Оптические приборы

Лупа – простейший прибор для наблюдения мелких деталей предмета, которые нельзя разглядеть невооруженным глазом. При наблюдении с помощью лупы предмет помещают между лупой и фокусом вблизи ее переднего фокуса. Изображение предмета при этом получается прямое, увеличенное, мнимое, расположенное на бесконечности или на расстоянии наилучшего зрения. Основная характеристика лупы – ее видимое увеличение Г по сравнению со случаем наблюдения невооруженным глазом.

Рис. 21.1. а) Ход лучей в лупе. б) Наблюдение предмета невооруженным глазом.

Видимым увеличением лупы называют отношение тангенса угла w`, под которым видно изображение предмета через лупу к тангенсу угла w, под которым тот же предмет виден глазом на расстоянии наилучшего зрения.

Из рассмотрения треугольников на рис. 21.1а и б для увеличения лупы можно получить формулу:

(21.1)

(tg w`= -y`/L`; y`=- yz`/f`; z` = L` + z`_гл.; L = 250 мм)

В приведенной формуле длины всех отрезков, как это принято в технике, измеряют в миллиметрах. Если глаз расположен в фокусе F¢, (z_гл = 0) то формула (21.1) упрощается: Г = 250/f¢. Эту величину называют окулярным увеличением.

Из формулы (21.1) следует, что при удалении глаза от лупы увеличение возрастает. Однако при этом сужается поле зрения наблюдателя. Кроме того, при этом трудно зафиксировать лупу рукой относительно предмета. Поэтому профессионалы, работающие с лупой (часовщики, ювелиры…), закрепляют ее с помощью специальной оправки на глазу, а предмет размещают на столе на подставке.

Рис. 21.2. Типы луп. а) простая линза. б) окуляр Рамсдена, в) окуляр Кельнера.

Для небольших увеличений, не превышающих 5^х, в качестве лупы применяют простую линзу (рис.21.2а). Лупы среднего и большого увеличения состоят из нескольких склеенных или расположенных отдельно линз. В тех случаях, когда необходимо иметь большее расстояние между лупой и предметом, применяют телескопические лупы или телелупы, которые состоят из положительной и отрицательной линз, раздвинутых на расстояние d (рис.21.2 в).

Телескопические системы – оптические системы, предназначенные для наблюдения удаленных предметов.

К телескопическим системам относят: астрономические телескопы, геодезические приборы (теодолит, нивелир), наблюдательные приборы (бинокли, перископы, дальномеры).

Принцип действия телескопической системы состоит в увеличении угла, под которым наблюдаются две точки удаленного предмета. Телескоп состоит как минимум из двух компонентов: объектива и окуляра. Причем задний фокус объектива совмещен с передним фокусом окуляра. Фокусное расстояние объектива больше, чем у окуляра. Глаз наблюдателя видит в телескоп предмет под большим углом зрения, чем в случае невооруженного глаза.

Рис. 20.3. Принцип действия телескопической системы. Угол w¢ > w. Отношение тангенсов этих углов относится как Г = f₁/f₂.

Рис. 20.4. Эквивалентная система из двух тонких линз на расстоянии d друг от друга.

Фокусное расстояние и оптическая сила системы из двух тонких линз, находящихся на расстоянии d друг от друга определяются формулами:

. (20.1)

Когда линзы находятся вплотную друг к другу d = 0, их оптические силы складываются. В случае d = f₁¢ + f₂¢ фокусное расстояние системы становится равным бесконечности (оптическая сила равна нулю). Такую систему называют телескопической или афокальной.

Рис.20.5. Из подобия треугольников, образованных крайними лучами и главными плоскостями линз, следует пропорциональность между фокусными расстояниями объектива и окуляра и шириной пучков на входе и выходе телескопа.

Промежуточное изображение удаленного предмета образуется в плоскости, находящейся в общей фокальной точке объектива и окуляра телескопа. Его размер определяется выражением:

y¢ = - f_об¢ tgw.

