Уреди за увеличение на изображения. Оптични инструменти

Натрупаните от изследователите знания за светлинните явления направиха възможно създаването на много оптични инструменти, които значително разширяват границите на човешките възможности. Вече знаете за едно просто и често срещано устройство - очила. Днес ще обсъдим принципа на работа на други оптични инструменти.

Зрителният ъгъл е ъгълът, образуван от лъчите, излизащи от крайни точкиобект и преминават през оптичния център на окото.

Ограничаващият зрителен ъгъл е най-малкият зрителен ъгъл, при който човек все още може да различи две точки поотделно, приблизително равен на 1/60 от градуса.

За увеличаване на ъгъла на видимост се използват оптични устройства. Според предназначението си оптичните инструменти могат да бъдат разделени на две големи групи:

устройства за изследване на много малки обекти (лупа, микроскоп), даващи възможност за "увеличаване" на обекти на наблюдение.

инструменти за наблюдение на отдалечени обекти (зрителна тръба, бинокъл, телескоп). Тези обекти „приближават” обектите на наблюдение.

Dandruff е почистваща леща с късо фокусно разстояние за гледане на малки обекти. Фокусното му разстояние е от 1 см до 15 см, което може да се получи с лупа оптична мощност. Изчисленията показват, че това увеличение е равно на отношението на разстоянието за най-добро виждане към фокусното разстояние на пърхота. Очилата (късофокусни лещи в рамка) на микроскоп, телескоп, бинокъл и други оптични инструменти действат подобно на пърхота. Окулярът на всеки оптичен инструмент винаги се поставя близо до окото.

Микроскопът се използва, когато трябва да изследвате много малки обекти. Основните оптични части на микроскопа са обективът и окулярът - две почистващи лещи, действието на всяка от които е независимо. С помощта на обектив се създава увеличено и реално изображение, което се гледа с помощта на окуляр. Микроскопът дава въображаем, обратен, увеличен образ на малки обекти. Изображението на обект, получено с помощта на леща и окуляр, е обратно, следователно в телескопите между лещата и окуляра се поставя допълнителна леща или обратима призма, която "преобръща" изображението и го прави изправено. Микроскопите се използват в науката, технологиите, криминалистиката и медицината. Мощният обектив може да осигури увеличение до 100 пъти, докато окулярът осигурява увеличение не повече от 20 пъти. Така че най-добрият оптичен микроскопможе да даде увеличение до 100,20 = 2000.

Телескопът е уред (зрителна тръба), предназначен за наблюдение на небесни тела. Тя ви позволява да правите разлика между близките светещи точки и да наблюдавате много отдалечени светещи обекти. Той, подобно на микроскоп, може да бъде направен от две лещи. Най-близката до окото леща е окулярът, а втората е обективът. Предназначението на окуляра в телескоп и микроскоп е почти същото. „Ролята“ на лещата в телескопа е „противоположна“ на ролята на лещата в микроскопа. Ако увеличението на микроскопа се увеличава с увеличаване на оптичната сила на лещата (с намаляване на фокусното разстояние), тогава телескопът, напротив, „доближава“ до обекта, толкова по-голямо е фокусното разстояние на лещата.

Изчисленията показват, че „по-близо“, което дава телескопът, е равно на съотношението на фокусното разстояние на лещата към фокусното разстояние на окуляра. Фокусно разстояниеОбективът на телескопа може да достигне десетки метри. Такива телескопи „приближават“ хиляди пъти.

Фотоапаратите са оптични инструменти, при които върху специален елемент се формират и записват умалени действителни изображения на обекти. Структурата на камерата е подобна на структурата на окото. С цифровите фотоапарати процесът на заснемане на изображения е много по-сложен, но принципите и основите на фотографията остават същите. Принципът на работа на камерата се прилага както за филмови камери, така и за видеокамери.

С помощта на камери и проектори на екрана се получава изображение – реално, увеличено, обърнато. И за да не ходят героите с главата надолу по екрана, филмът е инсталиран с главата надолу във филмовата камера.

Оптични инструментипомогнете ни да изследваме Светът. Телескопът ви позволява да откриете и изследвате очертанията и детайлите на далечни космически тела, а микроскопът разкрива тайните на нашата планета, като например структурата на живите клетки.

