Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Простейшим из таких приборов является лупа (или увеличительное стекло́). Она состоит из одной выпуклой линзы, которая может быть вставлена в оправу, не выполняющую оптической функции. Лупа создаёт мнимое увеличенное изображение предмета, который находится от неё на расстоянии чуть ближе фокуса.

В подзо́рных тру́бах (или зрительных трубах) для получения прямого изображения используют различные оптические устройства — системы призм или оборачивающие линзы.

В «классическом» виде подзорная труба состоит из двух линз: объектива (положительной, собирающей линзы), создающего действительное изображение объектов, и окуляра (отрицательной, рассеивающей линзы) для рассматривания увеличенного изображения. Такая схема называется «трубой Галиле́я».

Бинокль — это прибор, состоящий из двух параллельных зрительных труб, соединённых вместе для удобства наблюдения за удалёнными предметами сразу двумя глазами.

Прибор для увеличения изображений очень мелких объектов называется микроскопом. В качестве простейшего однолинзового микроскопа можно рассматривать обычную лупу.

В качестве микроскопа можно также использовать и трубу Галилея (состоящую из собирающего объектива и рассеивающего окуляра). В микроскопах собирающий объектив создаёт увеличенное изображение, которое рассматривается уже с помощью окуляра, работающего как лупа. Объектив может состоять из нескольких линз; основная функция такого объектива такая же, как и у состоящего из одной линзы, но использование нескольких линз позволяет достигать более сильного увеличения, а также уменьшать различных искажающие изображение оптические эффекты. Современные многолинзовые микроскопы позволяют увеличивать изображение в тысячи раз.

Телескопы тоже состоят из собирающих оптических систем — объектива и окуляра. Объектив в своём фокусе создаёт перевёрнутое изображение очень далёкого объекта. Это изображение, как и в микроскопе, рассматривается и увеличивается окуляром.

Перечисленные выше приборы предназначены для наблюдения за объектами непосредственно глазами.

Для создания действительных изображений, которые можно зафиксировать на плёнке или в цифровом виде, используют такие аппараты как фото- и кино- и видеокамеры.

Фотоаппараты (или фотокамеры), как и другие перечисленные выше приборы, содержат собирающий объектив, но изображение создаётся не в глазу человека, а на светочувствительной плёнке — в плёночных фотоаппаратах, или на сенсоре (матрице) — в цифровых. Обычно изображение на плёнке или сенсоре уменьшенное, но в случае макросъёмки оно может быть и больше оригинального.

Киносъёмочные аппараты (или кинокамеры) с оптической точки зрения близки к плёночным фотоаппаратам, а видеока́меры — к цифровым. Отличие заключается в том, что фотоаппараты предназначены для статичной фиксации отдельных изображений, а кино- и фотокамеры предназначены для фиксации длинной последовательности кадров, позволяющий увидеть изменение сцены в динамике.

Для возможности просмотра сохранённых изображений в кинотеатрах используют проекционные аппараты.

В проекционных аппаратах (или проекторах) свет от яркого источника света проходит плёнку или через жидкокристаллическую матрицу, либо отражается от неё; сформированное таким образом изображение проходит через собирающий объектива и формирует увеличенное действительное изображение на экране. Получившееся изображение можно видеть благодаря разнице в его яркости и естественной яркости экрана.

Глаз человека и животных — сенсорный орган, служащий для создания изображений, которые проецируются на сетчатку. Сетчатка — это слой светочувствительных клеток, аналогичных сенсору в фото- и видеокамерах.

Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага передней камеры, хрусталик и стекловидное тело. Ключевую роль в ней играет хрусталик, который для настройки на резкость изменяет форму — явление аккомодации. Изменение формы приводит к изменению фокусного расстояния хрусталика.

Поскольку последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы, фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние, в воздухе) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние, в стекловидном теле) неодинаковы.

На сетчатке формируется обратное и уменьшенное изображение. Далее мозг «переворачивает» обратное изображение, и таким образом оно воспринимается как прямое. (Проводился эксперимент с переворачивающими изображение очками: человеческий мозг адаптируется к ним в течение трёх суток и воспринимает изображение как прямое. После того как очки снимаются, опять требуется время для адаптации.)