Если смотреть со стороны окуляра этот же размер определяется выражением:

y¢ = f_ок¢ tgw¢.

Приравнивая эти соотношения получаем выражение для углового увеличения телескопа:

. (20.2)

Знак минус в формуле (20.2) означает, что телескопическая система образует перевернутое изображение предмета.

Рис. 20.5. Оптическая схема зрительной трубы Кеплера с окуляром Кельнера.

Рис. 20.6. Оптическая схема трубы Галилея.

В оптической трубе Галилея в качестве окуляра используется отрицательная линза. Поэтому она дает прямое изображение предмета. Трубу Галилея используют в театральных биноклях и визирах фотоаппаратов.

В астрономических трубах или телескопах в качестве объектива обычно используют вогнутое зеркало. Такой телескоп называют рефлектором в отличие от телескопа с линзовым объективом - рефрактором.

Оптический телескоп - один из наиболее почтенных научных инструментов, в течение нескольких веков использовался астрономами для исследования звезд и планет. Последние годы произошла революция в строительстве больших телескопов. Появились телескопы с большими зеркалами (диаметром ~10 м), системы регистрации оснащаются современными многоэлементными кристаллическими фотодетекторами, и компьютерной обработкой изображений.

Наблюдая удаленные объекты, свет от которых идет миллиарды лет, астрономы с ничтожной по космическим масштабам продолжительностью жизни уподобляются богам – они получат возможность заглянуть в давно прошедшие времена и исследовать эволюцию звезд и других космических объектов, происходящую на протяжении миллиардов лет. Возраст Вселенной, то есть время, прошедшее после Большого Взрыва - около 13,7 миллиардов лет. Светящиеся объекты, находящиеся так далеко пока разглядеть не удается. Решение этой проблемы - принципиальная задача науки.

Более чем три столетия астрономы раздражены влиянием земной атмосферы. Этот слой газов ухудшает различимость объектов, которые астрономы могли бы видеть при его отсутствии. Атмосферные искажения для большинства мест на Земле приводят к тому, что телескопы не могут достичь теоретического предела разрешения используемой оптики. В попытках обойти это влияние атмосферы астрономы ставят телескопы высоко в горах, чтобы находиться как можно выше ее турбулентностей.

После ускорителей частиц большие телескопы - наиболее дорогостоящие научные установки. Их стоимость составляет 10 …100 миллионов долларов. Крупнейшие телескопы находятся на Гавайских островах и в горах Анд, где установлены телескопы с зеркалом до 10 м в диаметре.

Поверхность главного зеркала большого телескопа должна полироваться с точностью в десятые и сотые доли длины волны. Американское космическое агентство запустило космический телескоп Хаббл с зеркалом диаметром 2.2 метра, с помощью которого получают наиболее качественные изображения космических объектов.

Рис. 20.7. Фотография Марса, полученная с помощью космического телескопа.

Рис. 20.8. Фотографии галактики - огромной звездной системы, содержащей миллиарды звезд, полученные в разных спектральных областях регистрации. Телескоп Хаббла позволяет разрешить звездную структуру удаленных галактик, не разрешаемую наземными телескопами из-за атмосферных искажений.

Почему продолжают строить наземные большие телескопы? По трем соображениям: во-первых большие телескопы могут собрать больше света, следовательно, они позволяют увидеть слабо светящиеся объекты; во-вторых - это дешевле, чем запускать телескоп в космос; в третьих адаптивная оптика обещает скомпенсировать атмосферную турбулентность и реализовать на больших телескопах их полное разрешение. Новый класс 8 и 10 метровых телескопов, которые в настоящее время сооружаются, предусматривают возможность использования адаптивной оптики.

В обсерватории ЛаСилла, расположенной в высокогорной пустыне в горах Анд в Чили, установлен телескоп с зеркалом диаметром 8,2 м. На этом телескопе в качестве фотоприемника наряду с матрицей, работающей в видимом диапазоне спектра, может быть установлена полупроводниковая матрица 1024 х 1024 элементов из HgCdTe, позволяющая получать изображения в инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне с длинами волн от 1 до 2,5 микрометров. Качество ИК изображения приближается к качеству изображения в видимом диапазоне спектра. Для таких наблюдений в инфракрасном диапазоне оптика и детектор должны быть охлаждены до температуры минус 200 градусов С.

