Что такое оптическая среда
Что такое оптическая среда
Оптическая система – это совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, которые ограничиваются диафрагмами. Оптическая система предназначена для формирования изображения путем перераспределения в пространстве электромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков).
В наиболее общем случае оптическая система может состоять из следующих функциональных элементов:
Оптические среды
Оптические среды – это прозрачные однородные среды с точным значением показателя преломления (с точностью до 4-6 знаков после запятой).
Дисперсия оптических материалов – это зависимость показателя преломления от длины волны.
 – 365 нм |  – 587 нм |
 – 404 нм |  – 589 нм |
 – 434 нм |  – 643 нм |
 – 436 нм |  – 656 нм |
 – 480 нм |  – 706 нм |
 – 486 нм |  – 768 нм |
 – 546 нм |
Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волны 
и общая дисперсия 
, где 
, 
– наибольшая и наименьшая длины волн, которые пропускает стекло. В качестве опорных или основных длин волн для видимой области используются: центральная длина волны 
, крайние длины волн 
, 
.
Оптическое стекло характеризуется показателем преломления для основной длины волны 
(или 
), а также общей дисперсией 
(или 
).
Число Аббе (коэффициент относительной дисперсии):
|
Чем меньше число Аббе, тем больше дисперсия, то есть сильнее зависимость показателя преломления от длины волны. По числу Аббе оптические стекла делят на две группы кроны (
) и флинты (
).
Оптические поверхности
Оптическая поверхность – это гладкая регулярная поверхность точно известной формы.
Поверхности могут быть плоские, сферические, асферические. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны 
. Плоской поверхностью можно считать сферическую поверхность с радиусом кривизны равным бесконечности. Для плоскости 
, но условно принято считать, что 
.
Диафрагмы
Диафрагма – это металлический экран с круглым отверстием. На оптических схемах диафрагмы могут быть заданы явно – диафрагма является самостоятельным элементом оптической системы, или неявно – роль диафрагмы играет край или оправа линзы.
5.1.2. Взаимное расположение элементов в оптической системе
Центрированная оптическая система
Центрированная оптическая система – это оптическая система, которая имеет ось симметрии (оптическую ось) и сохраняет все свои свойства при вращении вокруг этой оси.
Нумерация элементов оптической системы ведется по ходу луча. Все расстояния между поверхностями (толщины линз или воздушные промежутки) откладываются по оси.
Положительным направлением света считается распространение слева направо.
Осевые расстояния между преломляющими поверхностями считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света (слева направо).
Радиус кривизны поверхности считается положительным, если центр кривизны находится справа от поверхности (поверхность обращена выпуклостью влево).
Угол между лучом и оптической осью считается положительным, если для совмещения оси с лучом ось нужно вращать по часовой стрелке.
Отрезки, перпендикулярные оптической оси считаются положительными, если они располагаются над осью.
При оптических расчетах считается, что после каждой отражающей поверхности показатель преломления, осевое расстояние и угол отражения меняют знак на противоположный.
Меридиональная и сагиттальная плоскости
Меридиональная плоскость – это плоскость, проходящая через оптическую ось.
Сагиттальная плоскость – это плоскость, которая содержит луч, перпендикулярна меридиональной плоскости и не проходит через ось (может быть ломаной и рассматривается по частям).
5.1.3. Предмет и изображение в оптической системе
Основные положения
Предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему.
Оптическая система делит все пространство на две части: пространство предметов и пространство изображений.
Плоскость предметов и плоскость изображений – это плоскости, перпендикулярные оптической оси и проходящие через предмет и изображение.
Сопряженные точки
Сопряженные линии – это линии, для которых каждая точка линии в пространстве предметов сопряжена с каждой соответствующей точкой линии в пространстве изображений (для идеальных оптических систем).
Типы предмета и изображения
Существуют два типа предмета и изображения:
Ближний тип – предмет (изображение) расположены на конечном расстоянии, поперечные размеры измеряются в единицах длины.
Дальний тип – предмет (изображение) расположены в бесконечности, поперечные размеры выражены в угловой мере.
Глава 3.2. Оптическая среда
Оптической средой называется такая среда, которая прозрачна для оптического излучения или хотя бы для какого-либо участка его диапазона. Характер распространения излучения зависит от свойств среды, в которой оно распространяется. К основным оптическим свойствам среды относятся изотропность, однородность, прозрачность, скорость распространения оптического излучения (скорость света). (7, с.317.)
