Введение в специальность

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

 

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

 

 

Кафедра «Приборы управления»

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине

  «Введение в специальность»  

Лекция 1

План.

История оптики

Направление Оптотехника.

 

 

1. Направление «Оптотехника»

 

История развития оптики.

Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория… В те же годы были открыты следующие факты: – прямолинейность распространения света;

Область профессиональной деятельности

В число организаций и учреждений, в которых может осуществлять профессиональную деятельность выпускник по данному направлению подготовки и профилю… Понятие направление описывает общую профессионально-образовательную область, в… Направление «Оптотехника» - область науки и техники, направленная на исследование и создание и применение оптических…

Лекция 2

План

Основные курсы лекций краткая характеристика. Организация обучения.

  Основные читаемые курсы лекций.   Механика Материаловедение и технология конструкционных материалов Лазерная…

План

Анатомия глаза. Глаз как оптическая система. Строение глаза. Упрощенная оптическая схема глаза. Аккомодация. Глаз как приемник изображения. Спектральная чувствительность. Адаптация.

 

Анатомия глаза и зрение

Глаз - это оптический прибор, созданный самой природой. Человеческий глаз интересует нас с двух точек зрения: как оптическая система и как приемник изображения, с которым работают многие оптические приборы.

Глаз как оптическая система

Строение глаза

  Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью… Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через…

Упрощенная оптическая схема глаза

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза -сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело (рис. 2.2). Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

 

Преломление света в глазе происходит главным образом на его внешней поверхности - роговой оболочке, или роговице, а также на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм.

Оптическая система глаза чрезвычайно сложна, поэтому при расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному глазу «схематическими глазами». В таблице 2.1 приведены данные для аккомодированного и не аккомодированного глаза.

 

Таблица 2.1. Данные «схематического глаза»

 

№ пов-ти	В состоянии покоя	В состоянии наибольшей аккомодации
радиус кривизны	осевое расстояние	показатель преломления	радиус кривизны	осевое расстояние	показатель преломления
	7,7	0,5	1,376	7,7	0,5	1,376
	6,8	3,1	1,336	6,8	2,7	1,336
	10,0	3,6	1,386	5,33	4,0	1,386
	-6,0		1,336	-5,33		1,336
Оптическая сила Ф = 58 дптр	Оптическая сила Ф = 70 дптр

Оптическая сила глаза вычисляется как обратное фокусное расстояние:

(2.1)

где - заднее фокусное расстояние глаза, выраженное в метрах.

Аккомодация

Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело… В свободном, ненапряженном состоянии нормального глаза на сетчатке получаются… Положение предмета, при котором создается резкое изображение на сетчатке для ненапряженного глаза, называют дальней…

Глаз как приемник изображения

Строение сетчатки

Палочки и колбочки различаются по своим функциям: палочки обладают большей чувствительностью, но не различают цветов и являются аппаратом… На сетчатке имеется особое место, лежащее не на оптической оси, а немного в… В желтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва. Вне пределов желтого пятна одно…

Спектральная чувствительность

Совместное действие излучения на сетчатку глаза воспринимается как белый свет; излучение, содержащее одну определенную длину волны… Воздействие потока излучения с длиной волны 555 нм условно принимают за…  

Адаптация

Различают темновую и световую адаптацию. Темновая адаптация происходит при переходе от больших яркостей к малым. Если… Так как колбочки совсем не чувствительны к очень слабым яркостям, то сначала глаз не будет ничего различать, и только…

Лекция 4

План

Характеристики глаза. Поле зрения глаза. Предел разрешения глаза. Диаметр зрачка глаза. Дефекты зрения и их коррекция. Близорукость. Дальнозоркость. Астигматизм.

Характеристики глаза

Поле зрения глаза

Вследствие этой особенности светочувствительного аппарата глазу для обозрения окружающего пространства приходится совершать непрерывное вращательное…

Предел разрешения глаза

Угловой предел разрешения глаза - это минимальный угол, при котором глаз наблюдает раздельно две светящиеся точки. Угловой предел разрешения глаза составляет около . Угловой предел…

Диаметр зрачка глаза

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.

