Фокусное расстояние для сферической поверхности

Рассмотрим сначала простейший пример преломляющей поверхности, разделяющей две среды с разными показателями преломления (фиг. 27.2). Случай произвольных показателей

Фиг. 27.2. Фокусировка на преломляющей поверхности.

пусть разберет читатель самостоятельно; нам важно рассказать об идее, задача же достаточно проста и ее можно решить в лю­бом частном случае. Итак, пусть слева скорость света равна 1, а справа 1/n, где n — показатель преломления. Свет в стекле идет медленнее в n раз.

Теперь представим себе точку О на расстоянии s от лицевой поверхности стекла и другую точку О' на расстоянии s' внутри стекла и попытаемся выбрать кривую поверхность так, чтобы каждый луч, вышедший из О и попавший на поверхность в Р, приходил в точку О'. Для этого нужно придать поверхности такую форму, чтобы сумма времени прохождения света на пути от О к Р (т. е. расстояние ОР, деленное на скорость света, равную единице) плюс n-О'Р, т.е. время на пути от Р к О', было по­стоянной величиной, не зависящей от положения точки Р. Это условие дает уравнение для определения поверхности. В ре­зультате получается весьма сложная поверхность четвертого порядка (читатель может вычислить ее для собственного удоволь­ствия с помощью аналитической геометрии). Проще рассмотреть специальный случай s® ¥, когда кривая получается второго порядка и ее легче определить. Интересно сравнить эту кри­вую с кривой для фокусирующего зеркала (когда свет приходил из бесконечности), которая, как вы помните, оказалась параболой.

Итак, нужную поверхность сделать нелегко; чтобы сфокуси­ровать свет от одной точке в другую, нужна довольно сложная поверхность. Практически такие сложные поверхности даже не пытаются создать, а пользуются компромиссным решением. Мы не будем собирать все лучи в фокус, а соберем только лучи, достаточно близкие к оси 00'. Раз идеальная форма поверхности столь сложна, возьмем вместо нее сферическую поверхность, которая имеет нужную кривизну у самой оси, и пусть далекие лучи отклоняются от оси, если они того хотят. Сферу изготовить намного проще, чем другие поверхности, поэтому выберем сферу и рассмотрим поведение лучей, падающих на сферическую по­верхность. Будем требовать точной фокусировки только для тех лучей, которые проходят вблизи от оси. Иногда эти лучи называ­ют параксиальными, а наша задача — найти условия фокуси­ровки параксиальных лучей. Позже мы обсудим ошибки, свя­занные с отклонением лучей от оси.

Итак, считая, что Р близко к оси, опустим перпендикуляр PQ длиной h. Если бы наша поверхность была плоскостью, проходящей через Р, то время, затрачиваемое на пути от О к Р, превышало бы время на пути от О к Q, а время на пути от Р к О' превышало бы время от Q к О'. Поверхность стекла должна быть кривой, потому что только в этом случае весь излишек времени компенсируется задержкой при прохождении пути от V к Q! Далее, излишек времени на пути ОР есть h²/2s, а излишек времени на отрезке О'Р есть nh²/2s'. Это лишнее время, которое должно компенсироваться временем на пути VQ, накапливается на пути в среде, а не в вакууме. Другими словами, время на пути VQ в n раз больше соответствующего времени в вакууме, а поэтому лишнее время на этом отрезке есть (n-l)VQ. Ну, а какова длина VQ? Если С есть центр сферы с радиусом R, то с помощью уже знакомой нам формулы выводим, что длина VQ есть h²/2R. В результате мы получаем закон, (27.2)

который связывает длины s и s' и определяет радиус кривизны R искомой поверх­ности:

(27.3)

Если мы хотим сфокусировать свет из точки О в точку О', то эта формула позволяет вычислить требуемый радиус кривизны поверхности.

Интересно, что та же линза с таким же радиусом кривизны R будет фокусировать и на других расстояниях, т. е. она является фокусирующей для любой пары расстояний, для ко­торых сумма обратной величины одного расстояния и обратной величины другого, умноженного на n, есть постоянное число. Таким образом, данная линза (если учитывать только паракси­альные лучи) является фокусирующей не только для точек О и О', но и для бесконечного числа пар точек, если эти пары удов­летворяют соотношению 1/s+n/s' = постоянная, характеризую­щая данную линзу.

