Teoria obrazów w soczewkach. Optyka geometryczna. Droga promieni przez soczewkę

Instrumenty optyczne- urządzenia, w których występuje promieniowanie z dowolnego obszaru widma(ultrafiolet, światło widzialne, podczerwień) przekształca(przesłane, odbite, załamane, spolaryzowane).

Oddanie hołdu tradycja historyczna,Urządzenia optyczne nazywane są zwykle urządzeniami działającymi w świetle widzialnym..

Tylko podczas wstępnej oceny jakości urządzenia podstawowy jego cechy:

• otwór- zdolność do koncentracji promieniowania;
• zdolność rozdzielcza- umiejętność rozróżniania sąsiadujących ze sobą szczegółów obrazu;
• zwiększyć- stosunek wielkości obiektu do jego obrazu.
• W przypadku wielu urządzeń cechą charakterystyczną okazuje się być linia wzroku- kąt, pod jakim widać środek urządzenia skrajne punkty temat.

Rozdzielczość (zdolność)- charakteryzuje zdolność przyrządów optycznych do wytwarzania oddzielnych obrazów dwóch punktów obiektu blisko siebie.

Nazywa się najmniejszą odległość liniową lub kątową między dwoma punktami, z której łączą się ich obrazyograniczenie rozdzielczości liniowej lub kątowej.

Zdolność urządzenia do rozróżnienia dwóch bliskich punktów lub linii wynika z falowej natury światła. Wartość liczbowa zdolności rozdzielczej na przykład układu soczewek zależy od umiejętności projektanta radzenia sobie z aberracjami obiektywu i dokładnego wyśrodkowania tych soczewek na tej samej osi optycznej. Teoretyczną granicę rozdzielczości dwóch sąsiednich obrazowanych punktów definiuje się jako równość odległości między ich środkami a promieniem pierwszego ciemnego pierścienia ich obrazu dyfrakcyjnego.

Zwiększyć. Jeżeli obiekt o długości H jest prostopadły do ​​osi optycznej układu, a długość jego obrazu wynosi h, to powiększenie m określa się ze wzoru:

m = godz./H .

Powiększenie zależy od ogniskowych i względnego położenia soczewek; Istnieją odpowiednie wzory wyrażające tę zależność.

Ważną cechą urządzeń do obserwacji wizualnej jest wyraźny wzrost M. Określa się go na podstawie stosunku wielkości obrazów obiektu, które powstają na siatkówce oka podczas bezpośredniej obserwacji obiektu i oglądania go przez urządzenie. Zwykle pozorny wzrost M wyraża się jako stosunek M = tgb/tga, gdzie a to kąt, pod jakim obserwator widzi obiekt gołym okiem, oraz b to kąt, pod jakim oko obserwatora widzi obiekt przez urządzenie.

Główną częścią każdego układu optycznego jest soczewka. Soczewki są częścią prawie wszystkich instrumentów optycznych.

Obiektyw – optycznie przezroczysty korpus ograniczony dwiema kulistymi powierzchniami.

Jeżeli grubość samej soczewki jest mała w porównaniu z promieniami krzywizny powierzchni kulistych, wówczas soczewkę nazywa się cienką.

Są soczewki zbieranie I rozpraszanie. Soczewka skupiająca w środku jest grubsza niż na krawędziach, soczewka rozpraszająca natomiast jest cieńsza w części środkowej.

Rodzaje soczewek:

• wypukły:
  • dwuwypukły (1)
  • płasko-wypukły (2)
  • wklęsło-wypukłe (3)
• wklęsły:
  • dwuwklęsły (4)
  • płasko-wklęsły (5)
  • wypukło-wklęsły (6)

Podstawowe oznaczenia w obiektywie:

Nazywa się linię prostą przechodzącą przez środki krzywizny O 1 i O 2 powierzchni kulistych główna oś optyczna soczewki.

W przypadku cienkich soczewek możemy w przybliżeniu założyć, że główna oś optyczna przecina się z soczewką w jednym punkcie, co zwykle nazywa się środek optyczny soczewki O. Wiązka światła przechodzi przez środek optyczny soczewki, nie odchylając się od pierwotnego kierunku.

Środek optyczny soczewki- punkt, przez który promienie świetlne przechodzą bez załamania w soczewce.

Główna oś optyczna– linia prosta przechodząca przez środek optyczny soczewki, prostopadła do soczewki.

Nazywa się wszystkie linie proste przechodzące przez środek optyczny wtórne osie optyczne.

Jeżeli wiązka promieni równoległa do głównej osi optycznej zostanie skierowana na soczewkę, to po przejściu przez soczewkę promienie (lub ich kontynuacja) zbiegną się w jednym punkcie F, który nazywa się główne skupienie obiektywu. Cienka soczewka ma dwa główne ogniska, rozmieszczone symetrycznie na głównej osi optycznej względem soczewki. Soczewki skupiające mają ogniska rzeczywiste, natomiast soczewki rozbieżne mają ogniska urojone.

Wiązki promieni równoległe do jednej z wtórnych osi optycznych po przejściu przez soczewkę skupiają się także w punkcie F”, który znajduje się na przecięciu osi wtórnej z płaszczyzną ogniskową Ф, czyli płaszczyzną prostopadłą do soczewki głównej osi optycznej i przechodzącej przez ognisko główne.

Płaszczyzna ogniskowa– linia prosta, prostopadła do głównej osi optycznej soczewki i przechodząca przez ognisko soczewki.

Odległość między środkiem optycznym soczewki O a głównym ogniskiem F nazywa się długość ogniskowa . Jest on oznaczony tą samą literą F.

Załamanie równoległej wiązki promieni w soczewce zbierającej.