Дефекты зрения и их коррекция

Глазу свойственны три основных недостатка: • миопия (близорукость), при которой лучи от бесконечно удаленного точечного… • гиперметропия (дальнозоркость), при которой истинный фокус лучей от бесконечно удаленного предмета лежит за…

Близорукость

  Чтобы скорректировать близорукость, нужно при помощи очков построить… Близорукость может быть врожденной, однако чаще всего она появляется в детском и подростковом возрасте, причем по мере…

Дальнозоркость

Скорректировать дальнозоркость можно при помощи положительных очков (рис. 2.8.б), которые строят изображение бесконечно удаленной точки за глазом. …   У новорожденного глаз немного сдавлен в горизонтальном направлении, поэтому у глаза есть небольшая дальнозоркость,…

Астигматизм

При астигматизме в одном глазу сочетаются эффекты близорукости, дальнозоркости и нормального зрения. Может, например, случиться, что для… Астигматизм чаще всего является врожденным, но может стать следствием операции… Исправление астигматизма возможно при помощи цилиндрических (собирательных или рассеивающих) линз. Астигматизм обычно…

План

Основные характеристики оптических систем. Оптическая система. Присоединительные характеристики. Характеристики предмета и изображения. Зрачковые характеристики. Спектральные характеристики.

Основные характеристики оптических систем

Для того, чтобы понять, как работают оптические приборы, необходимо выяснить, что происходит с излучением, когда оно проходит через оптическую систему, и знать основные характеристики оптических систем.

Оптическая система

  Современный оптический прибор состоит из нескольких блоков и элементов,… Предмет может быть самосветящимся, то есть являться источником излучения (солнце, звезды, лампа накаливания или…

Присоединительные характеристики

Для правильной работы оптической системы необходимо согласовать ее характеристики с предыдущим звеном (предметом) и последующим (изображением).

Характеристики предмета и изображения

Вся возможная совокупность точек образует пространство предметов. Оптическая система делит все пространство на пространство предметов и пространство… Описывать размеры и положение предмета и изображения одним способом во всех… Ближний тип - предмет или изображение расположены на конечном расстоянии. Считается, что от таких предметов исходят…

Зрачковые характеристики

Апертурная диафрагма - это диафрагма, которая ограничивает размер осевого пучка, то есть пучка, идущего из осевой точки предмета (рис. 3.2).   Изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в…

Спектральные характеристики

• , - нижняя и верхняя границы спектрального интервала; • - центральная (основная) длина волны. В оптической системе происходят потери света за счет его поглощения стеклом и отражения на поверхностях.

Лекция 6.

План

Передаточные характеристики. Масштабные передаточные характеристики. Энергетические передаточные характеристики. Структурные передаточные характеристики.

 

Передаточные характеристики

Воздействие оптической системы на исходящее от предмета излучение сводится прежде всего к преобразованию расходящегося пучка лучей, исходящего от… Таким образом, оптический прибор осуществляет передачу масштаба, энергии и…

Масштабные передаточные характеристики

Обобщенное увеличение - это отношение величины изображения к величине предмета: . (3.1) Обобщенное увеличение также связывает между собой входные и выходные апертуры:

Энергетические передаточные характеристики

Светосила характеризует способность прибора давать более или менее яркие изображения: (3.3) где - освещенность предмета, - освещенность изображения.

Структурные передаточные характеристики

  Функция рассеяния точки Функция рассеяния точки (ФРТ) описывает распределение интенсивности в изображении светящейся точки. Изображение…

Лекция 7.

План

Фотоаппараты. Характеристики объектива фотоаппарата. Фокусное расстояние фотообъектива. Поле зрения фотообъектива.

Относительное отверстие фотообъектива. Разрешающая способность фотообъектива. Глубина резкости фотообъектива.

Фотоаппараты

Фотоаппарат как оптический прибор можно разделить на несколько составных частей: объектив, видоискатель, система фокусировки, затвор (диафрагма),…

Характеристики объектива фотоаппарата

Объектив фотоаппарата формирует действительное обратное изображение предмета на поверхности приемника изображения. Объектив - самая важная часть фотоаппарата. Рассмотрим его основные характеристики.