Нашите очи са по същество оптични инструменти. Когато гледаме обект, система от лещи, разположена в предната част на всяко око, формира негов образ върху ретината, слой от дъното на окото, съдържащ приблизително 125 милиона светлочувствителни клетки. Светлината, попадаща върху ретината, кара клетките да изпращат електрически нервен сигнал към мозъка, което ни позволява да възприемаме обект визуално.

Освен това очите имат система за регулиране на яркостта. При ярка светлина зеницата инстинктивно се свива, намалявайки яркостта на изображението до приемливо ниво. При слаба светлина зеницата се разширява, увеличавайки яркостта на изображението.

Как работи обективът?

Системата от лещи на окото се състои от изпъкнала леща, лещата и изпълнена с течност извита мембрана пред нея, наречена роговица. Роговицата осигурява четири пети от целия процес на фокусиране. Фината настройка се извършва от лещата, чиято повърхностна кривина се променя от мускулен пръстен (капсула), разположен около нея. Когато окото не може да приеме необходимата форма, обикновено поради проблеми в тези мускули, изображенията на видимите обекти стават замъглени.

Най-честата зрителна недостатъчност е невъзможността да се фокусират изображения на отделни обекти върху ретината. Ако системата от лещи на окото е твърде силна, с други думи, ако е много изпъкнала, тогава далечните обекти ще се размазват, но близките ще създават ясни изображения. Хората с това разстройство се наричат ​​късогледи. Ако изпъкналостта на лещата е недостатъчна, близките обекти ще се замъглят, но изображенията на далечни обекти ще останат ясни. Хората с този тип зрение се наричат ​​далекогледи. И двете нарушения могат да бъдат коригирани чрез носене на очила или контактни лещи. Късогледите хора носят очила с вдлъбнати стъкла (по-тънки в средата), които позволяват на очите им да фокусират отдалечени обекти. Далекогледите хора носят очила с изпъкнали стъкла (дебели в центъра).

Нараства

Силните изпъкнали лещи често се използват като лупи. Първите увеличителни устройства са използвани преди около 2000 години. Древни гръцки и римски документи описват как кръгъл стъклен съд, пълен с вода, може да се използва за уголемяване на предмети. Лещите, направени изцяло от стъкло, се появяват много по-късно и вероятно са били използвани за първи път през 11 век от монаси, работещи върху ръкописи. В края на 13-ти век лупи с малко увеличение вече се използват в очила за коригиране на далекогледство. Но техниката за създаване на вдлъбнати лещи за коригиране на късогледството е изобретена едва в началото на 15 век.

Телескопи

Когато бяха въведени увеличителните стъкла, хората естествено се опитаха да използват две стъкла вместо едно, за да получат още по-голямо увеличение. Експериментално е установено, че на определено разстояние между лещите може да се види далечен обект със значително увеличение. Това разположение на лещите послужи като основа за създаването на първия телескоп, който по това време се наричаше зрителна тръба. Изобретяването на това устройство понякога се приписва на английския философ и натуралист Роджър Бейкън от 13-ти век. Но може би палмата принадлежи на арабските учени.

Рефрактор Галилео

Телескопът, създаден през 1608 г. от холандския оптик Ханс Липершей, привлича вниманието на италианския учен Галилей. За кратко време ученият подобри дизайна на Lippershey и създаде няколко тръби с подобрени характеристики. С тяхна помощ той прави редица открития, включително планини и долини на Луната, както и четирите луни на Юпитер.

Откритията на Галилей показаха важността на телескопа и типът инструмент, който използва, стана известен като Галилеевия телескоп. Изпъкналата леща на неговия обектив събираше светлина от наблюдавания обект. А вдлъбнатата леща на окуляра отклоняваше светлинните лъчи по такъв начин, че те създаваха увеличено директно изображение. Лещите бяха монтирани в тръби, едната от които (с по-малък диаметър) се плъзгаше в другата. Това направи възможно регулирането на разстоянието между лещите, като същевременно се получи ясно изображение.

Галилеевият телескоп работи на принципа на пречупване (огъване) на светлината и затова е известен също като пречупващ телескоп. Друг вид рефракционен телескоп се характеризира с изпъкналост на двете лещи. Този дизайн създава увеличено, но обърнато изображение и е известен като астрономически телескоп.

