И светотехника 2 страница

-угол, под которым рассматривается изображение предмета через прибор.

-угол, под которым рассматривается предмет невооружённым глазом.

III.Основные соотношения между положениями и размерами предметов и изображений.

1. Формула Ньютона: z z’ = f f’, при n=n’: z z’ = -f’

2. Формула отрезков (формула Гаусса) при n=n’:

3. Для линейного увеличения:

IV. Формулы для расчета хода лучей

В системе из нескольких (k) компонентов при n’=n=1

-формула углов

-формула высот

Тема 7. Детали оптических систем.

В оптических приборах используют различные детали: линзы, зеркала, призмы, плоскопараллельные пластины (защитные стёкла, светофильтры и др.), клинья, световоды, оптические растры и др.

По форме линзы и зеркала бывают со сферическими и асферическими поверхностями (параболоидные, гиперболоидные и эллипсоидные), а при отсутствии круговой симметрии - цилиндрическими и даже тороидальными (используются в офтальмологии). По оптическому действию они бывают положительными (собирающими) и отрицательными (рассеивающими).

Расчётные формулы для линзы, находящейся в воздухе (n=n’=1)

Ф – оптическая сила линзы

f’ – фокусное расстояние

вершинные фокусные расстояния

Плоские зеркала используют для изменения направления оптической оси, а их комбинации - для оборачивания изображения.

Сферические и несферические вогнутые зеркала действуют как собирающая оптическая система, а выпуклые - как рассеивающая. Металлические сферические зеркала успешно применяют в качестве контротражателей осветительных систем проекционных приборов. Зеркала позволяют уменьшить габариты и массу системы, у них больший коэффициент отражения, отсутствует дисперсия, однако недостатками зеркал являются требования повышенной точности изготовления отражающей поверхности и точности установки.
Плоскопараллельные пластиныСветоводы и волоконная оптика

(защитные стекла, светофильтры, сетки)

Осевое смещение ,

вносимое пластиной

при установке в

сходящемся (или

расходящемся)

пучке лучей:

Линзы Френеля – имеют ступенчатый профиль поверхности (для уменьшения сферической аберрации) и используются чаще всего в осветительных системах.

Отражательные призмы

По решаемым задачам аналогичны плоским зеркалам

Прямоугольная призма Пента-призма

Тема 8. Ограничение пучков лучей в оптических системах.

Освещённость оптического изображения.

Ограничение пучков лучей в оптических системах осуществляется оправами оптических деталей и специально установленными диафрагмами. Ограничение пучков лучей влияет на: 1)освещенность изображения; 2)распределение освещенности по полю; 3)размер углового или линейного поля в границах удовлетворительного качества; 4)разрешающую способность; 5)контраст изображения и др.

Диафрагмы
Апертурная (АД)	Полевая (ПД)	Виньетирующая (ВД)
Ограничивает пучок лучей, входящих в оптическую систему из осевой точки предмета и определяет прежде всего освещенность изображения - это либо оправа первого компонента, либо специальная диафрагма внутри системы.	Ограничивает размер линейного поля в пространстве изображений - устанавливается в плоскости изображения (например, кадровое окно в фото-или киносъемочном аппарате).	Вносит срезание крайних лучей наклонных пучков, выходящих из внеосевых точек предмета - это может быть любая диафрагма, но не АД и не ПД.

Входным зрачком называется изображение АД в пространстве предметов, т.е. через ту часть оптической системы, которая стоит перед АД.

Выходным зрачком называется изображение АД в пространстве изображений, т.е. через ту часть оптической системы, которая стоит за АД.

Виньетирование - это срезание наклонных пучков лучей, выходящих из внеосевой точки предмета.

Оптическая система без виньетирования

Оптическая система при наличии виньотирования

 

Коэффициент виньетирования

1. Освещенность в центре:

a) для съёмочного объектива:

б) для проекционного объектива:

2. Освещенность на краю:

-действующяя площадь входного зрачка

- полная площадь входного зрачка

- апертурный угол в пространстве изображений;

2ω (2 ω’) - угловое поле в пространстве предметов (изображений);

2y (2y’) - линейное поле;

- числовая апертура;

- относительное отверстие;

- диафрагменное число;

- эффективное относительное отверстие.