Фокусное расстояние фотообъектива

Фокусное расстояние определяет увеличение объектива и поле зрения:

, (4.1)

где ω - поле зрения объектива, - размер изображения.

Чем меньше фокусное расстояние, тем больше поле зрения и тем меньше увеличение. Размер изображения фотоаппарата определяется диагональю кадра:

. У стандартной пленки размер кадра 35х24 мм, а диагональ кадра около 43 мм.

Поле зрения фотообъектива

Полем зрения объектива называется наибольший угол с вершиной в оптическом центре объектива, при котором все предметы, находящиеся в его пределах, будут изображены объективом в плоскости его кадрового окна (рис. 4.1). За пределами этого угла лежит изображение со значительно уменьшающимися резкостью и яркостью.

Угловое поле зрения определяется отношением диагонали кадра к фокусному расстоянию объектива:

 

где - диагональ кадра.

 

Относительное отверстие фотообъектива

диаметра апертурной диафрагмы к заднему фокусному расстоянию объектива: (4.3) Поскольку величина, рассчитанная в результате деления на почти

Разрешающая способность фотообъектива

Разрешающая способность фотообъектива - это способность объектива передавать мелкие детали в фотоизображении.

Разрешающая способность фотообъектива выражается максимальным числом штрихов (линий) на 1 мм в центре и на краю фотоизображения. Фотографическая разрешающая способность определяется путем фотографирования штриховой миры и учитывает не только характеристики объектива, но и характеристики фотоматериала.

Глубина резкости фотообъектива

Из рисунка 4.2 видно, что, хотя с наилучшей резкостью изображается тот объект, на который произведена наводка на резкость, действительно резкими… Глубина резкости объектива - это расстояние между самым ближним и самым… Глубина резкости объектива зависит от относительного отверстия и фокусного расстояния. Чем меньше относительное…

Лекция 8

План:

Классификация фотообъективов. Системы фокусировки. Экспозиция. Особенности цифровых фотоаппаратов.

Классификация фотообъективов

В зависимости от поля зрения, которое определяется соотношением фокусного расстояния и диагонали кадра, объективы делятся на три группы:

• нормальные (поле зрения 40 - 60°);

• широкоугольные или короткофокусные (поле зрения более 60°);

• узкоугольные или длиннофокусные (поле зрения менее 40° ). Объективы с разными фокусными расстояниями служат определенным

целям. Во многих жанрах фотографии используются оптимальные фокусные расстояния, которые позволяют добиться необходимого результата, свойственного этому жанру. Например, при съемке пейзажа часто прибегают к широкоугольным объективам с небольшим фокусным расстоянием, а при портретной съемке обычно используют длиннофокусные.

Нормальные

У таких объективов фокусное расстояние близко по величине диагонали кадра . Для обычной пленки диагональ кадра мм, поэтому к

нормальным относят все объективы, фокусное расстояние которых

мм. Поле зрения у них около 40 - 60° .

Через такой объектив кадр и перспектива выглядят примерно так же, как видит человеческий глаз, поэтому у таких объективов наиболее натуральное изображение. Нормальные объективы могут использоваться практически при любых съемках.

Широкоугольные (короткофокусные)

Широкоугольные объективы с фокусным расстоянием 28-35 мм являются наиболее распространенными. Их особенностью является большая глубина резкости, к… Сверхширокоугольные объективы имеют фокусное расстояние приблизительно до 20…

Узкоугольные (длиннофокусные)

Так как узкоугольные объективы приближают объект съемки, их используют при съемке удаленных предметов, когда надо увеличить масштаб изображения…

Объективы с переменным фокусным расстоянием

раза. Оптические системы таких объективов состоят из большого числа оптических…  

Системы фокусировки

В самых простых фотоаппаратах не осуществляется никакой фокусировки объектива (свободный фокус, или focus free). За счет большой глубины резкости… В зеркальных фотоаппаратах на матовом стекле получается изображение, которое… При ручном режиме фокусировки фотограф вращением специального кольца на объективе добивается наиболее резкого…

Экспозиция

< экспозиция > = < интенсивность света > ∙ < время воздействия >. Интенсивность света контролируется диафрагмой, время воздействия… Затвор - устройство, позволяющее открывать для света доступ к фотоматериалу.