Załamanie równoległej wiązki promieni w soczewce rozbieżnej.

Punkty O 1 i O 2 to środki powierzchni sferycznych, O 1 O 2 to główna oś optyczna, O to środek optyczny, F to ognisko główne, F” to ognisko wtórne, OF” to drugorzędna oś optyczna, Ф jest płaszczyzną ogniskową.

Na rysunkach cienkie soczewki są przedstawione jako segment ze strzałkami:

zbieranie: rozpraszanie:

Główna właściwość soczewek– umiejętność nadawania obrazów przedmiotom. Pojawiają się obrazy prosty I do góry nogami, ważny I wyimaginowany, powiększony I zredukowany.

Położenie obrazu i jego charakter można określić za pomocą konstrukcji geometrycznych. Aby to zrobić, wykorzystaj właściwości niektórych standardowych promieni, których przebieg jest znany. Są to promienie przechodzące przez środek optyczny lub jedno z ognisk soczewki, a także promienie równoległe do głównej lub jednej z drugorzędnych osi optycznych. Do skonstruowania obrazu w soczewce wykorzystuje się dowolne dwa z trzech promieni:

Promień padający na soczewkę równolegle do osi optycznej przechodzi po załamaniu przez ognisko soczewki.

Promień przechodzący przez środek optyczny soczewki nie ulega załamaniu.

Promień przechodząc przez ognisko soczewki po załamaniu przebiega równolegle do osi optycznej.

Położenie obrazu i jego charakter (rzeczywisty lub wyimaginowany) można również obliczyć, korzystając ze wzoru na cienką soczewkę. Jeśli odległość przedmiotu od soczewki oznaczymy przez d, a odległość soczewki od obrazu przez f, to wzór na cienką soczewkę można zapisać jako:

Nazywa się wartość D, odwrotność ogniskowej moc optyczna obiektywu.

Jednostką miary mocy optycznej jest dioptrii (doptrii). Dioptria – moc optyczna soczewki o ogniskowej 1 m: 1 dioptria = m –1

Zwyczajowo przypisuje się ogniskowym soczewek pewne znaki: dla soczewki skupiającej F > 0, dla soczewki rozpraszającej F< 0 .

Wielkości d i f również podlegają pewnej zasadzie znaku:
d > 0 i f > 0 – dla obiektów rzeczywistych (czyli rzeczywistych źródeł światła, a nie przedłużeń promieni zbiegających się za soczewką) i obrazów;
D< 0 и f < 0 – для мнимых источников и изображений.

Cienkie soczewki mają wiele wad, które nie pozwalają na uzyskanie obrazów wysokiej jakości. Zniekształcenia powstające podczas tworzenia obrazu nazywane są zniekształceniami aberracje. Najważniejsze z nich to aberracja sferyczna i chromatyczna.

Aberracja sferyczna objawia się tym, że w przypadku szerokich wiązek światła promienie oddalone od osi optycznej przecinają ją nieogniskowo. Wzór na cienką soczewkę obowiązuje tylko dla promieni bliskich osi optycznej. Obraz odległego źródła punktowego, utworzony przez szeroką wiązkę promieni załamanych przez soczewkę, okazuje się zamazany.

Aberracja chromatyczna Dzieje się tak dlatego, że współczynnik załamania światła materiału soczewki zależy od długości fali światła λ. Ta właściwość przezroczystych mediów nazywa się dyspersją. Ogniskowa obiektywu okazuje się być inna dla światła różne długości fale, co prowadzi do rozmycia obrazu przy użyciu światła niemonochromatycznego.

Nowoczesne urządzenia optyczne nie wykorzystują cienkich soczewek, ale złożone układy wielosoczewkowe, w których można w przybliżeniu wyeliminować różne aberracje.

Tworzenie rzeczywistego obrazu obiektu za pomocą soczewki skupiającej stosowane jest w wielu instrumentach optycznych, takich jak kamera, projektor itp.

Jeśli chcesz stworzyć wysokiej jakości urządzenie optyczne, powinieneś zoptymalizować zestaw jego głównych cech - współczynnik apertury, rozdzielczość i powiększenie. Nie da się na przykład zrobić dobrego teleskopu, osiągając jedynie duże pozorne powiększenie i pozostawiając mały współczynnik apertury (aperturę). Będzie miał słabą rozdzielczość, ponieważ zależy bezpośrednio od przysłony. Konstrukcje urządzeń optycznych są bardzo różnorodne, a ich cechy są podyktowane przeznaczeniem konkretnych urządzeń. Jednak wdrażając zaprojektowany układ optyczny do gotowego urządzenia optyczno-mechanicznego, należy rozmieścić wszystkie elementy optyczne ściśle według przyjętego schematu, solidnie je zamocować, zadbać o precyzyjną regulację położenia części ruchomych i rozmieścić przesłony tak, aby wyeliminować niepożądane promieniowanie rozproszone tła. Często konieczne jest utrzymanie określonych wartości temperatury i wilgotności wewnątrz urządzenia, zminimalizowanie wibracji, normalizacja rozkładu masy oraz zapewnienie odprowadzania ciepła z lamp i innego pomocniczego sprzętu elektrycznego. Wartość jest podana wygląd urządzenie i łatwość obsługi.

Mikroskop, szkło powiększające, szkło powiększające.

Jeśli przyjrzymy się obiektowi znajdującemu się za soczewką nie dalej niż jej ognisko przez soczewkę dodatnią (zbieżną), zobaczymy powiększony wirtualny obraz temat. Taka soczewka jest prostym mikroskopem i nazywa się szkłem powiększającym lub szkłem powiększającym.