Стандартный ряд :

1:1; 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8;

1:11; 1:16; 1:22; 1:32

Тема 9. Аберрации оптических систем.

Аберрации - это неустранимые погрешности оптического изображения, которые возникают в любой оптической системе и снижают его качество. Разность координат точек изображения, даваемых реальной и идеальной оптическими системами называют геометрическими аберрациями. Они определяют геометрические размеры пятна рассеяния лучей света на плоскости изображения и определяются в системах среднего качества. Отступление реальной волновой поверхности от сферы сравнения называется волновой аберрацией. Она определяет распределение освещённости в пределах этого пятна рассеяния и оценивается в системах с высоким качеством изображения (дифракционно ограниченных). Если система работает в условиях изменения температуры (астро- и аэрофотографические объективы), то необходимо учитывать термооптические аберрации.

Геометрические аберрации

монохроматические хроматические

III порядка: высших I порядка высших

порядков порядков

1) сферическая абер.~

2) кома ~ 1) хроматизм положения

3) астигматизм ~ 2) вторичный спектр

4) кривизна изобр. 3) хроматизм увеличения

5) дисторсия ~

- суммы Зейделя

1. Сферическая аберрация - это нарушение гомоцентричности широкого пучка лучей, выходящих из осевой точки предмета. - поперечная сферическая аберрация - продольная сферическая аберрация

2. Кома - это нарушение гомоцентричности широкого пучка лучей, выходящих из внеосевой точки предмета.

3,4. Астигматизм и кривизна поверхности изображения - это нарушение гомоцентричности узкого пучка лучей, выходящих из внеосевой точки предмета. Вид изображения точки:    

5. Дисторсия - это нарушение геометрического подобия изображения и предмета.

6. Хроматизм положения

Процесс устранения аберраций называется корригированием оптической системы. Полностью устранить аберрации невозможно. Их уменьшают до такой степени, чтобы глаз или какой-либо другой приёмник излучения вследствие ограниченности своей разрешающей способности практически не воспринимал аберраций. Уменьшение аберраций осуществляется за счёт изменения радиусов кривизны и толщин линз, воздушных промежутков, показателей преломления и дисперсии материалов, деформации поверхностей.

Тема 10. Оценка качества оптического изображения.

На качество изображения влияют: 1) дифракция; 2) степень коррекции аберрации; 3) точность изготовления деталей и юстировки схемы; 5) контраст изображения. Поэтому ни реальная (кроме плоского зеркала), ни идеальная оптическая система не изображает точку в виде точки, а изображает в виде пятна рассеяния, геометрические размеры которого и распределение освещённости в нём и определяют качество изображения.

Правильный выбор критерия

должен учитывать задачу, для решения которой формируется изображение.

Разрешающая способность - это способность оптической системы давать раздельное изображение двух близко расположенных точек или линий. Разрешающую способность выражают: а) числом N[мм ] разрешаемых точек или линий на отрезке длиной 1 мм (для фото- и кинообъективов); б)наименьшим разрешаемым расстоянием δ’[мм] или линейным пределом разрешения (для микрообъективов); в) наименьшим разрешаемым углом ψ[минуты] или угловым пределом разрешения (для визуальных систем). Их взаимосвязь: [мм ]

Дифракционный предел разрешения установлен Рэлеем (1879г.) для идеальной оптической системы:

Два дифракционных пятна, соответствующих изображениям двух точек, разрешаются глазом, если центральный максимум распределения освещённости в изображении одной точки совпадает с первым минимумом распределения освещённости в изображении другой.

Более полное представление о качестве изображения даёт оптическая передаточная функция (ОПФ) и, в частности, - функция передачи модуляции (ФПМ).