Особенности цифровых фотоаппаратов

Размер изображения у цифровых фотоаппаратов определяется диагональю матрицы. Размер ПЗС-матрицы может быть различным у разных фотоаппаратов, и… Фотографическая разрешающая способность для цифровых камер в основном зависит… Разрешающая способность матрицы определяется количеством элементов, которое обычно выражается в миллионах пикселов…

Телескопические системы

Телескопическая система

К числу таких приборов относятся бинокли, зрительные трубы, телескопы, перископы, дальномеры и геодезические приборы (теодолиты, нивелиры и другие). Схема телескопической системы состоит из двух компонентов: объектива и окуляра. Располагают их таким образом, чтобы…

Характеристики телескопической системы

Рассмотрим основные характеристики телескопических систем.

Видимое увеличение телескопической системы

  Если видимое увеличение положительное (Г > 0), то изображение прямое. Если… систем может быть от 8х для подзорных труб или биноклей до нескольких сотен и тысяч для астрономических телескопов.

Поле зрения телескопической системы

Угловое поле зрения телескопической системы зависит от углового поля окуляра и видимого увеличения:

. (5.2)

Угловое поле окуляра обычно находится в пределах 50 - 70°, видимое увеличение большинства телескопических систем не превышает , поэтому угловое поле телескопических систем не превышает 10°.

Диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы

. (5.3) При наблюдении объектов через телескопический прибор глаз должен располагаться… Диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы связаны между собой через видимое увеличение:

Схемы телескопических систем

Рассмотрим несколько типовых схем телескопических систем.

Схема Кеплера

В схеме Кеплера объективом и окуляром является положительная оптическая система (рис. 5.2). Объектив создает перевернутое действительное изображение в своей задней фокальной плоскости, которое можно наблюдать с помощью окуляра. Задняя фокальная плоскость объектива совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра, так что падающий на объектив параллельный пучок лучей выходит из окуляра также параллельным.

 

Одним из недостатков схемы Кеплера является большая длина оптической системы (), причем чем больше увеличение, тем длиннее должна быть система Кеплера. Например, при фокусном расстоянии окуляра мм и увеличении Г = , фокусное расстояние объектива м, а общая длина системы м .

Еще одним недостатком системы Кеплера является перевернутое изображение. Это не имеет особого значения для исследования небесных тел, но представляет неудобство для наблюдения земных объектов. Поэтому в биноклях и зрительных трубах приходится применять оборачивающие системы, которые обычно ставятся между объективом и окуляром (рис. 5.3). Оборачивающие системы могут быть линзовые или призменные. Линзовые оборачивающие системы (рис. 5.3) еще больше увеличивают длину всей системы.

 

Призменные оборачивающие системы состоят из стеклянных призм, действующих, как зеркала (рис. 5.4). Они сокращают длину всей системы, но при этом увеличивается масса прибора, к тому же возникают трудности технологического характера, связанные с изготовлением и юстировкой призм. Такие системы обычно используются в биноклях большого увеличения.

 

Одним из главных достоинств системы Кеплера является наличие промежуточного изображения в фокусе объектива, куда можно поставить сетку (прозрачную пластинку со шкалой) и с ее помощью производить точные измерения углов и расстояний.

Оптические системы, построенные по схеме Кеплера, используются для телескопов, подзорных труб, дальномеров, морских биноклей большого

увеличения (до ), а также для измерительных систем.

Схема Галилея

В телескопической системе по схеме Галилея в качестве объектива используется положительная оптическая система, а в качестве окуляра -отрицательная (рис. 5.5). Задний фокус положительного объектива совпадает с передним фокусом отрицательного окуляра. При таком расположении промежуточное изображение отсутствует.

 

Достоинствами схемы Галилея являются прямое изображение и меньшая длина по сравнению со схемой Кеплера. В такой схеме общая длина вычисляется не как сумма, а как разность (по модулю) фокусных расстояний объектива и окуляра: . Однако у этой схемы есть и свои недостатки. Во-первых, у системы Галилея малое поле зрения, причем чем больше увеличение телескопа, тем меньше поле зрения. Во-вторых, в системе Галилея отсутствует промежуточное изображение (некуда поставить сетку), поэтому использовать такую систему в измерительных приборах нельзя.

