книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Это приводит к совпадению их фокусов в точке увеличенного фо- кусного расстояния (F’) и, соединившись в одном месте, синее и крас- ное изображенияточкидадутпрактически белуюточку,что указывает на устранение хроматической погрешности.

Совмещённые линзы не имеющие хроматической аберрации на- зываются ахроматическими. Оптические системы, где в фокусе со- вмещаются три цвета лучей называются апохроматами. Они приме- няются в микроскопии.

Подобным способом исправляются аберрации у сферических зер- кал. В качестве компенсаторов используются линзы с обратными (противоположными) по знаку аберрациями, устанавливаемые перед сферическим зеркалом. Зеркала не имеют хроматической аберрации, но обладаютсферической.Линзы обладаюти сферической и хромати- ческой аберрациями. Система из совмещённых собирательной и рас- сеивающей линз не имеет хроматической аберрации, но она не при- годна для исправления сферической аберрации сферических зеркал.

Такая совмещённая система по форме напоминает мениск (вы- пукло — вогнутый), на что обратил своё внимание советский учёный Дмитрий Дмитриевич Максутов.

Мениск (выпукло-вогнутый или вогнуто-выпуклый), может быть исправлен в отношении хроматической аберрации, что получают при определённом соотношении между радиусами сферических поверх- ностей мениска и его толщиной, причём при увеличении толщины отрицательный мениск можно превратить в положительный.Исправ- ленный мениск при этом сохраняет положительную или отрицатель- ную сферическую аберрацию. Такие мениски (положительный или отрицательный) становятся пригодными для компенсации сфериче- ской аберрации сферических зеркал и придают зеркальным системам технические преимущества.

В изобретении а. с. 65007 под названием «Оптическая система» Д. Д. Максутов предложил применять мениски (в том числе ретуши- рованные) в качестве компенсаторов сферической аберрации зеркал в оптических системах,например,в системах Ньютона,Грегори идру- гих. Рисунок ниже.

250

С помощью такого способа коррекции все классические зеркаль- ные системы были преобразованы Д. Д. Максутовым в менисковые, которые стали наиболее распространёнными в мире.

Схемыпростейшихменисковыхзеркальныхсистемимеютследую- щий вид.

М — ахроматический мениск; 3 — вогнутое сферическое зеркало; F — фокус системы; d — толщина мениска.

Вменисковых системах с большой светосилой, имеющей один мениск, образуется небольшая хроматическая аберрация так назы- ваемый хроматизм увеличения. Его устраняют с помощью пары про- тивоположно ориентированных менисков. Дисперсия первой линзы компенсируется дисперсией второй. Рисунок ниже.

Вдругих случаях с этой же целью слегка ретушируют одну из по- верхностей мениска или поверхность зеркала.

Менисковые системы гораздо компактнее других оптических си- стем со сравнимыми параметрами, что облегчает управление мени- сковыми телескопами с помощью часовых механизмов.

Такие системы пригодны для использования не только в телеско- пах, но и лабораторных приборах, фотообъективах, коллиматорах больших аэродинамических труб.

Основные поверхности у них просты по форме (то есть сферичны), вследствие чего менисковые системы отличаетлегкостьизготовления

ивозможность простого и точного опти-

ческого контроля.

Оптические схемы менисковых теле- скопов разнообразны.

Система с отверстием в мениске (рису- нок справа), предназначенным для введе- ния фотопластинки.

251

Система Кассегрена (рисунок слева) со вто- рым зеркалом,наклеенным на мениск,и отвер- стием в главном зеркале для вывода изображе- ния за оправу зеркала.

Система Грегори (рисунок ниже) со вторым зеркалом,наклеенным на мениск, и отверстием в главном зеркале для вывода изображения за оправу зеркала.

М — мениск; З — главное сферическое (эллип-

тическое) зеркало; F, F1

и F2 — фокусы системы; В — вторичное зеркало; Л — коррекционная линза; П — фотографируемое или наблюдаемое поле.

Исправление всех основных аберраций приводитк высокому каче- ству изображений не только в центре поля наблюдения, но при боль- ших полях и на их краях.