Rozmiar powiększonego obrazu można określić na podstawie konstrukcji optycznej.

Gdy oko nastrojone jest na równoległą wiązkę światła (obraz obiektu znajduje się w nieskończenie dużej odległości, co oznacza, że ​​obiekt znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki), pozorne powiększenie M można wyznaczyć z zależności : M = tgb /tga = (H/f)/( H/v) = v/f, gdzie f to ogniskowa soczewki, v to odległość najlepszego widzenia, tj. najkrótsza odległość, z której oko widzi dobrze przy normalnej akomodacji. M zwiększa się o jeden, gdy oko jest ustawione tak, że wirtualny obraz obiektu znajduje się w odległości najlepszego widzenia. Możliwości mieszkaniowe są różne dla wszystkich ludzi i pogarszają się wraz z wiekiem; Za odległość, przy której normalne oko widzi najlepiej, uważa się 25 cm. W polu widzenia pojedynczego obiektywu pozytywowego w miarę oddalania się od jego osi ostrość obrazu szybko pogarsza się ze względu na aberracje poprzeczne. Chociaż istnieją lupy o powiększeniu 20x, ich typowe powiększenie wynosi od 5 do 10. Powiększenie mikroskopu złożonego, zwanego po prostu mikroskopem, sięga nawet 2000x.

Teleskop.

Teleskop zwiększa pozorny rozmiar odległych obiektów. Najprostszy obwód teleskopu składa się z dwóch soczewek dodatnich.

Promienie z odległego obiektu, równoległe do osi teleskopu (promienie a i c na schemacie), zbierane są w tylnym ognisku pierwszej soczewki (obiektywu). Druga soczewka (okular) jest usuwana z płaszczyzny ogniskowej soczewki na jej ogniskowej, a promienie a i c wychodzą z niej ponownie równolegle do osi układu. Część promienia b, wychodząc z innych punktów niż te na obiekcie, z którego wyszły promienie a i c, pada pod kątem a do osi teleskopu, przechodzi przez przednie ognisko soczewki i po przejściu równoległym do osi teleskopu system. Okular kieruje go na tylne ogniskowanie pod kątem b. Ponieważ odległość od przedniego ogniska obiektywu do oka obserwatora jest znikoma w porównaniu z odległością do obiektu, z wykresu możemy uzyskać wzór na powiększenie pozorne M teleskopu: M = -tgb /tga = -F /f" (lub F/f). Znak minus wskazuje, że obraz jest odwrócony. W teleskopach astronomicznych tak pozostaje; w teleskopach do obserwacji obiektów ziemskich system odwracający służy do oglądania normalnych, a nie odwróconych obrazów. układ odwracający może zawierać dodatkowe soczewki lub, jak w lornetkach, pryzmaty.

Lornetka.

Teleskop lornetkowy, powszechnie nazywany lornetką, to kompaktowy instrument umożliwiający obserwacje obydwoma oczami jednocześnie. jego wzrost wynosi zwykle od 6 do 10 razy. W lornetkach zastosowano parę układów wraparound (najczęściej Porro), z których każdy zawiera dwa prostokątne pryzmaty (z podstawą pod kątem 45°), zorientowane względem siebie prostokątnymi krawędziami.

Aby uzyskać duże powiększenie w szerokim polu widzenia pozbawionym aberracji obiektywu, a co za tym idzie znaczny kąt widzenia (6-9°), lornetka potrzebuje bardzo wysokiej jakości okularu, bardziej zaawansowanego niż teleskop o wąskim kącie widzenia. Okular lornetki umożliwia ogniskowanie obrazu, a przy korekcji wzroku - jego skalę oznaczono w dioptriach. Dodatkowo w lornetce położenie okularu jest dostosowane do odległości pomiędzy oczami obserwatora. Zazwyczaj lornetki są oznaczone zgodnie z ich powiększeniem (w wielokrotnościach) i średnicą soczewki (w milimetrach), na przykład 8*40 lub 7*50.

Celownik optyczny.

Jako celownik optyczny można zastosować dowolny teleskop do obserwacji naziemnych, jeśli w dowolnej płaszczyźnie jego przestrzeni obrazowej zastosuje się wyraźne oznaczenia (siatki, znaczniki) odpowiadające danemu przeznaczeniu. Typowa konstrukcja wielu wojskowych instalacji optycznych polega na tym, że soczewka teleskopu otwarcie patrzy na cel, a okular znajduje się w osłonie. Schemat ten wymaga zagięcia osi optycznej celownika i użycia pryzmatów do jej przesunięcia; te same pryzmaty przekształcają obraz odwrócony w bezpośredni. Układy z przesunięciem osi optycznej nazywane są peryskopowymi. Zwykle celownik optyczny projektuje się tak, aby źrenica jego wyjścia znajdowała się w wystarczającej odległości od ostatniej powierzchni okularu, aby chronić oko strzelca przed uderzeniem w krawędź lunety podczas odrzutu broni.

Dalmierz.