Использование системы Галилея (малая длина и прямое изображение) особенно удобно для театральных биноклей с увеличением от двух до трех крат. Система Галилея также применяется для систем сумеречного и ночного наблюдения и в видоискателях фотоаппаратов и видеокамер.

Схема Кассегрена

Зеркальные телескопические системы образуют изображение путем отражения света от зеркальной поверхности сферической или параболической формы. Наибольшее распространение получила двухзеркальная схема Кассегрена (рис. 5.5). После отражения на главном зеркале пучок лучей попадает на вспомогательное зеркало, которое направляет его обратно - через отверстие в главном зеркале. Фокальная плоскость в этой системе располагается за оправой главного зеркала.

 

В фокальной плоскости зеркала могут быть помещены фотопластинки для фотографирования небесных объектов или любая другая светоприемная аппаратура: спектрографы, фотометры и так далее. Изображение либо получается непосредственно на фотографической пластинке, либо исследуется визуально через окуляр.

Эта система широко применяется в телескопах, установлена она и в Большом Телескопе Азимутальном (БТА). БТА - самый большой оптический телескоп в мире (находится на Северном Кавказе) с главным зеркалом диаметром 6 метров (его вес 650 тонн). Телескоп установлен в башне высотой 53 м с диаметром купола 45,2 м. В настоящее время телескоп обеспечивает выполнение важнейших научных программ.

Расстояние от последней поверхности (от большого зеркала) до фокуса значительно меньше фокусного расстояния, поэтому длина системы Кеплера с таким объективом может быть в несколько раз короче, чем если бы использовался обычный линзовый объектив.

Для того, чтобы обеспечить как можно большее увеличение при стандартном размере выходного зрачка, необходимо применение объективов с предельно большим диаметром. Увеличение диаметра входного зрачка позволяет увеличить и светосилу, и разрешающую способность, что необходимо, скажем, для наблюдения очень слабых звезд. Технически изготовить зеркало большого диаметра легче, чем линзу, так как оптические неоднородности в толще стекла для зеркала не имеют значения, поэтому применение зеркальных систем позволяет увеличить диаметр входного зрачка а тем самым - увеличение, светосилу и разрешающую способность телескопической системы. К тому же в зеркальных объективах хроматические аберрации намного меньше, чем в линзовых.

Для получения новых научных данных о звездах и галактиках требуется увеличение размеров телескопа. Но чем больше телескоп, тем труднее добиться безукоризненного по качеству изображения. На качество изображения влияют земная атмосфера, остаточные аберрации оптической системы, погрешности оптических поверхностей, термические и весовые деформации оптики, погрешности юстировки телескопа и многое другое.

Самые крупные телескопы мира имеют диаметр зеркала 5-6 метров. Это считается пределом конструкторских возможностей: дальнейшее увеличение диаметра зеркала, осложнив как его изготовление, так и создание самого телескопа, лишь немногим увеличит его разрешающую способность.

Одним из факторов, наиболее сильно воздействующих на разрешающую способность телескопа, является влияние земной атмосферы. Величина размазывания изображения, вызванного атмосферной турбулентностью (неоднородностью показателя преломления атмосферы), составляет несколько секунд даже в самых лучших с точки зрения астроклимата местах. Это, по крайней мере, в 10 раз больше того, что может дать телескоп, зеркало которого изготовлено с точностью, близкой к теоретическому пределу.

Одним из способов повышения разрешающей способности телескопов является вынос его за пределы земной атмосферы. В космических телескопах на качество изображения не влияет неоднородность атмосферы, кроме того, с их помощью возможно проводить исследования в области ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, которые земная атмосфера пропускает слабо. Все это позволяет повышать разрешающую способность телескопа в десятки и сотни раз.

 

 

Лекция 6. [1]

Микроскоп, лупа.

