Недостатки оптической системы глаза и их устранение

E = dФ/dS

Если освещенность всех точек одинакова, то Е = Ф / S , где Ф - световой поток, равномерно рас­пределенный по поверхности S. Единица осве­щенности в СИ называется люксом (лк). Один люкс — освещенность поверхности световым потоком 1 лм, равномерно распре­деленным по площади 1 м².

Эти формулы определяют красную границу фо­тоэффекта и что она зависит от величины работы выхода, т.е. от рода металла. На внешнем фото­эффекте основан важный физико-техничес­кий прибор, называемый вакуумным фотоэле­ментом. Катодом К служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух. Анод А выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении ка­тода, в цепи фото­элемента возникает электриче­ский ток за счет электронов, выби­тых из катода. Сила тока пропорциональна величине светового потока, падающего на катод. Большинство со­временных фотоэлементов имеют сурьмяно-це­зиевые или кислородно-цезиевые катоды, обла­дающие высокой фоточувствительностью. Пер­вые чувствительны к видимому и ульт­рафиолето­вому свету, а вторые к инфракрасному и види­мому свету. В некоторых случаях, для уве­личения чувствительности фото­элемента, его на­полняют аргоном при давлении порядка 10^-2 мм.рт.ст. Фототок в таком фотоэлементе усили­вается вследствие ионизации аргона, вызванной столкновением фотоэлектронов с атомами ар­гона. Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и, в меньшей мере, у диэлек­триков. Полупроводниковая пластинка присое­диняется к полюсам батареи. Ток в цепи незначи­телен, по­скольку полупроводник обладает боль­шим сопротивлением. Од­нако при освеще­нии пластинки ток в цепи резко возрастает. Это обу­словлено тем, что свет вырывает электроны из атомов полу­проводника, которые, оставаясь внутри полупроводника, увеличи­вают его элек­тропроводность. Такое сопротивление называют фо­торезистор. На явлении внутреннего фотоэф­фекта основана рабо­та полупроводнико­вых фо­тоэлементов. Для их изготовления ис­пользуют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некото­рые другие полупроводники. Фоточувст­вительность полупровод­никовых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточув­ствитель­ность ва­куумных фотоэлементов. Некоторые фотоэле­менты обла­дают отчетливо выраженной спек­тральной чувствительностью. У селенового фо­тоэлемента спектральная чувстви­тельность очень близка к спектральной чувстви­тельности челове­ческого глаза. Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерцион­ность: изменение фототока запаздывает отно­си­тельно изменения освещен­ности фотоэлемента. Поэтому полу­проводнико­вые фотоэлементы не пригодны для регистрации быстроизменяю­щихся световых потоков. В качестве примера по­лупроводникового фотоэле­мента рас­смотрим устройство селенового вентильного фотоэле­мента.

Он состоит из металличе­ской подложки, дыроч­ного полу­проводника, по­крытого прозрачным слоем металла (обычно тон­кий слой золота). На границе металл-полупро­водник, вследствие диффузии, возникает кон­тактный запирающий слой с напряженностью Ек. Включим теперь све­товой поток Ф, проника­ющий в полупроводник. Благодаря внутреннему фотоэффекту увеличива­ется концентрация сво­бодных зарядов обоих знаков - электронов и ды­рок. Электроны сво­бодно диффундируют через контакт, а для дырок он действитель­но является запирающим слоем. В результате при освещении электроны накапли­ваются на подложке, а дырки - в полупровод­нике. Между контактами А и К возникает разность потенциалов

- фото-э.д.с, величина которой пропорциональна освещенности проводника. Таким образом, вен­тильный фотоэлемент представляет собой гене­ратор тока, непосредственно преобразую­щий световую энер­гию в электрическую. В качестве полупроводников в вентильном фото­элементе используют селен, закись меди, серни­стый тал­лий, германий, кремний. В вентильном фотоэле­менте могут приме­няться два полупро­водника с различными типами проводимости - электрон­ной и дырочной. Весьма перспективным явля­ется практическое использование вентиль­ных фотоэлементов в качестве генераторов электро­энер­гии. Батареи кремниевых фотоэле­ментов, получивших название солнечных батарей, при­меняются на космических спутниках и ко­раблях для питания различной электронной аппаратуры. Некото­рые вентильные

фотоэлементы чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения на­гретых невидимых тел, т.е. как бы расширяют возможности зрения. Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеха­низации и автоматизации производственных процессов. В сочета­нии с электронным усилителем и реле, фо­тоэлемент является неотъемлемой частью авто­матических устройств, которые, реаги­руя на све­товые сигналы, управляют работой различ­ных про­мышленных и сельскохозяйственных устано­вок и транспортных механизмов. На внешнем фотоэффекте основана работа элек­тронно-опти­ческого преобразователя (ЭОП), предназначен­ного для преобра­зования изобра­жения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. В медицине ЭОП приме­няют для усиления яркости рентгено­вского изо­бражения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения чело­века. Если сигнал с ЭОП по­дать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телеви­зора можно полу­чить "тепло­вое" изображение предметов. Части тела, имею­щие разные темпе­ратуры, различаются на экране либо цветом, при цветном изображении, либо светом, если изо­бражение черно-бе­лое. Такая система, называе­мая тепловизором, используется в термографии.