Нютон рефлектор

Един основен проблем с ранните пречупващи телескопи беше дефектът на лещата, наречен хроматична аберация, който причиняваше появата на нежелани цветни ореоли около изображенията. За да премахне този недостатък, английският учен Исак Нютон проектира рефлекторен телескоп през 1660-те години. За да концентрира светлинните лъчи и да създаде изображение, той използва вдлъбнато огледало вместо обективна леща, която не образува цветни ореоли. Плоско огледало отразява светлината в изпъкнала леща на окуляра, монтирана отстрани на основната тръба. Този тип инструмент е известен като Нютонов телескоп.

Микроскопи

Лупата понякога се нарича обикновен микроскоп, защото се използва за наблюдение на малки обекти.

Сложният микроскоп се състои от две изпъкнали лещи. Обективът създава увеличено изображение, което след това се увеличава отново от лещата на окуляра. Като в астрономически телескоп, това изображение е с главата надолу. Много съставни микроскопи имат набор от обективни лещи с различна степен на увеличение.

Оптичните инструменти са разкрили на човека два полярни по мащаби свята - космическият свят с огромните си размери и микроскопичният свят, обитаван от най-малките организми. ТВ предаване, показване на филм, бързо заснемане на терена и точно измерване на разстояния и скорости са възможни само чрез използването на оптични инструменти.

Най-често срещаните устройства са тези, които формират изображения. Това са телескоп и бинокъл, микроскоп и лупа, фотоапарат и диапроектор... Проекционният апарат е едно от най-характерните устройства, които формират изображение (фиг. 1). Ако прожекционен апарат е пригоден за показване на филми, той се нарича кинокамера. Ако се използва за демонстриране на диапозитиви, тогава това е шрайбпроектор. В шрайбпроектор близо до фокалната равнина на обектива се поставя прозрачна снимка - слайд D, осветен от светлината на кондензатора K, така че на екрана да се получи ясно изображение. Размерът на изображението зависи от разстоянието на проектора от екрана. При промяна на това разстояние е необходимо да се промени позицията на обектива спрямо слайда. Ако поставите осветен обект вместо екрана, той ще бъде изобразен на мястото на прозрачността. Сега, ако вместо прозрачно фолио поставите филм и премахнете кондензатора, ще получите електрическа схема на камерата.

Оптичният дизайн на човешкото око също наподобява този на фотоапарат. Окото формира изображение върху своята ретина. Размерът на изображението на обект върху ретината на окото зависи от ъгъла, под който виждаме обекта. Така ъгловият диаметър на Слънцето е 32. Този ъгъл определя размера на изображението на Слънцето върху ретината. Когато двете крайни точки на даден обект са видими под ъгъл, по-малък от 1, те се сливат на ретината и обектът изглежда на наблюдателя като точка. В този случай те казват, че разделителната способност на окото не надвишава една дъгова минута.

Телескопът позволява да се увеличи ъгълът, под който се вижда отдалечен обект. Първият телескоп е създаден в началото на 17 век. Г. Галилей. Нека опишем пътя на лъчите от далечен обект в съвременен телескоп. От крайните точки на обекта успоредни лъчи падат върху лещата и очертават контура на обекта във фокалната равнина. През окуляра изображението се гледа под ъгъл, по-голям от този, под който обектът се вижда с просто око. Ъглово увеличение на телескопа. Оптичната схема, показана на фиг. 2 е представена схема на рефрактор - телескоп с лещен обектив. Телескоп с огледална леща се нарича рефлектор или рефлекторен телескоп. Рефлекторът е построен за първи път от И. Нютон през 1668 г. (фиг. 3).

Телескоп с диаметър на обектива D позволява да се наблюдават обекти или точки върху обект, разположени на ъглово разстояние, ако приемем, че дължината на вълната на светлината, излъчвана от обекта, е микрони. Оказва се, че колкото по-голям е диаметърът на телескопа, толкова повече малки частипредметът се разпознава с негова помощ. Най-големите рефрактори имат диаметър на лещата не повече от . Технически е по-лесно да се направи огледало с голям диаметър и да се изгради рефлектор.

Най-големият в света телескоп с 1-метрово огледало е построен в Съветския съюз. Предназначен е за наблюдение на променливи галактики, пулсари, квазари и други космически обекти.

