
1   2   3   4

Похожие:

Оптика развитие представлений о природе света iconСодержание: История развития оптики
Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска...
Оптика развитие представлений о природе света iconОптика. Основы квантовой механики. Физика атома и атомного ядра
Элементы волновой теории света. Интерференция света. Электромагнитная природа света. Когерентность и монохроматичность световых волн....
Оптика развитие представлений о природе света iconКурс лекций, II семестр, 34 часа Оптика. Физика атома
Электромагнитная природа света. Оптический и видимый диапазон электромагнитных волн. Волновое уравнение. Скорость света. Гармоническая...
Оптика развитие представлений о природе света icon"Дисперсия света."
Цель урока: сформировать у обучающихся единое, целое представление о физической природе явления дисперсии света, рассмотреть условия...
Оптика развитие представлений о природе света iconВведение предмет квантовой физики
Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света – дуализмом света, вторая – с невозможностью...
Оптика развитие представлений о природе света iconВолновая и квантовая оптика
Какое из явлений: дифракция, интерференция, дисперсия или поляризация света обуславливает: радужную окраску пленок нефти на водной...
Оптика развитие представлений о природе света iconКорпускулярно-волновой дуализм
Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две...
Оптика развитие представлений о природе света iconПервые художники Земли
Цель урока: формирование представлений о первобытной культуре, особенностях первобытного искусства, развитие навыков анализа представленных...
Оптика развитие представлений о природе света iconАкимкин Сергей Николаевич Начальник отдела отчетности по ценным бумагам ОАО "автоваз"
Оао "нпо "Оптика" (Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Оптика")
Оптика развитие представлений о природе света icon«вода. Круговорот воды в природе. Свойства воды»
Способствовать накоплению у детей конкретных представлений о свойствах, формах и видах воды
Разместите кнопку на своём сайте:
kk.convdocs.org



База данных защищена авторским правом ©kk.convdocs.org 2012-2019
обратиться к администрации
kk.convdocs.org
Главная страница