∆x = (2kλ)/2

Если геометрическая разность хода волн равна нечетному числу полудлин волн, то ам­плитуда результирующих колебаний будет минимальной - ослабление колебаний.

∆x = (2k+1)λ/2

В формулах k - натуральный ряд чисел 0,1,2,3...

При когерентных источниках волн пространство, окружающее источники, будет представляться в виде совокупности максиму­мов и минимумов. Такое расположение называется устойчивой интерференционной картиной.Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, должна наблюдаться интерференция света. Од­нако в результате того, что отдельные свето­вые импульсы, посылаемые высвечива­ющимися атомами источника света, не согласованы между собой по фазе, а кроме того, могут отличаться по частоте, картина вза­имного усиления, возни­кающая в каком-либо участке простран­ства, уже через доли секунды сменяется картиной взаим­ного ос­лабления и наоборот. Хаотическая смена таких мгновенных кар­тин глазом не воспринима­ется, а создает ощущение ровного по­тока света, не изменяющегося во времени.

Для наблюдения устойчивой во времени интер­ференционной картины необходимы условия, при которых частоты и разности фаз интерфери­рующих лучей были бы постоянными в течение всего времени наблюдения. В природе не суще­ствует когерентных источников света. Для того чтобы два светящихся тела являлись коге­рент­ными источни­ками, волны, излучаемые всеми частицами первого тела, должны отли­чаться по фазе от волн, излучаемых всеми частицами вто­ро­го тела, все время на одну и туже величину. Такое событие прак­тически совер­шенно неверо­ятно. Поэтому, для получения коге­рентных ис­точников прибегают к искусствен­ному приему: "раз­дваивают" свет, исходящий от одного источ­ника (зеркала или бип­ризма Фре­неля, зеркало Лойда, билинза Билле и др.). Пожалуй, единст­венным макроисточником света, в котором час­тота и фазы колебаний со временем не меняются, является лазер.

В естественных условиях образование когерент­ных волн и яв­ление интерференции можно на­блюдать при попадании света на тонкую про­зрачную пластинку или пленку. Пучок све­та по­падает на тонкую пластинку. Луч 1 из этого пучка попадает на точку А, частично от­ражается (луч 2), частич­но преломляется (луч АВ). Пре­ломленный луч испытывает отражение на ниж­ней границе пластин­ки в точке В. Отражен­ный луч, преломившись в точке С, выходит в пер­вую среду (луч 3). Лучи 2 и 3 образованны от од­ного луча, поэтому они когерентны и будут интерфе­рировать, создавая устойчивую ин­терференци­онную картину.

При освещении этой пластинки или пленки бе­лым светом воз­никает весьма причудливая по форме и расцветке интерференци­онная картина. Такую картину дают мыльные пленки, нефтяные и масляные пятна на поверхности воды, крылья мелких насекомых, жировые налеты на стекле и другие тонкие пленки толщиной по­рядка 10^-4см. Это интерференционное явление широко ис­пользуется в оп­тической промышленности для так называемого просветления оп­тики. Дело в том, что в сложных оптических системах (фото­объ­ективах и т.п.) значительная часть световой энергии отражается от поверхности линз. Это за­метно снижает яркость и контрастность изобра­жения и создает блики. Если на поверх­ность линз нанести прозрачную пленку толщи­ной "к/4п, из­готовленную из вещества с показа­телем прелом­ления п, немного меньшим показа­теля стекла линз, то такая пленка не будет отражать света; благодаря этому качество изображения заметно улучшится (оптика про­светлеет). Кроме того, ин­терференцию света используют в специальных приборах — интер­ферометрах — для измерения с высокой степе­нью точности длин волн, не­больших расстояний, показателей пре­ломления веществ и определения качества оптических по­верхностей.

Дифракция — явление отклонения света от прямолинейного распространения и захожде­ние в область геометрической тени.

В результате происходит сложение волн и обра­зование мини­мумов и максимумов, так же как и при интерференции. Для наблюдения явления дифракции необходимо, чтобы раз­меры препят­ствия или размеры отверстия или щели были со­изме­римы с длиной световой волны. Явление дифракции можно объяснить, используя прин­цип Гюйгенса — Френеля. Пусть на щель, раз­меры которой соизме­римы с длиной световой волны, падают световые волны. Каждая точка щели становится новым источником вторичных волн. Крае­вые точки щели, являясь источниками вторичных световых волн, дают возможность распространяться свету в направлении, отлич­ном от первоначального.

Вторичные волны, интерферируя, образуют на экране диф­ракционные максимумы и мини­мумы.

От одной щели свет дает дифракционную кар­тину малой ин­тенсивности, поэтому исполь­зуют одномоментно несколько от­верстий, т.е. дифрак­ционную решетку.

Дифракционная решетка — это совокупность многих парал­лельных щелей, разделенных не­прозрачными промежутками. Общая длина щели и непрозрачного промежутка называется перио­дом решетки (d).