Микроскопы

Для повышения разрешающей способности глаза (наблюдения мелких предметов, не видимых невооруженным глазом), существуют оптические приборы, дающие увеличенное изображение близко расположенного предмета.

Лупа

Простейший прибор, предназначенный для увеличения мелких объектов, лупа.

Лупа - оптическая система, состоящая из линзы или нескольких линз, предназначенная для наблюдения предметов, расположенных на конечном расстоянии.

Если рассматриваемый предмет расположен в передней фокальной плоскости лупы, то от любой точки предмета в глаз наблюдателя поступают пучки параллельных лучей. В этом случае наблюдатель рассматривает предмет без аккомодации (рис. 6.1). Лупа образует мнимое увеличенное изображение на расстоянии наилучшего видения от глаза - 250 мм. Предмет может располагаться и не в передней фокальной плоскости лупы, но в этом случае для рассматривания этого предмета через лупу глазу придется аккомодироваться.

 

Рассмотрим основные характеристики лупы.

 

Видимое увеличение лупы

  Тангенс угла, под которым виден предмет невооруженным глазом, легко можно…  

Диаметр выходного зрачка лупы

Вопрос об ограничении световых пучков следует рассматривать в системе «лупа-глаз». В этой системе пучок ограничивается оправой лупы и зрачком глаза. Обычно диаметр лупы гораздо больше диаметра зрачка глаза, поэтому апертурной диафрагмой и одновременно выходным зрачком системы «лупа-глаз» является зрачок глаза:

 

Поле зрения лупы

  Размер поля 2а' в пространстве изображений определяется лучом, идущим через…  

Микроскоп

 

Увеличение микроскопа

  где - фокусное расстояние микрообъектива, Δ - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптическим интервалом или оптической длиной тубуса.

Поле зрения микроскопа

Поле зрения микроскопа зависит от углового поля окуляра О, в пределах которого получается изображение достаточно хорошего качества:

 

При данном угловом поле окуляра линейное поле микроскопа в пространстве предметов тем меньше, чем больше его видимое увеличение.

Диаметр выходного зрачка микроскопа

Диаметр выходного зрачка микроскопа вычисляется следующим образом:

 

где A - передняя апертура микроскопа.

Диаметр выходного зрачка микроскопа обычно немного меньше диаметра зрачка глаза (0.5-1 мм).

При наблюдении в микроскоп зрачок глаза нужно совмещать с выходным зрачком микроскопа.

Разрешающая способность микроскопа

  Предельно достижимую разрешающую способность оптического микроскопа можно… Из выражения (6.11) следует, что повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая…

Полезное увеличение микроскопа

Полезное увеличение - это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть… Если две точки в передней фокальной плоскости микроскопа расположены друг от… . (6.12)

Методы наблюдения

Структуру препарата, рассматриваемого через микроскоп, можно различить лишь тогда, когда частицы препарата отличаются друг от друга и от окружающей…

Метод светлого поля

Метод светлого поля в отраженном свете применяется для наблюдения непрозрачных объектов, к примеру, травленых шлифов металлов, биологических тканей…

Метод темного поля

Метод темного поля в отраженном свете осуществляется путем освещения препарата, например шлифа металла или биологической ткани, сверху с помощью…

Метод исследования в поляризованных лучах

При исследовании анизотропных препаратов к обычной схеме микроскопа перед осветительной системой добавляют поляризатор, а после объектива…

Метод фазового контраста

Принцип действия метода основан на том, что незаметные для глаза изменения фазы пучка, прошедшего через объект, можно преобразовать в видимое…

Типы микроскопов

Световые микроскопы

Кроме микроскопов для биологических исследований, выпускаются и различные специализированные микроскопы. Микроскопы сравнения обеспечивают визуальное сопоставление двух препаратов.… Контактные микроскопы дают возможность проводить исследования микроскопических структур отдельных участков тканей,…

Электронные микроскопы

Роль линз в электронном микроскопе играет совокупность электрических и магнитных полей. Поскольку электронные пучки не воспринимаются… Длина волны электрона, как известно, во много раз меньше длины волны видимого… Однако, хотя предел разрешения электронного микроскопа несравнимо меньше, чем оптического, у электронного микроскопа…