В астрометрии, например, понадобился более совершенный ин- струмент, имеющий не только качественную аберрационную кор- рекцию с полным отсутствием хроматизма увеличения и нарушений подобия изображения объекту наблюдения, но и достаточно большое поле зрения (до 50), большой диаметр входного зрачка и значитель- ную светосилу системы.

Д. Д. Максутов и его группа для удовлетворения указанных требо- ваний предложила двух менисковую оптическую систему. Главный параметр инструмента — это метровое эллиптическое зеркало с фо- кусным расстоянием чуть больше двух метров содержащее два мени- ска впереди. Инструмент обладает светосилой 1/3 и имеет коррекци- онную линзу перед фотопластинкой.

Это воплотилось в 700 мм астрометрическом астрографе АЗТ16 (приборе для фотографирования небесных объектов), который установлен в Абастуманской астрофизической обсерватории Грузии и в астрофизической обсерватории Серро — Эль — Робле Чили.

Правда, в виду того, что производство стеклянных фотопласти- нок, на которых переносились снимки галактик, прекращено, теперь астрограф оснащен ПЗС-матрицей (Прибором с Зарядовой Связью, состоящим из светочувствительных фотодиодов), которая может со- хранять полученные снимки в цифровом формате.

Размеры оптических систем ограничены и большая часть светово- го потока,исходящего из светящегося объекта во все стороны,минует

252

их и не участвует в образовании изображения этого объекта. Всякая преграда, ограничивающая проходящий через оптическую систему световой поток,называется диафрагмой.Наличие диафрагмы не ме- няет ни размеры, ни облика изображения, но уменьшает освещён- ность изображения (делая его контрастней). Фактически, диафрагма определяет поле зрения оптического прибора (то есть,максимальную часть объекта, изображение которого оно может дать). В глазу чело- века роль изменяющейся по диаметру диафрагмы выполняет зрачок (диаметр от 2 мм до около 8 мм).

Светосила линзы это величина освещённости изображения, обе- спечиваемая линзой. Она пропорциональна квадрату отношения её диаметра (илидиафрагмы) к её фокусному расстоянию —(d/f) 2.Для ха- рактеристики линзы вместо светосилы применяют отношение её диа- метра (или диафрагмы) к её фокусному расстоянию (d/f), называемое относительнымотверстием.Приуменьшениидиафрагмойсветового пучкаосвещённостьизображенияуменьшается,нокачество(контраст- ность) улучшается. Хорошее качество изображения плохо сочетается с большой светосилой прибора, но гармонизировать и то и другое воз- можно за счёт использования многолинзовых оптических систем.

Реальная светосила таких систем (объективов) гораздо меньше теоретически рассчитаной из — за наличия потерь (часть света по- глощается,а часть отражается).Отражение света нетолько уменьшает светосилу, но понижает контрастность изображения (создаёт свето- вой фон, который скрадывает различие между тёмными и светлыми частями изображения). Уменьшение потерь достигается так называе- мым«просветлениемоптики».Наповерхностьлинзынаносяттончай- шую прозрачную плёнку,которая имеет минимум отражения зелёной части спектра естественного света, при этом более короткие и более длинные волны на ней отражаются сильнее.

Покрытия поверхностей, снижающие коэффициент отражения, также называют антибликовыми покрытиями. Традиционный мате- риал плёнки — фторид магния (MgF). Отражённый белый свет с такой поверхности имеет сине-красный оттенок,поэтому такие оптические системы названы «голубой оптикой».

Применяются также фторид бария (BaF2), органические высокомо- лекулярные плёнки и пользуются созданием на сферических поверх- ностях антиотражающего текстурированного покрытия.

«Просветлённаяоптика»имеетбольшуюреальнуюсветосилуидаёт более контрастное изображение, чем оптика без просветления.

Яркость изображения связана с освещённостью изображения, она не можетбыть больше яркости источника света из-за наличия по- терь в оптической системе (частичного поглощения света в линзах, частичного отражения света их поверхностями). Получить яркость

253

изображения больше, чем яркость источника света до недавнего вре- мени было невозможно ни какими оптическими приборами.

