Кроме телескопов, построенных по типу подзорных труб - рефракторов, широкое применение получили зеркальные, или отражательные, телескопы - рефлекторы.
Другим примером оптического прибора является фотоаппарат. В нем используется одно из свойств линзы, заключающееся в том, что при расположении предмета на расстоянии, большем двойного фокусного расстояния, линза дает его действительное уменьшенное изображение. Фотоаппарат состоит из объектива, обычно состоящего из нескольких линз, светонепроницаемого корпуса, видоискателя, диафрагмы и затвора. В светонепроницаемый корпус фотоаппарата помещают фотопленку, чувствительную к действию света. На ней объектив фотоаппарата создает действительное уменьшенное изображение фотографируемого предмета. Для получения четкого изображения предмета, который может быть расположен на разных расстояниях от фотоаппарата, объектив перемещают относительно фотопленки, результат наводки на резкость обычно контролируется через видоискатель. В зависимости от условий освещенности и чувствительности фотопленки путь свету от объектива к фотопленке открывается с помощью затвора на определенный интервал времени, обычно на сотые доли секунды. Световой поток регулируется и кольцевым отверстием в диафрагме за объективом, диаметр которого можно плавно изменять.
Предшественницей фотоаппарата можно считать приспособление, известное с давних времен, - так называемую камеру-обскуру. Явление, которое используется в камере-обскуре, было известно еще в древнем Китае. Если в темное помещение через небольшое отверстие или щель проникает луч света, то на стенке возникает довольно четкая картина. Кто-то догадался просверлить в ящике маленькое отверстие и на противоположной стенке, на вставленном в нее матовом стекле, наблюдать изображения пейзажей и людей. Так появилась камера-обскура (по-латыни obscurus - темный).
А когда вместо отверстия, выполняющего роль объектива, применили увеличительное стекло, изображение стало настолько четким, что человеку захотелось обвести его карандашом и раскрасить. Правда, картинка получалась «вверх ногами», поэтому для устранения этой погрешности к задней стенке ящика приставили наклонно зеркало. Оно проецировало изображение на матовое стекло, вделанное в крышку, в результате чего верх и низ располагались как положено (правда, при этом менялись местами правая и левая сторона). А поскольку с помощью камеры-обскуры рисунки делались главным образом для гравирования, то больше ничего исправлять не надо было - оттиски с гравюры полностью соответствовали оригиналу. Для работы на ярком солнце применялись небольшие темные палатки. Художник с камерой сидел внутри, а наружу высовывался только объектив - трубка с линзой.
В двадцатых годах XIX века был открыт способ химического закрепления изображения на светочувствительной пластинке, вставленной в камеру-обскуру вместо матового стекла. Самую первую фотографию удалось получить французу Жозефу Нисефору Ньепсу (1765-1833). С той поры камера-обскура превратилась в известный всем нам фотоаппарат.
Как мы видим, для решения большинства задач практической оптики вполне достаточно средств геометрической оптики. Однако существует ряд проблем, связанных с волновой природой света. Решением этих проблем, относящихся главным образом к вопросам взаимодействия света и вещества, а также к вопросам разрешающей силы оптических приборов, занимается физическая оптика.
3. Физическая оптика
Первые представления о том, что такое свет, относятся к древности. Подавляющее большинство древних мыслителей рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Однако позже, к началу XVII века, такое представление о природе света теряет свое значение.
Наслаждаясь видом безоблачного неба, мы вряд ли склонны рассуждать о том, что небесная синева - это одно из проявлений рассеяния света. Оказывается, синие лучи, падающие на Землю от Солнца, рассеиваются молекулами воздуха примерно в 6 раз сильнее красных, поэтому небо выглядит голубым, а солнце тем краснее, чем оно ближе к горизонту. Подобным образом объяснил голубой цвет неба в 1871 году знаменитый английский математик и физик Джон Уильям Страт (по отцу - лорд Рэлей). С тех пор рассеяние света на отдельных атомах или молекулах и вообще на маленьких частицах - с размерами, намного меньшими длины световой волны, называют рэлеевским рассеянием.
Другая точка зрения заключалась в том, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Позже, в XVII веке, эта точка зрения оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет является потоком неких частиц, испускаемых светящимся телом.
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве действие или движение. В дальнейшем его взгляды на природу света положили начало волновой теории света. Необходимо отметить, что огромную роль в развитии оптики сыграло определение скорости света. Впервые скорость света была определена датским астрономом Олафом Ремером (1644-1710) в 70-х годах XVII века. Проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера и измерив время их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с.
В XVII веке происходит окончательное формирование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.
С точки зрения корпускулярной теории хорошо объяснялось прямолинейное распространение света и закон отражения света. Кроме того, закон преломления также не противоречил этой теории. Не было противоречий и с общими представлениями о строении вещества. Но, несмотря на преобладание взглядов о корпускулярной природе света, начинают развиваться и представления о его волновой природе.
Родоначальником волновой теории света является Декарт. Согласно его взглядам, свет - это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство (эфир). Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света. Однако необходимо отметить то, что взгляды Декарта носили чисто умозрительный характер.
Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618-1663), который заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление ученый назвал дифракцией. Гримальди объяснял это явление тем, что свет - это флюид (тонкая неощутимая жидкость) и при встрече с препятствием возникают волны этого флюида.
Дифракцией света называется явление огибания световыми волнами малых препятствий, встречающихся на пути их распространения. Например, при прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца. Чем меньше размеры экрана или отверстия, тем сильнее дифракция света.
Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Важная роль в исследовании интерференции принадлежит английскому физику Роберту Гуку (1635-1703). Гук считал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже высказывал предположение, что эти колебания являются поперечными. При изучении цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой (например, мыльной) пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов.
Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волн. Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода Δ1, кратной целому числу длин волн λ:
Δ1 = 2k ,
наблюдается интерференционный максимум. При разности Δ1, кратной нечетному числу полуволн:
Δ1 = (2k+1),
наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других длин волн. Поэтому освещаемая белым светом тонкая бесцветная прозрачная пленка кажется окрашенной. При изменении толщины пленки или угла падения световых волн разность хода изменяется и условие максимума выполняется для света с другой длиной волны.
Дифракция света используется в так называемой дифракционной решетке, представляющей собой прозрачную пластинку с нанесенной на нее системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях d друг от друга.
При падении на решетку монохроматической волны с плоским волновым фронтом в результате дифракции из каждой щели свет будет распространяться не только в первоначальном направления, но и по всем другим направлениям.
Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельные лучи, идущие от краев двух соседних щелей, имеют разность хода:
Δ1 = d,
где d - расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, φ- угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При равенстве разности хода Δ1 целому числу длин волн:
d λ,
где λ - длина волны падающего света, наблюдается интерференционный максимум света. Линза не вносит разности хода. Таким образом, условие интерференционного максимума для каждой длины световой волны выполняется при своем значении угла дифракции φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано в 1669 году датским ученым Бартолином. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенные друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.