За да видите малък обект от голям ъгъл, той се приближава възможно най-близо до окото. Очната леща обаче ясно изобразява обект върху ретината, ако е поставен на не по-малко от 10 см от окото. При по-къси разстояния максималната кривина на лещата не е достатъчна за получаване на ясен образ върху ретината. Затова много малки обекти се изследват през лупа или микроскоп - устройства, които увеличават ъгъла, под който обектът се вижда.

Увеличителни очила, изобретени през 17 век. Холандският натуралист А. Льовенхук, откривателят на света на микроорганизмите, даде увеличение от 300 пъти. Дизайнът на микроскопа е подобрен през 1650 г. английският учен Р. Хук. Но до 20-те години. XIX век микроскопите не могат да се конкурират с много добри лупи. Беше постигнат напредък чрез разработването на сложни лещи, направени от много лещи. Минимални размерина обект, видим през микроскоп, се определят от зависимостта: A. Тук A е константа, равна приблизително на 1. За зелена светлина, микрони. За да се вижда обект под ъгъл G е достатъчно увеличение от 1000 пъти.

Спектралните оптични инструменти са предназначени за изследване на спектралния състав на светлината. Те играят важна роляв развитието на науката и се използват както за изследване на процеси, протичащи в микрокосмоса, така и за приложни цели. Например, с помощта на модерно спектрално оборудване е възможно да се прецени формата на атомното ядро ​​и да се извърши точен елементен анализ на веществото. Пример за спектрално устройство е спектроскоп (фиг. 4), в който спектърът на излъчване може да се наблюдава визуално. Основната част на спектроскопа е призма или дифракционна решетка. Лещата събира изследваното лъчение в процепа на колиматора - устройство, което образува светлинен лъч с ниска дивергенция - „паралелен“ лъч. Преминавайки през призма, такъв лъч се превръща в n лъча, преминаващи под различни ъгли, ако излъчването се състои от електромагнитни вълнис дължини. Лещата на екрана ще даде изображения на процепа А, които образуват спектъра. Когато е необходимо да се изследва „почти“ монохроматичното излъчване, например спектралния състав на една линия, устройство с висока разделителна способност се инсталира последователно със спектроскопично устройство с призма. Без предварително разграждане на светлинни устройства с висока резолюцияне могат да се използват, защото могат да работят само в много тесен диапазон от дължини на вълните.

Създаването на лазери отвори нови пътища в оптичните инструменти.

Съвременните лазерни жироскопи са способни да работят при високи механични претоварвания, те могат да бъдат инсталирани на ракети, Космически кораби. Създадени са лазерни магнитометри за измерване на слаби магнитни полета и инструменти за измерване на разпределението на частиците по скорост и размер. Лазерните оптични локатори се използват успешно за различни цели (фиг. 5). Високата яркост на лазерното лъчение дава възможност за предаването му на големи разстояния, а кратката продължителност на лазерния импулс осигурява изключителна точност при измерване на разстояния. Лазерният скоростомер има интересен дизайн (фиг. 6). Отразена от движеща се частица, лазерната светлина ще промени своята честота на трептене. При нормални скорости тази промяна поради ефекта на Доплер е незначителна. И все пак, поради високата стабилност на фазата и монохроматичния характер на лазерната светлина, е възможно да се измери и от измерената стойност да се определи скоростта на частица, например, движеща се в турбулентен флуиден поток (виж Турбулентност).

Физици и инженери разработват оптична изчислителна машина. Неговият проектен капацитет е повече от 1 милиард операции в секунда, т.е. десетки пъти повече от "най-бързите" компютри, съществуващи в момента. Основата на такава машина ще бъдат лазерни устройства. А паметта му ще бъде оптична, базирана на холографски запис на данни (виж Holog-raffia). Повече от 100 милиона парчета информация могат да бъдат записани върху холограма с размери 10 X 10: за такъв обем информация ще са необходими около 1 милион страници печатен текст. С помощта на холографската оптика днес се извършват сложни математически изчисления, диференциране на функции, интегрални операции, решения сложни уравнения. Оптични елементи - компонентпроекти на много устройства. По този начин контролираната оптична прозрачност прави възможно създаването на изображение, което не се възприема от окото. електромагнитно излъчване, превръщат във видима радиация.

Оптичните инструменти, базирани на оптични влакна, дават възможност за проверка вътрешни органихора и предотвратяване на сериозни заболявания.

Така че съвременните оптични инструменти са абсолютно необходими и широко използвани в много сектори на националната икономика и в научните изследвания.