Мини-лекции. История фотографии. Оптика

«Ой! — забыв про болезнь восхищённо воскликнула Валька. — Я вчера луч света видела на лазерном шоу, такой прикольный!»
 — Девушка, если кто-нибудь вам скажет, что видел луч света, плюньте ему в лицо!
 — Почему?
 — Потому, что луч света это всего лишь воображаемый отрезок прямой линии, имеющий некоторое направление в пространстве! Равно как и луч звука и луч волны в воде!
 — Но, я же видела!
 — Согласен. Только вы видели луч лазера! А если уж быть точным, его след. Вы видели светящиеся взвеси в воздухе: капельки воды, пыль, мелкие насекомые, да мало ли грязи болтается в атмосфере! Если бы воздух был идеально чистым, то вы ничего бы и не увидели! Если бы это было не так, то небо светилось и ночью как днём, из-за света звёзд и планет! Но этого не происходит! Вы увидите свет лазера только тогда, когда его луч попадёт вам в глаз! Но этого нельзя делать так как можете лишиться зрения, раз и навсегда!

                Из разговора с сотрудницей нашего отдела.

Действительно, а что такое свет и есть ли эти самые лучи света? И вообще откуда берётся этот свет? Если по-американски, то? Из лампочки. Откуда же ещё?! Если Вы вдруг возбуждены, то для успокоения нужно как-то разрядиться и?.. Вот так и атом вещества получив дозу при успокоении испускает свет. Точнее квант электромагнитной энергии. Или ещё точнее электромагнитных (световых) волн. И если атом можно считать точкой, то световые волны разбегаются с сумасшедшей скоростью (300000 км/сек.) в разные стороны. Если бы мы могли увидеть всё это, то? То увидели бы некую сферу расширяющуюся в пространстве. Передняя граница между этой сферой и пространством называют по военному, — фронт волны. А воображаемый геометрический луч исходящий из источника назвали луч света. Вы можете увидеть воображаемое? Вот и я об этом же!

Луч света всегда перпендикулярен касательной плоскости в точке пересечения этого луча с фронтом волны. Во как закручено?.. Так, что атом излучает «мульён» этих, воображаемых лучей. Наука занимающаяся поведением света как волн в оптических устройствах, называется волновой оптикой. А так, сами понимаете на пальцах вот так просто объяснить все эти волновые страсти как-то не очень, то? То придумали нечто более понятное, — геометрическую оптику. Так ещё, тот самый, перпендикулярный и очень воображаемый луч графически присобачить к исследованию поведения света в оптических устройствах. Что мы с Вами и будем дальше использовать в своих рассуждениях. Луч света в геометрической оптике всего лишь направление световой волны!

На рис1 графическое изображение (в двухмерных координатах) сферических волн и как бы лучи расходящиеся в направление движения фронта. На Рис2 та же история но уже с плоской волной. Те же лучи перпендикуляры! Чем больше энергия (температура) возбуждающая атомы вещества (металла) тем выше частота колебаний и короче длина световой волны. Вначале испускаются инфракрасные... И далее по нарастающей до ультрафиолетовых волн. А весь набор (от красного до фиолетового) и есть наш родной, белый свет со всеми радужными цветами. Поэтому так называемый белый цвет есть сумма всех видимых цветов! А чёрный как не печально, полное отсутствие каких либо цветов! Серый цвет, тот же белый только маленький, так себе серединка на половинке. И в общем виде только в сравнении с чем-то? Кстати человеческое лицо (европейского производства конечно) в чёрно-белой фотографии серое! И все эти штучки ориентируются на степень отражения! И если самое белое вещество (по Гальперину, окись магния?) отражает 96% света, то лицо человека лишь 30%, +/-!.. Снег свежевыпавший — 78%. Белая бумага — 70%. Чёрный бархат — 3%!