Сканирующие микроскопы

Сканирующие микроскопы в зависимости от принципа взаимодействия зонда и образца разделяют на электронные, атомно-силовые и ближнепольные. Наиболее интересен ближнепольный растровый сканирующий микроскоп (БРОМ),… Принцип действия ближнепольного растрового микроскопа заключается в сканировании объекта оптическим зондом на…

Осветительные системы

В большинстве случаев невозможно обеспечить требуемую освещенность предмета и ее равномерность просто источником света (пришлось бы делать слишком… С помощью оптической осветительной системы решают задачу наиболее полного…  

Типы осветительных систем

Коллектор

Если предмет, который необходимо осветить, находится в бесконечности, то используют оптическую схему коллектора. В коллекторе источник света располагается в переднем фокусе оптической системы, а его изображение локализуется в бесконечности (рис. 7.1).

 

Конденсор

В первой схеме оптическая система проецирует источник света непосредственно на освещаемый предмет (рис. 7.2). Такую схему применяют, если яркость…   Во второй схеме оптическая система проецирует источник света во входной зрачок последующей оптической системы.…

Осветительные оптические системы

Линзовые осветительные системы содержат только линзы сферической или асферической формы. Степень сложности (число линз) конденсора определяется… Зеркальные осветительные системы содержат только зеркальные элементы.… Чтобы избежать повреждений или загрязнений отражающего слоя, в осветительных системах часто применяют стеклянные…

Прожектор

Оптическая система прожектора используется в маяках, театральных прожекторах, в фарах автомобилей и т.д.   Рассмотрим основные характеристики прожектора.

Осветительные системы проекционных приборов

Проекционные приборы разделяют на два класса: • диаскопические - проектируют прозрачные предметы в проходящем свете… • эпископические - проецируют непрозрачные предметы в отражающем свете.

Осветительные системы микроскопов

Наиболее распространенной осветительной системой в микроскопах является система Кёлера (рис. 7.10). В этой схеме источник света проецируется…   При такой схеме каждая точка источника света действует одинаково на все точки поля зрения, что обеспечивает…

Приложение Б. Параксиальные характеристики оптической системы

В геометрической оптике для удобства чтения оптических схем и компьютерных расчетов приняты единые правила знаков (рис. Б.1):

• положительным направлением света считается его распространение слева направо;

• осевые расстояния между преломляющими поверхностями считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света , то есть слева направо;

• радиус кривизны поверхности считается положительным, если центр кривизны находится справа от поверхности (поверхность обращена выпуклостью влево);

• угол между лучом и оптической осью считается положительным, если для совмещения оси с лучом ось нужно вращать по часовой стрелке;

• отрезки, перпендикулярные оптической оси, считаются положительными, если они располагаются над осью.

 

Одним из основных понятий геометрической оптики являются сопряженные точки - точки, одна из которых является изображением другой в соответствии с законами оптики.

Еще одним важным понятием геометрической оптики являются кардинальные точки и отрезки оптической системы. Их называют также параксиальными характеристиками, так как они строго выполняются только в параксиальной области (бесконечно близко к оптической оси), в которой отсутствуют аберрации.

Главными плоскостями системы называется пара сопряженных плоскостей, в которых линейное увеличение равно единице. Главные точки и - это точки пересечения главных плоскостей с оптической осью.

Плоскость, сопряженная с бесконечно удаленной плоскостью предметов, называется задней фокальной плоскостью, а точка пересечения этой плоскости с оптической осью - задним фокусом (рис. Б.2). Расстояние от задней главной точки до заднего фокуса называется задним фокусным расстоянием . Если , то система называется собирающей (положительной). Если , то система рассеивающая (отрицательная). Расстояние от последней поверхности до заднего фокуса называется задним фокальным отрезком .

 

Передний фокус - это точка на оптической оси в пространстве предметов, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оптической оси в пространстве изображений. Если лучи выходят из переднего фокуса, то они идут в пространстве изображений параллельно. Переднее фокусное расстояние f - это расстояние от передней главной точки до переднего фокуса. Передний фокальный отрезок - это расстояние от первой поверхности до переднего фокуса.