Однако, если в пространстве между источником и изображением помещена активная среда, усиливающая проходящее через нее из- лучение, то яркость изображения может быть повышена и превзойти яркость источника.

Системы с усилением яркости называются активными оптиче- скими системами. В активных оптических системах энергия пере- дается изображению из активной среды, что является техническим преимуществом перед системами без неё. Примером такой системы служит лазерный проекционный микроскоп, позволяющий получать на экране площадью в несколько квадратных метров изображения микроскопических объектов с освещенностью, достаточной для вос- приятия в незатемненном помещении.

Безактивнойсреды,чембольшеразмерыизображения,темменьше ширина световых пучков, образующих изображение. При уменьше- нии площади изображения во столько же раз увеличивается телесный угол,в котором формируется световой поток (закон увеличения опти- ческой системы), поэтому выигрыша в яркости изображения для про- тяжённого объекта в оптических системах не получают. В наилучшем случае (при отсутствии потерь) яркостьизображения,обеспечиваемая линзой, равна яркости самого объекта.

Разрешающая способность оптической системы (например, микроскопа), что то же возможность различать более мелкие детали объекта изучения, связана с её возможностями увеличивать предмет наблюдения, благодаря которым появляется возможность рассматри- вать его детали под большим углом зрения.

Разрешение человеческого глаза составляет примерно 0,2 мм.Этот предел зависит не только от волновых свойств видимого спектра све- та, но и от устройства глаза (вероятно, от среднего расстояния между двумя ближайшими колбочками, определяющими дневное зрение).

Технические возможности оптических систем могут повышаться до известного предела. Ограничение на все оптические приборы на- кладывают волновые свойства света и ограничения восприятия света человеческим зрением. Если две точки объекта находятся на таком расстоянии,меньше которого светотних не отражается,не преломля- ется и не поглощается (так как видимым является сам источник света, а не свет), то их изображения будут сливаться в одну точку, каким бы не было увеличение оптической системы. Более того, объекты менее длины волны легко обтекаются светом и визуально они просто неви- димы. Предельная разрешающая способность оптической системы достигается с помощью более широких пучков лучей света, которые создаются специальными конденсаторами.

254

Конденсатор (собира- тель) — это оптический при- бор (рисунок справа), служа- щий для концентрирования лучей, исходящих от источ- ника света, на некоторую по- верхность с целью её яркого

освещения. Он состоит из двух плосковыпуклых линз, вставленных в одну оправу и соприкасающихся своими выпуклостями.

Иногда делают конденсатор из трёх линз, дополняя двойной кон- денсатор ещё одной плосковыпуклой линзой, помещенной со сторо- ны источника света.

С задней стороны источника света иногда размещают вогнутое параболическое зеркало, с помощью которого неиспользуемая часть света источника направляется в конденсатор для увеличения осве- щённости объекта.

Применяются конденсаторы в оптических фонарях, где, кроме це- лейосвещения,онислужатдлятого,чтобысделатьпучоксходящимся, и он целиком входил бы в зону линзы (О), которая даёт изображение.

Минимальныйуголзрения,подкоторымдвесветящиесяточкиили двечерныеточкинабеломфоневоспринимаютсяглазомещёраздель- но,составляетприблизительно одну минуту (угол,под которым виден отрезок в 1 см с расстояния 34 м). Угол зрения это угол, под которым виден предмет из оптического центра хрусталика глаза. Угол зрения равен длине изображения на сетчатке глаза делённой на расстояние от оптического центра хрусталика до сетчатки (или на глубину глаза, равную ≈ 15 мм).Изображение на сетчатке всегда действительное,об- ратное, уменьшённое.

Приближая предмет к глазу, увеличиваем угол зрения и, следова- тельно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Од- нако очень близко к глазу приблизить предмет мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо разли- чает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется

расстоянием наилучшего зрения.

Увеличение угла зрения достигается с помощью оптических при- боров, которые являются специальными устройствами оптических систем, предназначенные для работы совместно со зрением человека и составляютс ним единую оптическую систему получения изображе- ний рассматриваемых объектов на сетчатке глаза.