Представляет интерес частный случай s®¥. Из формулы видно, что при увеличении s другое расстояние s' уменьшается. Другими словами, когда точка О удаляется, точка О' прибли­жается, и наоборот. Когда точка О уходит на бесконечность, точка О' также двигается внутри стекла вплоть до расстояния, называемого фокусным расстоянием f'. Если на линзу падает параллельный пучок лучей, он соберется в линзе на расстоянии f'. Можно задать вопрос и по-другому. (Вспомним правило обратимости: если свет переходит из О в О', он, разумеется, может двигаться и в обратном направлении, из О' в О.) Таким образом, если источник света находится внутри стекла, то может возникнуть вопрос, где лучи соберутся в фокус? В част­ности, если источник внутри стекла находится на бесконечности (та же задача, что и раньше), то где будет фокус вне линзы? Это расстояние обозначают через f. Можно, конечно, ска­зать и иначе. Если источник расположен на расстоянии

f, то лучи, проходя через поверхность линзы, выйдут параллель­ным пучком. Легко определить f и f':

(27.4)

(27.5)

Отметим интересный факт: если мы разделим каждое фокус­ное расстояние на соответствующий показатель преломления, то получим один и тот же результат! На самом деле, это общая теорема. Она справедлива для любой сложной системы линз, поэтому ее стоит запомнить. Мы не доказали эту теорему в общем виде, а лишь отметили ее применимость для одной поверхности, однако оказывается, что вообще два фокусных расстояния неко­торой системы связаны подобным образом. Иногда выражение (27.3) записывают в следующем виде:

(27.6)

Такая форма более удобна, чем (27.3), потому что проще изме­рить f, чем кривизну и показатель преломления линзы. Если нам не нужно самим конструировать линзу или изучать в под­робностях весь процесс, а достаточно достать линзу с полки, то нас будет интересовать только величина f, а не n или R! Любопытная ситуация возникает, когда s становится мень­ше f. Что же тогда происходит? При s<f обратная величина (Us) больше (1/f) и поэтому s' отрицательна. Наша формула ут­верждает, что свет фокусируется только при отрицательном зна­чении s',— понимайте как хотите! Но означает это нечто весьма определенное и интересное. Формула эта остается полезной и для отрицательных значений. Что она означает, ясно из фиг. 27.3. Исходящие из точки О лучи преломляются на поверх­ности, но в фокус не собираются, так как точка О расположена слишком близко к поверхности, и лучи становятся «более чем параллельны». Однако они начинают расходиться так, как буд­то бы вышли из точки О' вне линзы. Эта точка есть кажущееся изображение, или, как иногда говорят, мнимое изображение.

Фиг. 27.3. Мнимое изображение.

Фиг. 27.4. Плоская поверхность раздела отображает точку О' в точку О.

Изображение О' на фиг. 27.2 называется действительным изоб­ражением. Действительное изображение возникает, когда свет действительно проходит через точку. Но если кажется, что свет исходит из некоторой фиктивной точки, не совпадаю­щей с действительным источником, то эта точка и есть мнимое изображение. Следовательно, для отрицательных s' точка О' находится по другую сторону поверхности, и все встает на свои места.

Рассмотрим теперь интересный случай, когда R=¥; при этих условиях (1/s)+(n/s')=0. Иными словами, s' =-ns, что означает, что если из плотной среды смотреть на некую точку в разреженной среде, то она будет казаться дальше в n раз. Мы можем прочитать наше уравнение и наоборот: при взгляде на объект, находящийся в плотной среде за плоской поверхностью раздела, нам будет казаться, что он расположен к нам ближе, чем на самом деле (фиг. 27.4). Когда мы смотрим сверху на дно плавательного бассейна, он кажется нам мельче в ³/₄ раза, чем он есть на самом деле; эта цифра есть обратная величина показа­теля преломления воды.

Теперь мы могли бы перейти к сферическому зеркалу. Но если вникнуть в смысл сказанного нами ранее, то вполне можно разобрать этот вопрос самостоятельно. Поэтому пусть читатель сам выведет формулы для сферического зеркала, но для этого полезно принять следующие условия:

1) расстояние до объекта s положительно, если точка О расположена слева от поверхности;

2) расстояние до изображения s' положительно, если точка О' расположена справа от поверхности;

3) радиус кривизны поверхности положителен, если центр находится справа от поверхности.

Например, на фиг. 27.2 s, s' и R положительны; на фиг. 27.3 s и R положительны, a s' отрицательна. Для вогнутой поверх­ности наша формула (27.3) остается справедливой, если считать R отрицательной величиной.

Пользуясь приведенными условиями, можно вывести соответ­ствующую формулу и для зеркала, положив в (27.3) n=-1 (как если бы среда за зеркалом имела показатель преломления -1), и тогда получится правильный результат!

Мы вывели формулу (27.3) простым и элегантным способом, исходя из принципа наименьшего времени; ту же формулу мож­но, конечно, получить с помощью закона Снелла, если учесть, что углы малы и заменить синусы самими углами.

Date: 2015-05-19; view: 437; Нарушение авторских прав