Dalmierze optyczne, które mierzą odległości do obiektów, występują w dwóch wersjach: jednoocznej i stereoskopowej. Choć różnią się szczegółami konstrukcyjnymi, główna część konstrukcji optycznej jest taka sama i zasada działania jest taka sama: wykorzystując znany bok (podstawę) i dwa znane kąty trójkąta, wyznacza się jego nieznany bok. Dwa równolegle zorientowane teleskopy, oddalone od siebie o odległość b (podstawa), tworzą obrazy tego samego odległego obiektu w taki sposób, że wydaje się, że jest on przez nie obserwowany różne kierunki(wielkość celu może również służyć jako podstawa). Jeśli za pomocą odpowiedniego urządzenia optycznego pola obrazowe obu teleskopów połączy się tak, aby można było je oglądać jednocześnie, okaże się, że odpowiadające im obrazy obiektu są przestrzennie oddzielone. Istnieją dalmierze nie tylko z pełnym nałożeniem pola, ale także z połową nakładania się pola: górna połowa przestrzeni obrazowej jednego teleskopu jest połączona z dolną połową przestrzeni obrazowej drugiego. W tego typu urządzeniach za pomocą odpowiedniego elementu optycznego następuje łączenie odseparowanych przestrzennie obrazów i wyznaczanie wartości mierzonej na podstawie względnego przesunięcia obrazów. Często elementem ścinającym jest pryzmat lub kombinacja pryzmatów.

Dalmierz jednookularowy. A- prostopadłościan; B - pryzmaty pentagonalne; C - obiektywy; D - okular; E - oko; P1 i P2 to pryzmaty stałe; P3 - ruchomy pryzmat; I 1 i I 2 - obrazy połówek pola widzenia

W pokazanym na rysunku obwodzie dalmierza jednoocznego funkcję tę pełni pryzmat P3; jest powiązany ze skalą wyskalowaną w mierzonych odległościach od obiektu. Pryzmaty pentagonalne B pełnią rolę odbłyśników światła pod kątem prostym, gdyż pryzmaty tego typu zawsze odchylają padającą wiązkę światła o 90°, niezależnie od dokładności ich montażu w płaszczyźnie poziomej urządzenia. W dalmierzu stereoskopowym obserwator widzi obrazy utworzone przez dwa teleskopy obydwoma oczami jednocześnie. Podstawa takiego dalmierza pozwala obserwatorowi dostrzec położenie obiektu w sposób trójwymiarowy, na określonej głębokości w przestrzeni. Każdy teleskop posiada siatkę celowniczą ze znacznikami odpowiadającymi wartościom zasięgu. Obserwator widzi skalę odległości wnikającą w głąb przedstawianej przestrzeni i na jej podstawie określa odległość do obiektu.

Urządzenia oświetleniowe i projekcyjne. Reflektory.

W konstrukcji optycznej reflektora źródło światła, na przykład krater wyładowania łuku elektrycznego, znajduje się w ognisku reflektora parabolicznego. Promienie wychodzące ze wszystkich punktów łuku są odbijane przez zwierciadło paraboliczne, prawie równoległe do siebie. Wiązka promieni nieznacznie się odchyla, ponieważ źródło nie jest punkt świetlny, a objętość ma skończoną wielkość.

Diaskop.

Konstrukcja optyczna tego urządzenia, przeznaczonego do oglądania folii i przezroczystych kolorowych ramek, obejmuje dwa systemy soczewek: kondensor i soczewkę projekcyjną. Kondensator równomiernie oświetla przezroczysty oryginał, kierując promienie w stronę soczewki projekcyjnej, która buduje obraz oryginału na ekranie. Soczewka projekcyjna zapewnia ostrość i wymianę soczewek, co pozwala na zmianę odległości od ekranu i wielkości obrazu na nim. Konstrukcja optyczna projektora filmowego jest taka sama.

SCHEMAT DIASKOPU. Zjeżdżalnia; B - kondensor soczewkowy; C - obiektywy projekcyjne; D - ekran; S - źródło światła

Urządzenia spektralne.

Głównym elementem urządzenia spektralnego może być pryzmat dyspersyjny lub siatka dyfrakcyjna. W takim urządzeniu światło jest najpierw kolimowane, tj. jest formowany w wiązkę równoległych promieni, następnie rozkładany na widmo, a na koniec obraz szczeliny wejściowej urządzenia jest skupiany na jego szczelinie wyjściowej przy każdej długości fali widma.

Spektrometr.

W tym mniej lub bardziej uniwersalnym urządzeniu laboratoryjnym układy kolimujący i ogniskujący można obracać względem środka stolika, na którym znajduje się element rozkładający światło na widmo. Urządzenie posiada skale do odczytu kątów obrotu np. pryzmatu dyspersyjnego oraz kątów odchylenia po nim różnych składowych barw widma. Na podstawie wyników takich odczytów mierzone są na przykład współczynniki załamania światła przezroczystych ciał stałych.

Spektrograf.

To nazwa urządzenia, w którym powstałe widmo lub jego część zapisuje się na materiale fotograficznym. Widmo można uzyskać z pryzmatu wykonanego z kwarcu (zakres 210-800 nm), szkła (360-2500 nm) lub sól kamienna(2500-16000 nm). W tych zakresach widmowych, w których pryzmaty słabo absorbują światło, obrazy linii widmowych na spektrografie są jasne. W spektrografach z siatkami dyfrakcyjnymi spełniają one dwie funkcje: rozkładają promieniowanie na widmo i skupiają składowe barwy na materiale fotograficznym; Takie urządzenia są również stosowane w obszarze ultrafioletu.

Kamera Jest to zamknięta, światłoszczelna komora. Obraz fotografowanych obiektów tworzony jest na kliszy fotograficznej za pomocą układu soczewek zwanego soczewką. Specjalna przesłona umożliwia otwarcie obiektywu na czas ekspozycji.

Cechą szczególną aparatu jest to, że płaska klisza powinna dawać dość ostre obrazy obiektów znajdujących się w różnych odległościach.

W płaszczyźnie filmu ostre są jedynie obrazy obiektów znajdujących się w określonej odległości. Ostrość uzyskuje się poprzez przesuwanie obiektywu względem kliszy. Obrazy punktów, które nie leżą na ostrej płaszczyźnie wskazującej, wydają się rozmyte w postaci rozproszonych okręgów. Wielkość d tych okręgów można zmniejszyć przymykając obiektyw, tj. zmniejszanie względnego otwarcia a/F. Dzięki temu zwiększa się głębia ostrości.