Дифракционную решетку можно получить, на­нося на стек­лянную пластинку параллельные штрихи с помощью алмазного резца. Хорошие дифракционные решетки имеют до 1000 и более штрихов на 1 мм, что позволяет получить боль­шие углы диф­ракции, т.е. широкую дифрак­ци­онную картину большой интен­сивности. Рас­смотрим дифракцию света от двух щелей при ус­ловии перпендикулярного падения света на них.

В этом слу­чае фронт световой волны достигает щелей одновременно. Следо­вательно, образую­щиеся от щелей вторичные волны, являются коге­рентными. Волны, иду­щие по различным на­правлениям, будут ин­терферировать, давая ди­фракционную картину максимумов и миниму­мов. Выберем два па­раллельных луча (АА₁) и (ВВ₁), отклоненные от первоначального направ­ления на угол а. Этот угол называется углом ди­фракции. Эти лучи, пройдя линзу, соберутся в ее фокальной плоскости (F) в точке О₁, ослабив или усилив друг друга, причем АО₁ = х₁, ВО₁ = х₂. Пусть в точке О₁ бу­дет максимум колебаний. То­гда по условию максимумов ∆х = kλ (1). Выразим эту разность хода лучей из геометрии построе­ния. Проведем перпендикуляр АС, построив тем самым фронт волны отклоненных лучей АА₁ и ВВ₁. Т.к. линза не вносит добавоч­ной разности хода этих лучей, то ∆х = ВС и ВС = АВ sin?BAC. AB = d - период дифракционной решетки, угол ВАС = α, ∆х = dsin α (2).

Сравнивая (1) и (2), получим

kλ = dsinα

это уравнение дифракционной решетки, к = 0,±1, ±2, ±3... — поря­док дифракционного максимума. Т.о. в фокальной плоскости возникает ряд чере­дующихся мак­симумов и минимумов, т.е. свет­лых и темных полос, разделенных проме­жут­ками. Если на решетку падает белый свет, то для различных длин волн положение дифракци­он­ных максимумов будет располагать­ся под раз­личным дифракционным углом. Поэтому ди­фракцион­ные решетки разлагают белый свет в дифракционный спектр и употребляются как дисперсионный прибор. С помощью дифракци­онной решетки, зная период решетки и опреде­лив угол дифракции, можно измерить длину све­товой вол­ны по формуле:

λ =(d sinα)/k

Разрешающая способность оптических сис­тем

Явление дифракции объясняет пределы разре­шения и разре­шающую способность оптических систем, в частности приборов для микроскопии. Объективы современных микроскопов являются сложными оптическими системами, состоящими из нескольких линз. Однако увеличение дает только одна линза, которую называют фронталь­ной. Обычно, это плосковыпуклая линза, стоя­щая первой к объек­ту. Остальные линзы предна­значены для коррекции, т.е. устране­ния недос­татков изображения. Увеличение объектива оп­ределяется как: Г_о6= ∆ / F_o6 где ∆ - оптическая длина микроскопа - расстояние между задним фоку­сом объектива и передним фокусом оку­ляра. Оптическая сила фронтальной линзы равна: D = (n - 1) / R, где n-показатель преломления ве­щества, из которого изготовлена линза, R-радиус кривизны поверхности фронтальной линзы.

Тогда F_o6= I/ D = R / (n - 1); Г_о6= ∆ (n - 1) / R

Анализируя эту формулу, кажется, что, умень­шая радиус фронтальной линзы (R0O), можно получить сколь угодно боль­шое увеличение объ­ектива микроскопа. Однако в действительно­сти, уменьшение радиуса фронталь­ной линзы, позво­ляет рассматривать предметы величиной, не меньше некоторого предела, который назы­вают пределом разре­шения микроскопа.

Предел разрешения микроскопа (Z) - это наи­меньшее рас­стояние между двумя точ­ками объекта, которые еще видны в микро­скопе раздельно. Величина, обратная пределу разре­шения, называется разреша­ющей способно­стью микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа - это его возмож­ность давать раздельное изобра­жение двух близко располо­женных точек объ­екта.

Чтобы определить величину предела разреше­ния, выясним механизм получения изображения в объективе.

В качестве объекта возьмем дифракционную ре­шетку. Рассматривание мелких предметов в мик­роскопе в проходя­щем свете, можно уподо­бить прохождению света через дифрак­ционную ре­шетку. Самой мелкой деталью дифракционной решет­ки является ее период (d). Свет, проходя решетку, создает картину дифракционных мак­симумов и минимумов в фокальной плоскости фронтальной лин­зы, что и является первичным изображением. После этого, лучи интерфери­руют, создавая в плоскости экрана вторичную картину, т.е. изображение дифракционной ре­шетки.

Немецкий ученый-физик Эрнест Аббе - профес­сор теорети­ческой физики Иенского универси­тета в 1872 году дал теорию об­разования изо­бражения в микроскопе. Он установил: Предель­ным условием получения изображения явля­ется то, что­бы в его построении участвовали нулевой и два первых макси­мума, если свет па­дает перпендикулярно на предмет, или нуле­вой и один из первых максимумов, если свет падает под углом.