Оптические приборы

Лупы- короткофокусные двояковыпуклые линзы, сделанные из стекла или пластмассы.

γ = =

f - фокусное расстояние линзы

D - расстояние до предмета

Размер изображения предмета на сетчатке можно характеризовать углом зрения α_н при наблюдении предмета на расстоянии наилучшего зрения d_н = 25 см.

Если размер предмета h много меньше d_н, то (так как tg α_н ≈ α_н ):

α_н ≈ h/ d_н

Для увеличения угла зрения используют лупу.

Лупа – короткофокусная собирающая линза

Помещая лупу перед глазом, рассматриваемый предмет располагают между лупой и ее фокусом F_л (в непосредственной близости от фокуса) При этом увеличенное, прямое, мнимое изображение предмета в лупе будет находиться на бесконечном удалении от глаза. Такое расположение изображения облегчает его наблюдение, так как напряжение глаза минимальное.

Угол зрения при использовании лупы можно приближенно оценить:

α_л ≈ =

Для того чтобы характеризовать изменение угла зрения вводят понятие углового увеличения.

Угловое увеличение – отношение угла зрения, полученного с помощью оптического прибора, к углу зрения невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения.

Для лупы с оптической силой D = 1/F_л :

Г_α = = = d_нD .

Чем меньше фокусное расстояние лупы F_л, тем большее угловое увеличение она дает.

Угловое увеличение лупы пропорционально ее оптической силе.

При уменьшении фокусного расстояния лупы возникает серьезное искажение качества изображения, поэтому в качестве нижнего предела фокусного расстояния используют F_л = 2 см. Большое угловое увеличение требует такой оптической силы, которая не может быть достигнута с помощью одной короткофокусной линзы.

Микроскоп - оптический прибор, служащий для рассматривания мелких предметов, невидимых невооруженным глазом.

Для получения большего углового увеличения используют оптические системы, состоящие из нескольких линз.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз - короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми можно изменять при настройке на резкость.

Объектив создает действительное, перевернутое, увеличенное промежуточное изображение.

Окуляр действует как лупа, создавая мнимое увеличенное изображение.

Угловое увеличение микроскопа:

γ =

- расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра

Угловое увеличение в микроскопе происходит дважды.

Сначала объектив создает увеличенное изображение предмета перед окуляром, затем окуляр дополнительно увеличивает это изображение.

Для этого предмет располагают между фокусом объектива и его двойным фокусом

F₁ < d < 2F₁, ближе к фокусу – для получения максимального поперечного увеличение Г.

Размер полученного действительного изображения, согласно формуле │Г│= = (cм.выше):

H = = h

f₁ – расстояние от изображения до объектива

Для получения максимального увеличения микроскопа объектив должен быть короткофокусным.

Для того чтобы окуляр давал дополнительное увеличение, изображение предмета A’B’ в объективе должно располагаться между окуляром и его фокусом F₂ (как в случае лупы вблизи фокуса)

В окуляре получается мнимое, прямое, увеличенное изображение А₂В₂.

Найдем угловое увеличение микроскопа.

Угол зрения окуляра α_ок можно найти, как для лупы:

α_ок = = h ≈ h

Из рисунка видно: f₁ ≈ L + F₁

где L – минимальное расстояние между главными фокусами объектива и окуляра (определяющее размеры микроскопа)

Так как угол зрения на расстоянии наилучшего зрения α_н = h/d_н, то угловое увеличение микроскопа определяется отношением:

Г_α = = . .

Наибольшее угловое увеличение достигается при использовании короткофокусных линз для объектива и окуляра.

Угловое увеличение микроскопа прямо пропорционально оптическим силам объектива и окуляра:

Г_α = D₁D₂d_nL .

Угловое увеличение оптических микроскопов составляет от 15 до 1200

Телескопы: различают а) рефлекторы б) рефракторы

Действие рефлектора - отражающего телескопа - основано на использовании зеркального, отражающего объектива. Впервые создал Ньютон. Ньютон стремился устранить хроматическую аберрацию свойственную линзам.

Оптический телескоп-рефрактор – линзовая система, дающая существенное угловое увеличение удаленных объектов в видимом спектре.

В рефракторе - линзовом телескопе - используются две системы линз.

Оптическую систему телескопа для получения максимального углового увеличения конструируют так чтобы задний фокус объектива совпадал с передним фокусом окуляра.

γ =

Для характеристики объектива телескопа вводят величину А, обратную предельному углу(ее называют разрешающей силой телескопа):

A = =

Для увеличения разрешающей способности телескопа надо брать объективы большого диаметра. Однако, сильное увеличение диаметра объектива нецелесообразно из-за деформации линзы под действием собственного веса и значительного поглощения света, что заметно влияет на качество изображения. Поэтому объективы диаметром больше 0.5 м делают зеркальными, а такие телескопы называют телескопами-рефлекторами.

Другой путь—уменьшение длины волны регистрируемого излучения.

В отличие от микроскоп астрономические объекты удалены от телескопа на значительное расстояние. Это приводит к тому, что, во-первых, угол расхождения пучка лучей от объекта, попадающих в объектив, очень мал, во-вторых, действительное, перевернутое, уменьшенное изображение объекта A’B’ находится в фокальной плоскости объектива.

Как и в микроскопе, окуляр выполняет роль лупы, обеспечивая угловое увеличение изображения A’B’. Для получения максимального углового увеличения это изображение должно находится практически в фокусе F₂ окуляра. Это означает, что фокусы объектива F₁ и окуляра F₂ практически совпадают. Тогда мнимое, прямое, увеличенное изображение в окуляре будет находится на бесконечном расстоянии. Такое расположение изображения позволяет без зрительного напряжения наблюдать его.

Найдем угловое увеличение телескопа-рефрактора.

Угол зрения невооруженным глазом α_н (угол расхождения от объекта), как следует из ΔB’O₁A’:

α_н = H/F₁

где Н – размер изображения A’B’

Угол зрения окуляра, считая, что глаз помещен в фокусе F₂ окуляра, можно найти из ΔF₂O₂A₂:

α_ок = H/F₂

Тогда угловое увеличение телескопа-рефрактора определяется отношением этих углов:

Г_α = = .

Для получения максимального углового увеличения Г_α >>1 должно выполняться неравенство F₁ >> F₂.

Максимальное угловое увеличение телескопа-рефрактора достигается при соединении длиннофокусного объектива с короткофокусным окуляром.

Применение длиннофокусного объектива объясняет большую длину оптической трубы телескопа.

Фотоаппарат представляет собой закрытую светонепроницаемую камеру и систему линз, называемую объективом.(состоит из 2-3 линз, навороченные 7-9)

Диафрагма - при ее помощи получается четкое изображение предметов, находящихся на разных расстояниях от фотоаппарата.

Диапроектор - назначение создавать на экране увеличенные изображения прозрачных рисунков или фотографий, зафиксированных на кадре диафильма.

Эпипроектор - получение изображения зафиксированного на бумаге.

Кинопроектор отличается от диапроектора лишь тем, что в нем имеется механический прерыватель (обтюратор), который заслоняет объектив в тот момент, когда кинопленка продергивается на 1 кадр. Т.к. смена кадров происходит 24 раза в 1с.

Глаз эти прерывания не замечает.