По своему назначению оптические приборыделятся на следующие большие группы.

255

1. Приборы, использующие световую энергию, исходящую от объ- екта.

К ним относят приборы,служащие для рассматривания очень мел- ких предметов (лупа,микроскоп),которые как бы «увеличивают» рас- сматриваемые предметы.

А также приборы противоположного назначения, предназначен- ные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, би- нокль, телескоп и т. п.), которые как бы «приближают» рассматривае- мые предметы.

И приборы, предназначенные для записи неподвижного и дви- жущегося изображения на фотоматериалах, киноплёнке, магнитной ленте или в цифровой памяти. К ним относят фотоаппарат, киноап- парат, видеокамеру.

2. Приборы, снабжённые собственным или посторонним источни- ком света для визуализации и демонстрации на экране больших изо- бражений мелких прозрачных объектов. К ним относят различные проекционные оптические приборы, в том числе и кинопроектор.

Лупа (двояковыпуклая линза или зажигательное стекло) предна- значена для увеличения и наблюдения мелких предметов, располо- женных на конечном расстоянии. Лупы различного вида широко применяются при мелкой и точной работе, при измерениях. Исполь- зуются в биологии,медицине,археологии,в банковском и ювелирном деле, нумизматике, филателии, криминалистике, для ремонта часов и радиоэлектронной техники.

Ход лучей от предмета (S) че- резлупу,хрусталикглазаинаего сетчатку (рисунок слева).

Наблюдаемый предмет (S) помещают от лупы на расстоя- нии, немного меньшем её фо- кусного расстояния. Лупа даёт прямое увеличенное и мнимое

изображение предмета (S’).Лучи от изображения попадают в глаз под углом, большим, чем лучи от самого предмета, в результате образует- ся больший размер изображения на сетчатке глаза (S’’). Этим и объ- ясняется увеличивающее действие лупы.

Ниже ход лучей от предмета (S) при рассматривании предмета (L) без лупы (под углом φили под углом зрения).

256

Ниже — рассматривание предмета (L) через лупу.

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптическо- го прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением, полученным в глазу без него (φ’ ˃ φ). С прибором возрастает способность зрения распознавать детали пред- мета. Отношение длины изображения на сетчатке глаза, полученного с помощью оптического прибора, к длине изображения, полученного там же без прибора,называется увеличением оптического прибора.

Для увеличения поля зрения рекомендуется держать глаз непо- средственно вблизи лупы, не загораживая освещение. Коэффициент увеличениялупыприэтомвозрастаетза счётболееполногоиспользо- вания напряжения хрусталика глаза. Психофизиологический эффект кажущегося увеличения при наблюдении с такого расстояния возни- кает из-за зрительного контраста между увеличенной лупой частью и наблюдаемой за границами лупы частью объекта.

Если предмет находится непосредственно возле фокуса (F) и,пола- гая, что расстояние наилучшего видения 250 мм, то увеличение лупы составит N = 250/F, где F — расстояние до фокуса в мм. При фокусном расстоянии 50 мм увеличение лупы будет пятикратное. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше увеличение лупы, но пользоваться очень малыми фокусными расстояниями затруднительно, поэтому лупы с увеличением более 40 не применяются.

Микроскоп — оптический прибор, изображающий в увеличенном виде очень мелкие, не видимые глазу, близко расположенные объек- ты. Применяется для получения больших увеличений. Используется для наблюдения за такими мельчайшими объектами, как микроорга- низмы, клетки растений, частицы кристаллов, для исследования ми- кроструктуры металлов и сплавов деталей машин.

Оптическая система микроскопа состоитиздвух частей: объектива 1 (обращенного к объекту) и окуляра 2 (обращенного к глазу) более или менее сложной конструкции.

Ход лучей в микроскопе показан на стр. 258.