Obiektyw współczesnego aparatu składa się z kilku połączonych ze sobą soczewek systemy optyczne(na przykład konstrukcja optyczna Tessar). Liczba obiektywów w obiektywach najprostszych aparatów wynosi od jednego do trzech, a w nowoczesnych, drogich aparatach jest ich nawet dziesięć, a nawet osiemnaście.

Konstrukcja optyczna Tessara

W obiektywie może znajdować się od dwóch do pięciu układów optycznych. Niemal wszystkie obwody optyczne są zaprojektowane i działają w ten sam sposób – skupiają promienie świetlne przechodzące przez soczewki na światłoczułej matrycy.

Jakość obrazu na zdjęciu zależy tylko i wyłącznie od obiektywu, czy zdjęcie będzie ostre, czy kształty i linie na zdjęciu zostaną zniekształcone, czy dobrze oddaje kolory – wszystko zależy od właściwości obiektywu, dlatego obiektyw jest jednym z najważniejszych elementów współczesnego aparatu.

Soczewki obiektywowe wykonane są ze specjalnych rodzajów szkła optycznego lub tworzywa sztucznego. Tworzenie obiektywów jest jedną z najdroższych części tworzenia aparatu. Porównując soczewki szklane i plastikowe, warto zauważyć, że soczewki plastikowe są tańsze i lżejsze. Obecnie większość obiektywów niedrogich amatorskich aparatów kompaktowych jest wykonana z tworzywa sztucznego. Ale takie obiektywy są podatne na zarysowania i nie są tak trwałe, po około dwóch, trzech latach stają się mętne, a jakość zdjęć pozostawia wiele do życzenia. Optykę droższych aparatów wykonano ze szkła optycznego.

Obecnie większość obiektywów do aparatów kompaktowych jest wykonana z tworzywa sztucznego.

Soczewki obiektywów są klejone lub łączone ze sobą za pomocą bardzo precyzyjnie obliczonych metalowych oprawek. Soczewki klejone można spotkać znacznie częściej niż oprawki metalowe.

Aparat projekcyjny przeznaczony do uzyskiwania obrazów o dużej skali. Soczewka projektora O skupia obraz płaskiego obiektu (slajd D) na odległym ekranie E. Układ soczewek K, zwany kondensorem, ma za zadanie skupiać światło źródła S na slajdzie. Na ekranie E tworzony jest naprawdę powiększony, odwrócony obraz. Powiększenie aparatu projekcyjnego można zmieniać poprzez przybliżanie lub oddalanie ekranu E przy jednoczesnej zmianie odległości suwaka D od soczewki O.

Wyszukiwanie pełnotekstowe:

Gdzie patrzeć:

wszędzie
tylko w tytule
tylko w tekście

Wycofać:

opis
słowa w tekście
tylko nagłówek

Strona główna > Abstrakt >Fizyka

Rodzaje soczewek

Odbicie Irefrakcja Światła służą do zmiany kierunku promieni lub, jak mówią, do kontrolowania wiązek światła. To jest podstawa do stworzenia specjalnegoprzyrządy optyczne , takie jak szkło powiększające, teleskop, mikroskop, aparat fotograficzny i inne. Główną częścią większości z nich jestobiektyw . Na przykład,okulary - Są to soczewki zamknięte w oprawce. Już ten przykład pokazuje, jak ważne dla człowieka jest używanie soczewek.

Przykładowo na pierwszym zdjęciu kolba wygląda tak jak ją widzimy na żywo,

i po drugie, jeśli spojrzymy na to przez szkło powiększające (ta sama soczewka).

Najczęściej stosowany w optyce soczewki sferyczne. Takie soczewki to korpusy wykonane ze szkła optycznego lub organicznego, ograniczone dwiema powierzchniami kulistymi.

Soczewki to przezroczyste bryły ograniczone z obu stron zakrzywionymi powierzchniami (wypukłymi lub wklęsłymi). ProstyAB,przechodzący przez środki C1 i C2 powierzchni sferycznych ograniczających soczewkę nazywany jest osią optyczną.

Ten rysunek przedstawia przekroje dwóch soczewek ze środkami w punkcie O. Pierwsza soczewka pokazana na rysunku nazywa się wypukły, drugi - wklęsły. Nazywa się punkt O leżący na osi optycznej w środku tych soczewek środek optyczny soczewki.

Jedna z dwóch powierzchni ograniczających może być płaska.

Z

lewe soczewki są wypukłe,

po prawej - wklęsły.

Rozważymy tylko soczewki sferyczne, to znaczy soczewki ograniczone dwiema powierzchniami kulistymi.
Soczewki ograniczone dwiema wypukłymi powierzchniami nazywane są dwuwypukłymi; soczewki ograniczone dwiema wklęsłymi powierzchniami nazywane są dwuwklęsłymi.