При наблюдении через интерференционные светофильтры могут регистрироваться спектральные линии атомарного водорода и 1,644 и 2,12 мкм - линии молекулярного водорода. Такие измерения позволят судить о степени ионизации космического газа и строении удаленных галактик и туманностей.

Для наблюдения удаленных слабых объектов с компенсацией турбулентности атмосферы астрономам необходимо делать исправления изображения со скоростями до 100 Гц. Такие работы ведутся немецкими учеными в обсерватории Кала-Альто на Канарских островах. Вычисления искажений волнового фронта выполняются на на нескольких суперкомпьютерах - рабочих станциях Unix.

Конструкция всех больших астрономических телескопов основана на использовании в качестве объектива большого зеркала. Один из примеров показан на рис. 20.9.

Рис. 20.9. Оптическая схема телескопа системы Кассегрена. Выпуклое гиперболическое зеркало s располагается на главной оптической оси главного зеркала S. Фокус гиперболической поверхности совпадает с фокусом главного зеркала. Лучи выходят из системы через отверстие в центре главного зеркала и попадают в окуляр и на матрицу фотоприемников.

Наиболее дорогостоящий элемент астрономического телескопа – главное зеркало. Стоимость современного большого телескопа – сотни миллионов долларов. Современные оптические технологии позволяют изготавливать огромные зеркала с асферической формой поверхности, обеспечивающей исправление аберраций. Кроме того, форма поверхности зеркала может подстраиваться. Зеркало устанавливают на множестве подпорок, причем усилие, приложенное к зеркалу каждой из них, может регулироваться с помощью автоматической системы. Управление механическими напряжениями, создаваемыми в зеркале подпорками, осуществляется компьютером. Оптимизация поверхности зеркала осуществляется по качеству изображению звезды.

Рис. 20.10. Крупнейший телескоп (Very Large Telescope, VLT) Европейской южной обсерватории, расположенный на горе Параналь на севере Чили состоит из 4 телескопов, каждый из которых содержит зеркало диаметром 8 м. Один из этих телескопов снабжен системой адаптивной оптики, компенсирующей атмосферные искажения (2002 г.).

Рис. 20.11. Картина центра нашей Галактики, полученная в инфракрасном диапазоне (l = 3,7 мкм). Картина имеет размеры 3,2 световых года. В видимом диапазоне центр Галактики не виден из-за поглощения пылевого облака, окружающего центр Галактики.

10-летние исследования, завершенные к 2003 г., показали, что в центре нашей Галактики находится гигантская «черная дыра», масса которой соответствует массе 4 миллионов Солнечных масс. Аналогичная ситуация существует для большинства галактик. Для открытия «черной дыры» требуется максимальное разрешение самых больших телескопов.

Черная дыра - массивное тело, для которого первая космическая скорость превышает скорость света. - радиус черной дыры.

Сложные телескопические системы: бинокль, артиллерийская панорама, перископ.

Рис. 20.10. Оптическая схема бинокля.

Призменный бинокль состоит из двух одинаковых зрительных труб. Оптическая схема каждой трубы содержит ахроматический объектив 1, призменную систему, переворачивающую изображение 2 (систему Порро первого рода) и окуляр 4. Прямоугольные призмы оборачивающей системы установлены так, что ребра их прямых углов взаимно перпендикулярны. Такая призменная система обеспечивает оборачивание изображения и не изменяет направления визирной линии. В фокальной плоскости объектива за оборачивающими призмами получается прямое изображение предметов, рассматриваемых через окуляр Кельнера. В правой трубке бинокля помещена измерительная сетка 3 с делениями.