В изотропных средах оптические свойства во всех направлениях одинаковы. Среды, у которых проявляется различие оптических свойств в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения, называются анизотропными.
В однородных средах во всем объеме обеспечивается постоянство оптических свойств и свет распространяется прямолинейно. В неоднородных средах прямолинейность искажается на участках с отличающимися оптическими свойствами.
Прозрачность среды влияет на величину потери световой энергии при прохождении излучения через данную среду. Чем ниже прозрачность среды, тем больше потери световой энергии. Оптическое стекло является основным материалом для изготовления оптических деталей, поэтому к нему предъявляются повышенные требования с точки зрения его однородности, изотропности и прозрачности.
Скорость распространения оптического излучения в различных средах не одинакова. Наибольшего значения она достигает в вакууме и составляет 300 000 км/с.
При переходе из одной оптической среды в другую скорость света изменяется. Она либо уменьшается, либо увеличивается. По этой причине на границе оптических сред световые лучи изменяют направление, отклоняясь от первоначального, т.е. преломляются.
Отношение скорости оптического излучения в вакууме с к скорости его в данной оптической среде v называется абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления п
n = c / v
Показатель преломления для оптического стекла является одной из основных характеристик, так как от его значений зависит преломляющее действие оптических деталей. Значения п для каждой марки стекла должны быть строго определенными, поскольку они учитываются при конструировании и расчетах оптических систем. Показатель преломления оптического стекла измеряется на приборе, называемом рефрактометром.
Ниже приведены показатели преломления отдельных сред:
Таблица 2. Показатели преломления отдельных сред
| Стекло оптическое | 1.45 – 2.00 |
| Кварц кристаллический | 1.55 |
| Бальзам (клей оптический) | 1.54 |
| Алмаз | 2.42 |
| Лед | 1.31 |
| Вода | 1.33 |
| Воздух | 1.0003 |
На практике показатель преломления воздуха при p=700 мм рт. ст. и t° = 20°С принимается равным единице. Показатели преломления сред определяются относительно воздуха и называются относительными.
Глава 3.1. Дисперсия света
Скорость распространения света в одной и той же среде зависит от длины волны излучения, следовательно, и величина показателя преломления n зависит от длины волны. Показатель преломления среды является функцией длины волны: n=f(l). Зависимость показателя преломления оптической среды от длины волны светового излучения называется дисперсией света. (7, с.388.)
Если показатель преломления среды с увеличением длины волны уменьшается, то такая дисперсия называется нормальной. Прозрачные вещества, в том числе и оптическое стекло, имеют нормальную дисперсию.
В области полос поглощения вещества и вблизи них происходит нарушение нормальной дисперсии: показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. В таком случае дисперсия называется аномальной.
Естественный свет, состоящий из монохроматических излучений с длинами волн l1, l2, …, l7 пройдя призму 1, оказывается разложенным на его составляющие, которые наблюдаются на экране в виде цветных полос.
Спектр белого света в порядке убывания длин волн состоит из семи цветов, плавно переходящих друг в друга: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.
Оптическая система глаза
Путь световых лучей и величины
Преломление света в средах глазной оптической системы носит название процесса рефракции. Учение о рефракции основано на законах оптики, дающих характеристики распространению световых лучей в различных средах.
Оптической осью глаза принято называть прямую линию, проходящую через центральные точки всех преломляющих поверхностей. Световые лучи, которые падают параллельно данной оси, преломляются и сходятся в основном фокусе зрительной системы. Лучи эти отражены от бесконечно удаленных объектов, поэтому, главным фокусом оптической системы, принято называть точку оптической оси, где возникают изображения бесконечно удаленных объектов.
Световые лучи, отраженные от предметов, находящихся на конечных расстояниях, сходятся в дополнительных фокусах. Дополнительные фокусы локализуются дальше основного, ведь фокусировка расходящихся лучей происходит с применением дополнительной преломляющей силы. При этом, чем сильнее расходятся лучи (чем ближе линза к источнику данных лучей), тем большая сила преломления необходима.
Основными характеристиками оптической системы глаза, принято считать: радиус кривизны поверхностей хрусталика и поверхностейроговицы, длину оси глаза, глубину передней камеры, показатели толщины хрусталика и роговицы, а также индекс преломления прозрачных сред.
Измерение данных величин (кроме данных преломления) выполняются с помощью методов офтальмологического обследования: ультразвуковых, оптических и рентгенологических. Ультразвуковые и рентгенологические исследования позволяют выявить длину оси глаза. Посредством оптических методов проводят измерение составляющих преломляющего аппарата, длина оси определяется путем вычислений.