Жил-был в Нидерландах дядька Христиан Гюйгенс (1629-1695гг). Вот он-то и придумал как можно объяснить такое странное поведение лучей света: преломление, отражение, дифракцию... И прочие оптические гадости?.. На Рис3,7 лишь малая часть его рассуждений. Посмотрите на Рис3, фронт волны двигаясь в пространстве, в каждой точке рождает сферические волны (на рисунке как бы в плоскости). Касательная к всем этим сферам образуют новый фронт и тд. В смысле пока у Вас крыша от всех рассуждений не поедет?! И вот применяя этот принцип к так называемому преломлению света, получаем вот такой результат, Рис7.

Как всё это понимать? Все эти каракули? На поверхность отделяющую воздух и более плотную среду (вода, стекло) движется фронт световой волны N1, N2. Мы рассмотрим лишь часть его, а именно отрезок А, В. В момент пересечения с границей раздела двух сред в точке А (согласно Гюйгенсу) возникнет новая волна. Распространятся в плотной среде она будет со скоростью меньшей чем в воздухе. В дальнейшем фронт пересечёт границу в точках последовательно D, Е и С. В точках D и Е также возникнут волны. И в момент пересечения фронтом плоскости в точке С волны от всех точек расширятся до определённых диаметров (они же сферические). И если мы соединим точку С касательной С, А, то получим новый фронт волны распространяющийся уже в плотной среде. Как видите он изменил своё направление. И если бы фронт был параллелен границе раздела, то никакого преломления бы не было! Потому как все точки пересечения возникли бы одновременно! Рождённые точками сферические волны двигаясь с одной скоростью образовали новый фронт аналог N1, N2. Двигавшийся в том же направлении. И никаких преломлений мы не наблюдали бы!

Аналогичная картина будет наблюдаться и при пересечении раздела плотной среды с воздухом новым фронтом С, А и точками F, G, H. Первой точкой родившей волну будет точка С1. Когда луч Н, Н1 пересечёт границу радела в точке Н1 возникнет волна. Если в тот момент провести касательную то получим новый фронт волны Н2, С2. Если убрать все эти построения и оставить лишь один луч света то и получим то, что в школе нам показывали, как луч света дважды преломляется пройдя через трёхгранную призму Рис6. Разница лишь в том, что мы применили лучи одной частоты (волны, цвета), а в школе узкий поток белого света. Из рисунка видно, что он распался на лучи разных цветов. Вывод! Плотная среда сильнее всего воздействовала на высокочастотную часть, фиолетовый цвет! Он-то сильнее всех и преломился. Самый же ленивым и упёртым оказался красный цвет.

На Рис8 показаны в разрезе две линзы (положительная и отрицательная) представленные как набор призм и ход лучей через них. В положительной все лучи сходятся в одной точке, а в отрицательной наоборот расходятся! Преломление происходит только в тех частях линзы на поверхность которых падает луч под некоторым углом не равным 90°. Поэтому в центральной части линзы преломление не происходит. Теперь, если Вы увидите человека в очках с непривычно маленькими глазами, значит у него в очках установлены отрицательные линзы.

И последнее. Несколько слов о таком явлении как дифракция с точки зрения Гюйгенса. Это наблюдается (для нас с Вами) при прохождении световой волны через отверстия. Если оно довольно большое по сравнению с длиной волны то мы видим картину Рис5 и 9 нижняя часть. По теории Гюйгенса каждая точка в отверстии рождает свою волну и в конечном счёте образует новый фронт. Но крайние точки дают волну которая как бы заходит за тень. И чем меньше отверстие, тем меньше света проходит через него. А вот волны от крайних точек остаются почти неизменным и всё сильнее влияет на общую картину Рис4 и 9 верхняя часть. Здесь волны благодаря ещё одному явлению интерференции выглядят вот такими кольцами (чередование светлых и тёмных колец). Как уж всё это влияет на фотографические процессы узнаем из последующих мини-лекций.