Объект(S1S2)помещаютнарасстояниипередобъективом1несколь- ко далее,чем фокусное расстояние объектива (его изменяютдля уста- новкирезкостиизображения).Действительноеобратноеизображение объекта (S1’ S2’) находится между окуляром 2 и его передним фокусом

257

F2 (вблизи него), оно может быть измерено, спроецировано и сфото- графировано. Это изображение рассматривается через окуляр 2, как через лупу. Мнимое увеличенное его изображение (S1’’S2’’) восприни- мается зрением человека в виде изображения образованного на сет-

чатке глаза (S1’’’ S2’’’).

Как и лупа, микроскоп дает возможность рассматривать изобра- жение предмета под большим углом, чем это возможно для глаза, не оснащённого прибором.

Увеличение микроскопа (подобно лупе), называется отношение длины изображения какого-либо отрезка, полученного на сетчатке глаза при помощи микроскопа, к длине изображения того же отрез- ка полученного на сетчатке глаза без микроскопа и рассчитывается так же как эквивалентная микроскопу лупа (N = 250/F).

Расстояние между задним фокусом F1’объектива и передним фо- кусом F2 окуляра (Δ) называется оптической длиной тубуса (трубки) микроскопа, от него и зависит увеличение микроскопа (Δ = F1’ F2).

Фокусное расстояние микроскопа как системы из двух линз может быть значительно меньше, чем фокусное расстояние объектива или окуляра в отдельности.В соответствии с этим увеличение микроскопа значительно больше увеличения, даваемого объективом или окуля- ром. Фактически, увеличение микроскопа равно произведению уве- личенияобъективанаувеличениеокуляра.Ввидимомдиапазоневолн микроскопы имеют увеличение 1000 и более.

Степень проникновения в микромир и возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора.

Разрешающая способностьмикроскопа заключается втехнической возможности выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенныхточекобъекта.Этахарактеристикаопределяется,пре- жде всего, длиной волны используемого в микроскопии (совокупно-

258

сти технологий и методов практического использования микроско- пов) излучения (видимого, ультрафиолетового, рентгеновского).

Ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, который мень- ше по размерам, чем длина волны этого излучения.

Техническое преимущество получают от применения излучений с меньшими длинами волн, в частности электронных пучков (катод- ных лучей). Пучок электронов обладает, как известно, свойствами ча- стицы и волны, что позволяет их использовать в микроскопии.

Длина волны электрона зависит от его энергии, например, дли- на волн электронов при прохождении через разность потенциалов 200 тысяч вольт составляет порядка 0,1 нм. Движущиеся электроны легко фокусируются электромагнитной линзой (многослойным ко- ротким соленоидом с очень острыми кольцевыми наконечниками полюсов). Полученное электронное изображение легко переводится в видимое изображение.Разрешающая способностьэлектронного ми- кроскопа в 1000 ÷ 10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа. Для лучших современных приборов величина разрешения меньше одного ангстрема.

Зрительные трубы (монокуляры) — оптические приборы, пред- назначенные для рассматривания весьма удаленных предметов. Зрительная труба состоит, как и в случае микроскопа, из объектива и окуляра (которые более или менее сложные оптические системы, но не сложнее, чем у микроскопа).

В зрительных трубах объектив и окуляр рас- полагаются так, что за- дний фокус F1’объектива О1 почти совпадает с пе- редним фокусом F2 оку-

ляра О2.

Объектив О1 дает действительное уменьшенное обратное изо- бражение бесконечно удаленного предмета в своей задней фокаль- нойплоскости F1’. Это изображение рассматривается в окуляр О2, как влупу.ЕслипереднийфокусF2 окуляраО2 совпадаетсзаднимфокусом F1’объектива О1,то при рассматривании удаленного предмета из оку- ляра О2 выходят пучки параллельных лучей, что удобно для наблюде- ния при спокойном состоянии глаз (без аккомодации).

Передвигая окуляр О2, производится «наводка» зрительной трубы на рассматриваемый предмет,расположенный на различных не очень больших расстояниях от наблюдателя.

Увеличение зрительнойтрубы равно отношению фокусных рассто- яний объектива О1 и окуляра О2(N = O1F1’/F2O2), а не их произведению

259