В связи с широким распространением оптико-реконструктивной микрохирургии: лазерной коррекции зрения ( Lasik либо кератомилез, оптической кератотомии, имплантаций искусственного хрусталика, кератопротезирования), расчеты элементов оптической системы глаза необходимы в работе офтальмохирургов.
Видео об оптической системе глаза
Формирование оптической системы
Давно доказано, что глаза новорожденных детей, обычно, имеют слабую рефракцию. Усиление ее происходить только в процессе развития. Таким образом степень дальнозоркости уменьшается, затем слабая гиперметропия постепенно становится нормальным зрением, а иногда переходит в миопию.
В течение первых трех лет жизни орган зрения ребенка интенсивно растет, увеличивается рефракция роговицы, вследствие удлинения переднее-задней глазной оси. К семи годам глазная ось достигает 22 мм, что составляет уже 95% размера глаз взрослого человека. При этом, глазное яблоко продолжает расти до 15 лет.
Что такое оптическая среда
Оптическая система – это совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, которые ограничиваются диафрагмами. Оптическая система предназначена для формирования изображения путем перераспределения в пространстве электромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков).
Преобразование световых пучков в оптической системе происходит за счет преломления и отражения света поверхностями, а также за счет ограничения пучков диафрагмой. Кроме того, пучки света могут преобразовываться за счет дифракции.
Оптические среды
Оптические среды – это прозрачные однородные среды с точным значением показателя преломления (с точностью до 4-6 знаков после запятой).
Оптические системы используются в широком интервале длин волн (от УФ до ИК), поэтому важно знать показатели преломления стекол и кристаллов для разных длин волн. Дисперсия оптических материалов – это зависимость показателя преломления от длины волны. Она описывается дисперсионными формулами, называемыми формулами Зельмейера :
(5.1.1)
(5.1.2)
Все стекла отличаются друг от друга характером зависимости показателя преломления от длины волны. Можно описывать оптические материалы либо значениями коэффициентов дисперсионной формулы, либо непосредственно значениями показателя преломления для различных длин волн.
| – 365 нм | – 587 нм |
| – 404 нм | – 589 нм |
| – 434 нм | – 643 нм |
| – 436 нм | – 656 нм |
| – 480 нм | – 706 нм |
| – 486 нм | – 768 нм |
| – 546 нм |
Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волны и общая дисперсия , где , – наибольшая и наименьшая длины волн, которые пропускает стекло.
В качестве опорных или основных длин волн для видимой области сейчас используются: центральная длина волны , крайние длины волн , . Ранее в качестве основных длин волн использовались: 
.
Оптическое стекло характеризуется показателем преломления для основной длины волны (или ), а также общей дисперсией (или ).
Еще одной важной характеристикой стекла является число Аббе (коэффициент относительной дисперсии):
| (5.1.3) |
Эрнст Аббе (Ernst Abbe) – немецкий ученый, основатель современной прикладной оптики, научный руководитель фирм Carl Zeiss и Schott (конец XIX века).
Комбинация стекол, принадлежащим различным группам, дает возможность создавать высококачественные оптические системы. Кроны и флинты – это основные группы оптических стекол. Их названия сформировались в Англии в XVIII веке, когда впервые было основано промышленное производство оптических стекол.
Оптические поверхности
Оптическая поверхность – это гладкая регулярная поверхность точно известной формы.
Чаще всего в оптике применятся плоские поверхности и сферические поверхности. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны . Плоской поверхностью можно считать сферическую поверхность с радиусом кривизны равным бесконечности. Для плоскости , но условно принято считать, что .
При компьютерных расчетах удобно использовать не радиус кривизны, а кривизну поверхности :
(5.1.4)
Форма оптических поверхностей должна выдерживаться с точностью меньше длины волны. В идеальных оптических системах отклонения от идеальной формы поверхности не должны превышать 
, при этом допуск не зависит от размера поверхности.
Плоские и сферические поверхности изготавливаются достаточно просто (методом притирки), и поэтому именно их чаще всего используют в оптических системах. Асферические поверхности используются редко из-за сложности их изготовления и контроля, так как у них различная величина радиуса кривизны по различным направлениям. В настоящее время существуют технологии изготовления асферических поверхностей на станках с программным управлением. Получение точного профиля асферической поверхности возможно только методом ретуши.