Kierując wiązkę promieni równolegle do głównej osi optycznej soczewki na soczewkę wypukłą, zobaczymy, że po załamaniu w soczewce promienie te gromadzą się w punkcie zwanym główny cel soczewki

- punkt F. Soczewka ma dwa główne ogniska, po obu stronach w tej samej odległości od środka optycznego. Jeśli źródło światła jest skupione, to po załamaniu w soczewce promienie będą równoległe do głównej osi optycznej. Każda soczewka ma dwa ogniska – po jednym z każdej strony soczewki. Odległość od soczewki do jej ogniska nazywana jest ogniskową soczewki.
Skierujmy wiązkę promieni rozbieżnych ze źródła punktowego leżącego na osi optycznej do soczewki wypukłej. Jeżeli odległość źródła od soczewki jest większa niż odległość ogniskowa, wówczas promienie po załamaniu w soczewce przetną się oś optyczna soczewki w jednym punkcie. W rezultacie soczewka wypukła zbiera promienie pochodzące ze źródeł znajdujących się w odległości większej niż jej ogniskowa. Dlatego soczewka wypukła nazywana jest inaczej soczewką skupiającą.
Kiedy promienie przechodzą przez soczewkę wklęsłą, obserwujemy inny obraz.
Wyślijmy wiązkę promieni równoległą do osi optycznej na soczewkę dwuwklęsłą. Zauważymy, że promienie będą wychodzić z soczewki jako wiązka rozbieżna. Jeśli ta rozbieżna wiązka promieni trafi w oko, wówczas obserwatorowi będzie się wydawać, że promienie wychodzą z punktuF.Punkt ten nazywany jest urojonym ogniskiem soczewki dwuwklęsłej. Soczewkę taką można nazwać rozbieżną.

Rycina 63 wyjaśnia działanie soczewek skupiających i rozbieżnych. Soczewki można przedstawić w postaci dużej liczby pryzmatów. Ponieważ pryzmaty odchylają promienie, jak pokazano na rysunkach, jasne jest, że soczewki z pogrubieniem w środku zbierają promienie, a soczewki z pogrubieniem na krawędziach je rozpraszają. Środek soczewki działa jak płytka płasko-równoległa: nie załamuje promieni ani w soczewce zbierającej, ani w soczewce rozpraszającej

Na rysunkach soczewki skupiające oznaczono jak pokazano na rysunku po lewej stronie, a soczewki rozbieżne - na rysunku po prawej stronie.

Wśród soczewki wypukłe wyróżnia się: dwuwypukły, płasko-wypukły i wklęsło-wypukły (odpowiednio na rysunku). Wszystkie soczewki wypukłe mają szersze cięcie środkowe niż krawędzie. Te soczewki to tzw zbieranie.

Z Wśród soczewek wklęsłych wyróżnia się soczewki dwuwklęsłe, płasko-wklęsłe i wypukło-wklęsłe (odpowiednio na rysunku). Wszystkie soczewki wklęsłe mają węższą część środkową niż krawędzie. Te soczewki to tzw rozpraszanie.

Światło to promieniowanie elektromagnetyczne odbierane przez oko poprzez wrażenia wzrokowe.

Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła: światło rozchodzi się prostoliniowo w ośrodku jednorodnym

Źródło światła, którego wymiary są małe w porównaniu do odległości od ekranu, nazywa się punktowym źródłem światła.

Wiązka padająca i wiązka odbita leżą w tej samej płaszczyźnie, a prostopadła zostaje przywrócona do powierzchni odbijającej w punkcie padania. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Jeśli zamienimy obiekt punktowy i jego odbicie, ścieżka promieni nie ulegnie zmianie, zmieni się jedynie ich kierunek.

Nazywa się to ziewającą powierzchnią odblaskową płaskie lustro, jeżeli padająca na niego wiązka równoległych promieni pozostaje równoległa po odbiciu.

Soczewkę, której grubość jest znacznie mniejsza niż promień krzywizny jej powierzchni, nazywa się soczewką cienką.

Soczewka, która przekształca wiązkę promieni równoległych w zbieżną i gromadzi ją w jednym punkcie, nazywa się soczewką skupiającą.

Soczewka zamieniająca wiązkę promieni równoległych na rozbieżną - rozbieżną.

Do soczewki kolekcjonerskiej

Dla soczewki rozpraszającej:

We wszystkich pozycjach obiektu soczewka daje zmniejszony, wyimaginowany, bezpośredni obraz, leżącego po tej samej stronie soczewki co przedmiot.

Właściwości oka:

akomodacja (osiągana poprzez zmianę kształtu soczewek);

adaptacja (dostosowanie do różnych warunków oświetleniowych);

ostrość wzroku (umiejętność oddzielnego rozróżnienia dwóch bliskich punktów);

pole widzenia (przestrzeń obserwowana, gdy oczy się poruszają, ale głowa pozostaje nieruchoma)

Wady wzroku

krótkowzroczność (korekta - soczewka rozbieżna);

dalekowzroczność (korekta - soczewka skupiająca).

Cienka soczewka reprezentuje najprostszy układ optyczny. Proste cienkie soczewki stosowane są głównie w postaci okularów do okularów. Ponadto dobrze znane jest wykorzystanie soczewki jako szkła powiększającego.

Działanie wielu instrumentów optycznych - lampy projekcyjnej, aparatu i innych urządzeń - można schematycznie porównać do działania cienkich soczewek. Daje jednak cienki obiektyw dobre zdjęcie jedynie w stosunkowo rzadkim przypadku, gdy można ograniczyć się do wąskiej jednobarwnej wiązki wychodzącej ze źródła wzdłuż głównej osi optycznej lub pod wysoki kąt Do niej. W większości praktycznych problemów, gdzie te warunki nie są spełnione, obraz wytwarzany przez cienki obiektyw jest raczej niedoskonały.
Dlatego w większości przypadków uciekają się do konstruowania bardziej złożonych układów optycznych, które mają dużą liczbę powierzchni refrakcyjnych i nie są ograniczone wymogiem bliskości tych powierzchni (wymóg, który spełnia cienka soczewka). [ 4 ]

4.2 Aparatura fotograficzna. Optycznyurządzenia.

Wszystkie przyrządy optyczne można podzielić na dwie grupy:

1) urządzenia, za pomocą których uzyskuje się obrazy optyczne na ekranie. Obejmują oneurządzenia projekcyjne , kamery , kamery filmowe itp.

