Гюйгенс Волновая теория света. В погоне за лучом - страница 9

Если же между экраном и карандашом мы разместим стеклянную линзу (см. рисунок 7), ситуация изменится кардинальным образом. Все синие лучи, отраженные точкой А и доходящие до линзы, сойдутся в точке экрана A', которая тоже будет синей. То же произойдет с красными лучами точки B, которые дойдут до красной точки В', и с любой другой точкой видимой поверхности карандаша. Свет от предмета больше не рассеивается равномерно по всей поверхности экрана. Линза благодаря своей геометрии и рефракции позволяет разделить лучи — она соединяет каждую точку карандаша с определенной точкой экрана. В результате на нем проецируется перевернутое изображение карандаша, которое дает информацию о предмете, полученную при взаимодействии с ним света. Эту передачу данных при помощи света мы называем видением, ведь в наших глазах имеются линзы, проецирующие изображение на светочувствительные клетки сетчатки.

В отсутствие экрана, сетчатки или пластины из светочувствительного материала лучи будут пересекаться за линзой, в точках А', В’, С и других и продолжат свой путь, не взаимодействуя друг с другом (см. рисунок 8). Совокупность этих точек формирует модель своего изображения, подобную (обратную и другого масштаба) той, что отражается от поверхности карандаша.

РИС. 9

РИС. 10

По той же причине изображение будет четким только на определенном расстоянии от линзы, где сходятся лучи, порождающие точки А', В' и С'.

Если мы расположим экран немного ближе этой точки (в d_>1) или немного дальше нее (в d_>2), то лучи, исходящие, например, от В, не будут сходиться в одной и той же точке, порождая всего одну точку В', но спроецируют окружность (см. рисунок 9). Каждая точка карандаша порождает световое пятно, а итоговое изображение будет напоминать рисунок чернилами на впитывающей бумаге, когда каждая точка теряет свою четкость. Накладываясь друг на друга, окружности образуют размытое изображение.

РИС. 11

С самого создания диоптрики главной ее целью было установление размеров изображения и расстояния, на котором оно возникает в четком виде, в зависимости от расположения источника света. Ключ к решению надо искать в фокусном расстоянии, то есть в расстоянии, на котором сходится пучок лучей, прошедших сквозь линзу (см. рисунок 10). Впервые фокусное расстояние было определено экспериментальным путем после небольшого возгорания, вызванного концентрацией солнечных лучей, преломляющихся в изогнутом куске стекла. Точка, в которой они сходятся, называется фокусом; мы будем обозначать его буквой I.

Фокусное расстояние — самая важная оптическая характеристика линз, которая показывает их способность отклонять лучи света. Расстояние зависит от материала линзы и от ее геометрии, то есть степени изгиба ее контуров, влияющей также на толщину линзы. Чем больше изгиб линзы (и ее толщина), тем меньше фокусное расстояние, и наоборот.

Фокусное расстояние позволяет разделить пространство перед линзой — пространство предметов — на три большие зоны и исследовать, как меняется изображение в зависимости от расположения предмета. Первая зона начинается в точке, удаленной от линзы на два фокусных расстояния, и уходит в бесконечность. Вторая находится между точками фокусного расстояния и удвоенного фокусного расстояния. Третья лежит между линзой и точкой фокусного расстояния. Можно установить три области, симметричные этим и находящиеся с другой стороны линзы (четвертую, пятую и шестую), — пространство изображений. Определив поле игры (см. рисунок 11), мы можем начать матч, поместив синий карандаш в первую зону. Линза уменьшит изображение и перевернет его, отобразив в пятой зоне. Чем дальше будет карандаш от линзы, тем ближе окажется его перевернутое изображение к точке f. При приближении карандаша к линзе его перевернутое изображение будет увеличиваться, одновременно приближаясь к 2f. Предметы, расположенные в этой первой зоне, формируют изображения, удобные для фотоаппаратов: когда мы фотографируем, нам нужно уместить пейзаж или лицо человека в небольшой прямоугольник.

В тот момент, когда карандаш достигает f, линза формирует его перевернутое изображение без уменьшения размеров в 2f. Если мы продолжим приближать карандаш и сместим его во вторую зону, линза образует увеличенное перевернутое изображение в шестой зоне. Чем ближе карандаш будет к f, тем больше будет изображение и тем дальше оно окажется от 2f.