Диафрагмы
Диафрагма – это металлический экран с круглым отверстием. На оптических схемах диафрагмы могут быть заданы явно – диафрагма является самостоятельным элементом оптической системы (рис.5.1.1.а), или неявно – роль диафрагмы играет край или оправа линзы (рис.5.1.1.б).
Рис.5.1.1. Диафрагмы.
5.1.2. Взаимное расположение элементов в оптической системе
Центрированная оптическая система
Центрированная оптическая система – это оптическая система, которая имеет ось симметрии (оптическую ось) и сохраняет все свои свойства при вращении вокруг этой оси.
Центрированные оптические системы могут включать в себя плоские зеркала и отражающие призмы, ломающие оптическую ось, но по сути не влияющие на симметрию системы (рис.5.1.2).
Рис.5.1.2. Центрированная оптическая система с изломом оптической оси.
Нумерация элементов оптической системы ведется по ходу луча (рис.5.1.3). Все расстояния между поверхностями (толщины линз или воздушные промежутки) откладываются по оси.
Рис.5.1.3. Нумерация элементов оптической системы.
Для удобства чтения оптических схем и компьютерных расчетов в оптике приняты единые правила знаков.
Положительным направлением света считается распространение слева направо.
Осевые расстояния между преломляющими поверхностями считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света (слева направо) (рис.5.1.4).
Радиус кривизны поверхности считается положительным, если центр кривизны находится справа от поверхности (поверхность обращена выпуклостью влево) (рис.5.1.4).
Угол между лучом и оптической осью считается положительным, если для совмещения оси с лучом ось нужно вращать по часовой стрелке (рис.5.1.4).
Отрезки, перпендикулярные оптической оси считаются положительными, если они располагаются над осью (рис.5.1.4).
Рис.5.1.4. Правила знаков.
На чертежах и рисунках всегда указывают знак отрезков и углов. При оптических расчетах считается, что после каждой отражающей поверхности показатель преломления, осевое расстояние и угол отражения меняют знак на противоположный.
Луч может пройти одну и ту же поверхность несколько раз, поэтому физическое и расчетное число поверхностей может различаться. Например, на рис.5.1.5 показаны 8 физических и 12 расчетных поверхностей.
Рис.5.1.5. Физические и расчетные поверхности.
Примеры описания конструктивных параметров оптических систем с учетом правила знаков рассматриваются в практическом занятии «Правило знаков в оптике. Основные законы распространения света», в пункте «2.1. Правила знаков и записи конструктивных параметров».
Меридиональная и сагиттальная плоскости
При анализе оптической системы используются понятия меридиональной и сагиттальной плоскости. Меридиональная плоскость – это плоскость, проходящая через оптическую ось (например плоскость рисунка 5.1.5).
Сагиттальная плоскость – это плоскость, которая содержит луч, перпендикулярна меридиональной плоскости и не проходит через ось (может быть ломаной и рассматривается по частям). Ее название произошло от слова “сагитта” (лат.) – стрела. Примером такой плоскости может служить воображаемая ломаная плоскость, содержащая луч на рис. 5.1.5 и перпендикулярная плоскости этого рисунка.
5.1.3. Предмет и изображение в оптической системе
Основные положения
Оптические системы в основном предназначены для формирования изображения (изображающие оптические системы). Для таких систем вводится понятие предмета и изображения. Для оптических систем, не строящих изображение, понятие предмета и изображения вводится условно.
В геометрической оптике предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему.
Плоскость предметов и плоскость изображений – это плоскости, перпендикулярные оптической оси и проходящие через предмет и изображение.
Сопряженные точки
Сопряженные линии – это линии, для которых каждая точка линии в пространстве предметов сопряжена с каждой соответствующей точкой линии в пространстве изображений (для идеальных оптических систем).
В реальных оптических системах лучи, выходящие из точки 
, только приближенно сходятся в точке 
. Для идеальных оптических систем каждой точке пространства предметов обязательно соответствует идеально сопряженная ей точка в пространстве изображений.
Типы предмета и изображения
Существуют два типа предмета и изображения:
Ближний тип – предмет (изображение) расположены на конечном расстоянии, поперечные размеры измеряются в единицах длины.
Дальний тип – предмет (изображение) расположены в бесконечности, поперечные размеры выражены в угловой мере.
Термины “конечное расстояние” и “бесконечность” достаточно условны и просто соответствуют более или менее близкому расположению предмета (изображения) по отношению к оптической системе.