2) urządzenia, które działają wyłącznie w połączeniu z ludzkim okiem i nie tworzą obrazów na ekranie. Obejmują oneszkło powiększające , mikroskop i różne urządzenia systemoweteleskopy . Takie urządzenia nazywane są wizualnymi.

Kamera.

Z Nowoczesne aparaty mają złożoną i zróżnicowaną konstrukcję, ale przyjrzyjmy się, z jakich podstawowych elementów składa się aparat i jak działają.

Główną częścią każdego aparatu jest obiektyw - obiektyw lub układ soczewek umieszczony z przodu światłoszczelnego korpusu aparatu (rys. po lewej). Obiektyw można płynnie przesuwać względem kliszy, aby uzyskać wyraźny obraz obiektów znajdujących się blisko lub daleko od aparatu.

Podczas fotografowania obiektyw jest lekko otwierany za pomocą specjalnej migawki, która pozwala światłu przedostać się do kliszy dopiero w momencie fotografowania. Membrana reguluje strumień światła padający na folię. Kamera wytwarza zmniejszony, odwrócony, rzeczywisty obraz, który jest rejestrowany na kliszy. Pod wpływem światła zmienia się skład błony i zostaje na niej odciśnięty obraz. Pozostaje niewidoczny do momentu zanurzenia folii w specjalnym roztworze – wywoływaczu. Pod wpływem wywoływacza te fragmenty filmu, na które padało światło, ciemnieją. Im więcej światła wystawiony jest obszar filmu, tym ciemniejszy będzie po wywołaniu. Powstały obraz nazywa się negatywny(z łac. Negativus - negatywny), na nim jasne części obiektu wydają się ciemne, a ciemne części wydają się jasne.

Aby zapobiec zmianie tego obrazu pod wpływem światła, wywołaną kliszę zanurza się w innym roztworze – utrwalaczu. Warstwa światłoczuła tych obszarów folii, na które światło nie miało wpływu, rozpuszcza się w niej i zmywa. Następnie folię myje się i suszy.

Dostają od negatywu pozytywny(od łac. pozitivus – pozytyw), czyli obraz, na którym ciemne miejsca rozmieszczone są w taki sam sposób, jak na fotografowanym przedmiocie. W tym celu negatyw nanosi się na papier również pokryty warstwą światłoczułą (do papieru fotograficznego) i naświetla. Następnie papier fotograficzny zanurza się w wywoływaczu, następnie w utrwalaczu, myje i suszy.

Po wywołaniu kliszy przy drukowaniu fotografii stosuje się powiększalnik fotograficzny, który powiększa obraz negatywu na papierze fotograficznym.

Lupa.

Aby lepiej widzieć małe obiekty, musisz użyć szkło powiększające

Szkło powiększające to soczewka dwuwypukła o małej ogniskowej (od 10 do 1 cm). Szkło powiększające to najprostsze urządzenie, które pozwala zwiększyć kąt widzenia.

N Twoje oko widzi tylko te obiekty, których obrazy są uchwycone na siatkówce. Im większy obraz obiektu, z jakiego większego kąta widzenia na niego patrzymy, tym wyraźniej go rozróżniamy. Wiele obiektów jest małych i widocznych z odległości najlepszego widzenia, pod kątem widzenia bliskim maksymalnemu. Szkło powiększające zwiększa kąt widzenia, a także obraz obiektu na siatkówce oka, dzięki czemu pozorne wymiary obiektu

zwiększyć w stosunku do rzeczywistej wielkości.

PrzedmiotABumieszczony w odległości nieco mniejszej niż ogniskowa od szkła powiększającego (ryc. po prawej). W tym przypadku szkło powiększające daje bezpośredni, powiększony obraz mentalnyA1B1.Szkło powiększające zwykle umieszcza się tak, aby obraz obiektu znajdował się w najlepszej odległości od oka.

Mikroskop.

Aby uzyskać duże powiększenia kątowe (od 20 do 2000) i stosuje się mikroskopy optyczne. Powiększony obraz małych obiektów w mikroskopie uzyskuje się za pomocą układu optycznego, który składa się z soczewki i okularu.

Najprostszy mikroskop to układ składający się z dwóch soczewek: obiektywu i okularu. PrzedmiotABumieszczony przed obiektywem będącym obiektywem, w pewnej odległościF 1< d < 2F 1 i ogląda się go przez okular, który służy jako szkło powiększające. Powiększenie G mikroskopu jest równe iloczynowi powiększenia soczewki obiektywu G1 i powiększenia okularu G2:

Zasada działania mikroskopu sprowadza się do sekwencyjnego zwiększania kąta widzenia, najpierw soczewką, a następnie okularem.

Aparat projekcyjny.

P urządzenia projekcyjne służą do uzyskiwania powiększonych obrazów. Do uzyskiwania nieruchomych obrazów służą rzutniki, a za pomocą projektorów filmowych uzyskiwane są szybko zastępujące się klatki. słowa i są postrzegane przez ludzkie oko jako ruchome obrazy. W aparacie projekcyjnym fotografię na przezroczystej folii umieszcza się w pewnej odległości od obiektywuD,co spełnia warunek:F< d < 2F . Do oświetlenia kliszy stosuje się lampę elektryczną 1. Aby skoncentrować strumień świetlny, stosuje się kondensator 2, który składa się z układu soczewek, które zbierają promienie rozbieżne ze źródła światła na klatce filmu 3. Za pomocą soczewki 4, na ekranie uzyskuje się powiększony, bezpośredni, rzeczywisty obraz 5

Teleskop.