Переднее и заднее фокусные расстояния не являются абсолютно независимыми, они связаны между собой соотношением:

, (Б.1)

где показатель преломления в пространстве предметов, а показатель преломления в пространстве изображений.

В том случае, если оптическая система находится в однородной среде (например, в воздухе), то , следовательно, переднее и заднее фокусные расстояния равны по абсолютной величине .

 

Приложение В. Построение хода луча в тонких компонентах

Тонкие компоненты - это условное отображение линз, при котором можно пренебречь толщиной линзы, а все лучи идут по законам параксиальной оптики (все параллельные лучи пересекаются в одной точке на фокальной плоскости).

Положительная и отрицательная тонкие линзы обозначаются в виде тонкой стрелки - прямой и перевернутой (рис. В.1). Для тонких компонентов неважны реальные параметры линзы (радиусы кривизны, показатель преломления, толщина), ее единственным параметром является фокусное расстояние, в зависимости от которого и строится ход лучей.

 

При построении изображения точки, так же, как и при построении хода луча, можно воспользоваться несколькими правилами параксиальной оптики:

• луч, идущий в пространстве предметов параллельно оптической оси, в пространстве изображений проходит через задний фокус;

• лучи, идущие параллельно друг другу, пересекаются в одной точке на фокальной плоскости;

• если линза находится в однородной среде, то луч, идущий через центр линзы не преломляется.

Рассмотрим построение изображения в положительной линзе (рис. В.2).

 

Для построения изображения A' точки A необходимо построить хотя бы два вспомогательных луча, на пересечении которых и будет находиться точка . Вспомогательный луч 1 можно провести через точку A параллельно оптической оси. Тогда в пространстве изображений луч пройдет через задний фокус линзы. Вспомогательный луч 2 можно провести через точку A и передний фокус линзы. Тогда в пространстве изображений луч пойдет параллельно оптической оси. На пересечении лучей и будет находиться изображение точки A. Еще один вспомогательный луч 3 можно провести через центр линзы, тогда в пространстве изображений его направление не изменится. Теперь в точке пересекаются все лучи (1 - 2 - 3), выходящие из точки A.

В том случае, если вспомогательные лучи не пересекаются в пространстве изображений, мнимое изображение точки будет находиться на пересечении продолжений лучей в пространстве предметов (рис. В.3).

 

При построении изображения точки в отрицательной линзе нужно помнить

0 том, что задний фокус находится в пространстве предметов, а передний - в пространстве изображений.

Изображение точки через несколько компонентов строится последовательно: изображение точки предыдущей линзой становится предметом для последующей.

При построении хода луча через тонкую линзу также можно воспользоваться вспомогательными лучами, ход которых известен. Рассмотрим несколько способов построения хода луча r (рис. В.4).

Во-первых, можно построить вспомогательный луч, параллельный данному, и проходящий через передний фокус (луч 1). В пространстве изображений луч 1 будет идти параллельно оптической оси. Так как лучи r и

1 параллельны в плоскости предметов, то в пространстве изображений они должны пересекаться в задней фокальной плоскости. Следовательно, луч Г пройдет через точку пересечения луча 1 и задней фокальной плоскости.

Во-вторых, можно построить вспомогательный луч, идущий параллельно оптической оси и проходящий через точку пересечения луча r и передней фокальной плоскости (луч 2). Соответствующий ему луч в пространстве изображений (луч ) будет проходить через задний фокус. Так как лучи r и 2 пересекаются в передней фокальной плоскости, в пространстве изображений луч r пойдет параллельно лучу 2 .

В том случае, если линза находится в однородной среде, можно построить вспомогательный луч 3, параллельный лучу r и проходящий через центр линзы. В пространстве изображений его направление не изменится. Так как лучи r и 3 параллельны в пространстве предметов, то в пространстве изображений они будут пересекаться в задней фокальной плоскости, значит, луч r пройдет через точку пересечения луча 3 и задней фокальной плоскости.

 

 

 

Литература

1. Интернет ресурс wwwaco.ifmo.ru Иванова Т.В. Введение в прикладную и компьютерную оптику. Конспект лекций. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. - 92 с.