Если поставить перед красивым пейзажем лист бумаги – Вы не увидите изображения на листе, потому что свет на него будет падать со всех сторон, то есть вы будете видеть одновременно наложение световых картин всего окружающего пространства. Если перенести лист в тёмную комнату с отверстием в стене, тогда свет будет попадать на лист, только через отверстие. Таким образом устроена камера Обскура. Обратите внимание на рисунок 1, для получения изображения важно, чтобы отверстие, через который проходит свет, не было слишком маленьким, иначе будет видна лишь дифракция. Оно не должно быть слишком большим, иначе изображение будет слишком размывчатым и, может исчезнуть, ведь от любой точки изображения свет идёт во всех направлениях. Свет от точки объекта идёт по прямой и может проецироваться на плоскость только через отверстие, формироваться изображение будет перекрестно и итоговая проекция будет перевёрнутой.
Увеличение в зеркале
Полученное изображение можно увеличить с помощью зеркала, но если исходно сформированному изображению не хватает деталей, то увеличение изображения не прибавит новых деталей. Нечто подобное Вы можете наблюдать, изменяя масштаб на цифровых фотографиях. Вогнутое зеркало же просто изменяет распределение точек на конечном изображении и расстояние между световыми точками увеличивается. Всё зависит от расположения объекта, относительно фокусного расстояния отражающей поверхности.
Обратите внимание на рисунки ниже:
Рисунок 2. Изогнутое наружу зеркало и свеча - слева. Вогнутое зеркало и свеча – справа.
На схеме показан ход лучей от свечи, стоящей на точке О и формирование мнимого (свеча в отражении) изображения на точке I. Размер стрелочек от O и I показывает размер объектов. Если бы мы, на правом рисунке, поставили свечу дальше от зеркала, за точкой F, то увидели бы уменьшенное изображение, рисунок 4. Точка F – это фокус, то есть точка пересечения преломлённых или отражённых лучей, рисунок 3.
Рисунок 3. Фокусное расстояние
Рисунок 4. Вогнутое зеркало и свеча за фокусом
Запишем формулу формировании изображения при отражении от вогнутого зеркала, опираясь на рисунок 5. Условные обозначения на рисунке:
hо — высота объекта;
hи — высота изображения;
dо — расстояние до объекта;
dи — расстояние до изображения;
F (на рисунке) и ƒ (в формуле) — фокусное расстояние.
Раз угол падения равен углу отражения, то эти величины пропорциональны (по теореме пропорциональных отрезков): hо/hи = dо/dи (рисунок 5 А). Посмотрим на рисунок 5Б и скорректируем нашу пропорцию: hо / hи = (dо–ƒ)/ƒ. Приравниваем полученные уравнения и получаем: dо/dи = (dо –ƒ)/ƒ, преобразуем в каноничный вид: 1/dо+1/dи=1/ƒ – это формула сферического зеркала. Эта формула нам в дальнейшем понадобится, потому что эта же формула применима для тонких линз.
Рисунок 5. Отражение в вогнутом зеркале
Увеличение в линзе
Для формирования чёткого многократно увеличенного изображения, необходимы линзы. Оптическая линза – это прибор из прозрачного материала, преломляющая лучи света, тем самым фокусируя или рассеивая его. Есть разные типы линз и комбинируя их, можно избавиться от множества искажений в изображении и многократно увеличить их мощность. Сами линзы изготавливаются (вытачиваются) из цельной стеклянной заготовки. Стекло изотропно, у него аморфная структура, а значит распространение света во всех плоскостях одинаковое. Но почему же тогда преломляется свет? Преломление света в изотропных средах определяется законом Снеллиуса, согласно которому свет, переходящий из менее плотной среды, в более плотную, по нормали (перпендикулярно) к границе раздела сред, не меняет своего направления и замедляется. Если свет падает на границу раздела сред под острым углом, то его направление изменяются, а сам он замедляется. Формула: ո1*sinθ1= ո2*sinθ2. Где:
ո1 — показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;
θ1 — угол падения света — угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;
ո2 — показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;
θ2 — угол преломления света — угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.
Начнём с собирающих линз. Собирающие линзы – это линзы, отклоняющие свет к центральной оси изображения. Рисунок 6. Если мы установим объект дальше центром кривизны линзы, то его действительное изображение будет уменьшенного размера.
Рисунок 6. Объект дальше центра кривизны собирающей линзы
Рисунок 7. Мы установили объект за центром кривизны собирающей линзы, перед фокусным расстоянием, поэтому получили увеличенное действительное обратное изображение.
Рисунок 7. Объект ближе центра кривизны и дальше фокусного расстояния собирающей линзы
Рисунок 8. Объект находится ближе, чем фокусное расстояние, поэтому мы получили прямое мнимое прямое и увеличенное изображение. Изображение называется мнимым, когда лучи от каких-либо точек после прохождения оптической системы образуют расходящиеся пучки света. Если их продолжить в противоположную сторону, они пересекутся в одной точке.
Рисунок 8. Объект находится ближе фокусного расстояния собирающей линзы
Увеличение (magnification) в тонкой линзе равно m=dи/dо.
Раз оптическая система микроскопа строит мнимое изображение, то почему различаются изображения, полученные разными объективами с одинаковым увеличением? Потому что кроме увеличения, у объектива есть много других важных характеристик: коррекция различных аберраций, поле зрения, рабочее расстояние и другие.
