ГЛАВА 6. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
В трех предыдущих главах мы познакомились с геометрической теорией оптического отображения, пользуясь главным образом законами параксиальной оптики и теорией Зайделя. Исключительно велика ценность этого раздела оптики, позволяющего описывать принципы работы оптических приборов в наглядной форме. Качество оптических систем нельзя оценить при помощи одной только теории Гаусса, но она позволяет указать назначение отдельных оптических элементов, так что часто можно получить ясное, хотя и несколько упрощенное представление о действии системы без глубокого проникновения в сложную технику оптических расчетов.
Совершенствование оптических приборов в прошлом происходило непрерывно по мере того, как преодолевались технические трудности. Однако два. обстоятельства не позволяют дать последовательное описание конструкций оптических систем. Во-первых, простая теория не указывает на пределы применимости данного устройства; в каждом отдельном случае требуется длительный анализ, часто содержащий утомительные вычисления. Во-вторых, трудности практического характера часто могут препятствовать использованию полезного устройства. В приводимом ниже обзоре нет указаний на практические и теоретические положения, ограничивающие применение тех или иных устройств; в нем излагаются только основные принципы работы наиболее важных оптических приборов, что необходимо для понимания более строгой теории формирования оптического изображения, которой посвящены последующие главы,
§ 6.1. Глаз
Вероятно, простейшим оптическим прибором можно считать устройство, состоящее из одной собирательной линзы, дающей действительное изображение предмета на светочувствительной поверхности. Примерами таких оптических систем служат фотоаппарат и глаз (рис. 6.1). Дно глазного яблока, называемое сетчаткой, состоит из слоя светочувствительных элементов.
Поскольку глаз часто входит как составная часть в оптическую систему, изучение его характеристик весьма существенно для инструментальной оптики. Этот параграф содержит описание некоторых особенностей глаза.
Рис. 6.1. Глаз человека.
Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности — роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика, находящегося позади способной к сокращению радужной оболочки: (ириса). Последняя определяет апертурный диаметр, величина которого в соответствии с полным световым потоком, попадающим в глаз, может изменяться непроизвольным мышечным усилием, приблизительно от 1,5 до 6 мм.
Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с плотностью (а следовательно, и показателем преломления), снижающейся по направлению к периферии, что уменьшает создаваемую им сферическою аберрацию (см. § 5.3). Средняя величина показателя преломления хрусталика равна 1,44, тогда как у стекловидного тела, находящегося между хрусталиком и сетчаткой, она составляет 1,34, т. е. близка к показателю преломления воды.
Радиус кривизны хрусталика может изменяться сокращением мышц, меняя таким образом фокусировку глаза. Эта способность называется аккомодацией. Наименьшее расстояние отчетливого видения для нормального, или эметропического, глаза примерно равно 25 см. Аккомодация глаза в большей степени изменяется от одного индивидуума к другому; она изменяется также с возрастом.
Исправление значительных недостатков глаз с помощью дополнительных линз (очков) составляет предмет офтальмологии. Глазу свойственны три основных недостатка.
Миопия, или близорукость, при которой лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются перед сетчаткой. Она корректируется рассеивающей линзой, помещаемой перед глазом.
б. {иперметропия, или дальнозоркость, при которой истинный фокус лучей от бесконечно удаленного предмета лежит за сетчаткой. Она корректируется собирательной линзой.
в. Астигматизм, при котором преломляющая способность глаза различна в разных плоскостях, проходящих через его оптическую ось. Этот дефект корректируется цилиндрической или тороидальной очковой линзой.
Сетчатка содержит два основных типа светочувствительных приемников, палочки и колбочки. Последние, согласно принятой теории цветного зрения, делятся на три типа цветочувствительных элементов. Колбочки преобладают в средней части сетчатки и их концентрация наиболее велика в так называемой центральной ямке желтого пятна. Эта область сетчатки ограничивает поле наиболее отчетливого зрения размером, несколько меньшим Г, и определяет фиксацию, или направление «видения», глаза. Диаметр колбочек в центральной ямке меняется от 0,0015 до 0,005 мм. Палочки, малочувствительные к цвету, доминируют в периферических участках сетчатки. Они особенно чувствительны к свету малоинтенсивных источников. С этим связано явление «бокового зрения», которое проявляется, например, когда мы рассматриваем картину ночного неба.
Существует некий конечный предел в отчетливости деталей, который может быть достигнут с любой оптической системой. Этот предел, как будет показано в п. 8.6.2, в конечном счете обусловлен волновой природой света. Большой интерес для конструкторов-оптиков представляет величина нижнего предела разрешения глазом двух соседних точечных объектов, или острота зрения, поскольку от этой величины зависит все допуски (как оптические, так и механические), приемлемые при создании приборов для визуальных наблюдений. Для нормального глаза предельное угловое разрешение составляет около 
, что при фокусном расстоянии 15 мм соответствует 0,0045 мм на сетчатке. При диаметре зрачка, большем 5 мм, хроматическая и сферическая аберрации ухудшают разрешающую способность глаза. Поэтому обычно при конструировании приборов для визуальных наблюдений предполагается, что диаметр светового пучка, попадающего в глаз, не превышает 4—5 мм. При расчете таких приборов почти никогда не учитываются недостатки глаза, так как они меняются от человека к человеку.