В наиболее распространенном шестикратном бинокле объектив имеет фокусное расстояние 120 мм, а окуляр – 20 мм. Расстояние между осями зрительных труб В = 96 мм, что увеличивает радиус стереоскопического зрения глаза человека в 9 раз, до ~ 10 км.

Рис. 20.11. Оптическая схема артиллерийской панорамы.

Артиллерийская панорама – оптическая труба, которая при неподвижном окуляре обеспечивает круговой обзор местности. Такая труба является артиллерийским прицелом. Для осуществления кругового обзора верхняя призма 1 вращается вокруг вертикальной оси. За призмой 1 по ходу луча установлена призма Дове 2, которая также вращается в два раза медленнее призмы 1 и обеспечивает сохранение ориентации положения местности, наблюдаемой в окуляр 6. За объективом 3 установлена прямоугольная призма 4, которая в комбинации с призмой Дове оборачивает изображение, создаваемое объективом. В передней фокальной плоскости окуляра помещена угломерная сетка 5 с перекрестьем.

Круговой обзор в артиллерийском прицеле необходим для обеспечения стрельбы с закрытой огневой позиции, когда наведение орудия на цель производится по реперной точке, находящейся сзади орудия.

Рис. 20.12. Оптическая схема перископа.

Перископом называют зрительную трубу, предназначенную для наблюдения из укрытия или на подводной лодке из под воды.

Перископичность L_n обеспечивается тем, что между оборачивающими линзами 4 и 5 проходят параллельные лучи. Поэтому расстояние L_n можно изменять в широких пределах не нарушая телескопичности системы.

Объектив 2 и окуляр 8 с угломерной сеткой 7 аналогичны тем, что используют в других системах наблюдения.

Оптическая проекционная система используется при демонстрации на экране слайдов, кинофильмов, а также в мультимедийных компьютерных проекторах. Наиболее распространены диаскопические системы, которые проектируют на экран изображение прозрачного диапозитива или жидкокристаллического транспаранта, управляемого компьютером, в проходящем свете. В эпископической проекции на экране изображают отраженные непрозрачным предметом лучи.

Рис. 20.13. Оптическая схема диапроекционной системы. 1 – источник света, проекционная электрическая лампа, 2 - конденсор, 3 - диапозитив, 4 - объектив, 5 – экран.

Лекция 21. Оптические приборы (продолжение)

Микроскоп – прибор для рассматривания мелких предметов, не различимых глазом.

В микроскопии рассматриваемые предметы называют препаратами или объектами. Оптическая система микроскопа состоит из двух компонентов: объектива и окуляра. Для освещения препарата применяют специальную осветительную систему. Наводку на резкость осуществляют перемещением столика с препаратом с помощью микрометрических винтов.

Рис. 21.3. Ход лучей в микроскопе. Объектив и окуляр условно изображены в виде одиночных тонких линз.

Предмет АВ находится перед объективом на расстоянии, несколько превышающем его фокусное расстояние. Объектив образует действительное увеличенное перевернутое изображение А¢В¢ вблизи передней фокальной плоскости окуляра. Это промежуточное изображение является предметом для окуляра, который работает как лупа и дает увеличенное изображение предмета в бесконечности или на расстоянии наилучшего видения. В передней фокальной плоскости окуляра может быть расположена сетка или шкала, которая рассматривается одновременно с предметом и позволяет оценить его размеры. Микроскоп, в отличие от лупы, дает перевернутое изображение.

Рис. 21.4. Эквивалентная оптическая схема микроскопа.

D - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра называют длиной тубуса микроскопа. В СССР стандартизованы две длины тубуса: 160 и 190 мм. Стандартизация длины тубуса позволяет легко осуществлять смену объектива и окуляра для получения оптимального для наблюдения объекта увеличения.

Увеличение микроскопа:

(21.2)

Использование стандартной длины тубуса позволяет указывать непосредственно на оправе объектива и окуляра их увеличения Г_об и Г_ок. Общее увеличение микроскопа Г = Г_окГ_об.

Работа с микроскопом требует высокой квалификации, особенно при наблюдении биологических объектов.

Дата добавления: 2014-01-13