D Do oglądania odległych obiektów używa się lunet lub teleskopów. Zadaniem teleskopu jest zebranie jak największej ilości światła z badanego obiektu i zwiększenie jego pozornych wymiarów kątowych.

Główną częścią optyczną teleskopu jest soczewka, która zbiera światło i tworzy obraz źródła.

mi Istnieją dwa główne typy teleskopów: refraktory (soczewkowe) i reflektory (lustrzane).

Najprostszy teleskop - refraktor, podobnie jak mikroskop, ma soczewkę i okular, ale w przeciwieństwie do mikroskopu soczewka teleskopu ma długą ogniskową, a okular krótką. Ponieważ ciała kosmiczne znajdują się w bardzo dużych odległościach od nas, promienie z nich docierają w równoległej wiązce i są zbierane przez soczewkę w płaszczyźnie ogniskowej, gdzie uzyskuje się odwrócony, zmniejszony, rzeczywisty obraz. Aby obraz był prosty, użyj innego obiektywu. formularz

Osie obrotu soczewki. Po obróbce średnica soczewki sterowany za pomocą wspornika. Fasowanie soczewki. Fasowanie soczewki- to... zostało w końcu odcięte. Wszystko rodzaje fazowania strukturalne wykonywane są po wycentrowaniu soczewki. Fazowanie wykonujemy...

Najwyższa wartość w optometrii jest to przejście światła przez soczewki. Soczewka to korpus wykonany z przezroczystego materiału, ograniczony dwiema powierzchniami załamującymi, z których co najmniej jedna jest powierzchnią obrotową.

Rozważmy najprostszą soczewkę - cienką, ograniczoną jedną powierzchnią sferyczną i jedną płaską. Taka soczewka nazywa się sferyczną. Jest to odcinek odcięty od szklanej kuli. Linia AO łącząca środek kuli ze środkiem soczewki nazywana jest jej osią optyczną. W przekroju taką soczewkę można sobie wyobrazić jako piramidę zbudowaną z małych pryzmatów o rosnącym kącie na wierzchołku.

Promienie wpadające do soczewki i równoległe do jej osi ulegają załamaniu, tym większe, im dalej znajdują się od osi. Można wykazać, że wszystkie one przetną oś optyczną w jednym punkcie (F"). Punkt ten nazywany jest ogniskiem soczewki (a dokładniej tylnym ogniskowaniem). Soczewka o wklęsłej powierzchni załamującej ma ten sam punkt, ale jego ognisko znajduje się po tej samej stronie, z której wpadają promienie. Odległość od ogniska do środka soczewki nazywa się jej ogniskową (f"). Odwrotność ogniskowej charakteryzuje moc refrakcyjną, czyli załamanie soczewki (D):

Gdzie D jest mocą refrakcyjną soczewki, dioptrie; f – ogniskowa, m;

Moc refrakcyjną soczewki mierzy się w dioptriach. Jest to podstawowa jednostka optometrii. Moc refrakcyjną soczewki o ogniskowej 1 m przyjmuje się jako 1 dioptrię (D, dioptrii), dlatego soczewka o ogniskowej 0,5 m ma moc refrakcyjną 2,0 dioptrii, 2 m - 0,5 dioptrii itp. Moc refrakcyjna soczewek wypukłych ma wartość dodatnią, soczewki wklęsłe mają wartość ujemną.

Nie tylko promienie równoległe do osi optycznej przechodzące przez soczewkę sferyczną wypukłą zbiegają się w jednym punkcie. Promienie wychodzące z dowolnego punktu na lewo od soczewki (nie bliżej niż ognisko) zbiegają się do innego punktu na prawo od niej. Dzięki temu soczewka sferyczna ma zdolność tworzenia obrazów obiektów.

Podobnie jak soczewki płasko-wypukłe i płasko-wklęsłe, działają soczewki ograniczone dwiema powierzchniami kulistymi - dwuwypukłą, dwuwklęsłą i wypukło-wklęsłą. Stosowane są głównie w optyce okularowej soczewki wypukło-wklęsłe lub łąkotki. Ogólny efekt soczewki zależy od tego, która powierzchnia ma większą krzywiznę.

Działanie soczewek sferycznych nazywa się stygmatycznymi (z greckiego - punkt), ponieważ tworzą one obraz punktu w przestrzeni w postaci punktu.

Następujące typy soczewek są cylindryczne i toryczne. Soczewka wypukła cylindryczna ma właściwość zbierania padającej na nią wiązki równoległych promieni w linię równoległą do osi cylindra. Linia prosta F1F2, analogicznie do ogniska soczewki sferycznej, nazywana jest linią ogniskową.

Powierzchnia cylindryczna, przecięta płaszczyznami przechodzącymi przez oś optyczną, tworzy w przekrojach okrąg, elipsy i linię prostą. Dwie takie sekcje nazywane są głównymi: jedna przechodzi przez oś cylindra, druga jest do niej prostopadła. W pierwszym odcinku tworzy się linia prosta, w drugim - okrąg. Odpowiednio, w soczewce cylindrycznej istnieją dwie główne sekcje, czyli południki, - oś i sekcja aktywna. Promienie normalne padające na oś soczewki nie ulegają załamaniu, lecz padające na część czynną zbierają się w linii ogniskowej, w miejscu jej przecięcia z osią optyczną.

Bardziej złożona jest soczewka o powierzchni torycznej, która jest utworzona przez obrót koła lub łuku o promieniu r wokół osi. Promień obrotu R nie jest równy promieniowi r.

Yu.Z. Rosenbluma