С точки зрения процесса образования изображения, освещённость в каждой точке плоскости изображения можно рассматривать как результат суммирования освещённостей элементарных изображений от различных точек объекта и это описывается математической операцией свёртки: , где L - функ­ция распределения яркости на предмете; A’ - функция рассеяния линии (ФРЛ) или точки (ФРТ). Рассматривая оптическую систему как фильтр низких пространственных частот и используя математический аппарат Фурье, можно упростить анализ формирования изображения, если использовать в качестве предмета синусоидальную миру.

Предмет: Изображение

K(K’) -контрастность предмета

(изображения)

ОПФ: Ã(N) (преобразование Фурье ФРЛ):     - это график зависимости коэффициента TN передачи модуляции от N (N - пространственная частота)

Тема 11. Оптические системы приборов

и их технические характеристики.

Технические характеристики основных типов оптических систем приборов.

Регистрирующие	Визуальные
Объектив(съёмочный)	Проекционная система	Микроскоп(лупа)	Телескопические системы
Предмет Изображение F’ 1. - заднее фокусное расстояние 2. - относительное отверстие - диафрагменное число 3. 2ω - угловое поле 4. N(ф) или N - разрешающая способность (фотогр. или визуальная) 5. ФПМ - функция передачи модуляции 6. -распределение освещённости по полю 7. τ - коэффициент пропускания 8. - спектральный коэффициент пропускания 9. Светорассеяние 10. Цветность	Предмет -a Изображение a’   1. β - линейное увеличение 2. - распределение освещённости по полю   3. 2y(2y’) - размеры предмета (экрана)   Примечание Для кинопроекционного объектива характеристики те же, что и для съёмочного, но N - визуальная разрешающая способность	Предмет -a Изображение   1. - видимое увеличение 2. 2y - линейное поле в пространстве предметов 3. D’ - диаметр выходного зрачка	Предмет Изображение   1. - видимое увеличение 2. 2ω - угловое поле 3. D’ - диаметр выходного зрачка 4. ψ - угловой предел разрешения 5. l - длина системы

Тема 12. Глаз как оптическая система

1 –склера; 8-хрусталик;

2 –сосудистая оболочка; 9 –передняя камера;

3 –желтое пятно; 10 –роговица;

4 –слепое пятно; 11 –мышцы цилиарного тела;

5 –зрительный нерв; 12 –задняя камера, заполненная телом;

6 –сетчатка (ретина); 13 –зрительная ось;

7 –радужная оболочка; 14 –оптическая ось.

Оптическую систему глаза можно представить как комбинацию из двух линз: роговицы 10 и хрусталика 8, разделенных полостью передней камеры 9, заполненной водянистой средой (влагой). Передняя поверхность роговицы граничит с воздухом, между хрусталиком и сетчаткой 6 находится стекловидное тело 12. Через зрачок – отверстие в радужной оболочке 7 – свет проникает в глаз. Оптическая система глаза образует на желтом пятне 3 сетчатки действительные изображения объекта наблюдения, которые воспринимаются светочувствительными элементами (колбочками и палочками), расположенными на сетчатке.

Основными свойствами глаза являются:

аккомодация – способность глаза приспосабливаться к четкому наблюдению разноудаленных предметов за счет изменения кривизны поверхностей хрусталика под действием мышц 11цилиарного тела; объем аккомодации глаза около 11 диоптрий;

адаптация – способность глаза реагировать на очень большой перепад яркостей от 10 ^-7до 10 ⁵ кд/м ; различают световую () и темновую () адаптацию;

световая чувствительность характеризуется наименьшим световым потоком 2*10 ^-14 лм, способным вызывать зрительное ощущение или пороговой освещенностью зрачка Е _зр 10^-9лк; слепящая яркость наблюдаемого поля составляет около кд/м ;

спектральная чувствительность – глаз воспринимает цвета в диапазоне длин волн 380-770 нм и это характеризуется графиком относительной спектральной световой эффективности с максимумом при нм;

контрастная чувствительность – способность глаза к различению предметов и деталей предметов по их яркостному или цветовому контрасту , где - пороговая разность яркости; наивысшая контрастная чувствительность имеет место при интервале яркостей 80-320 кд/м ;

восприятие мельканий и их слияние – способность глаза к восприятию прерывисто светящегося объекта как светящегося непрерывно с постоянной яркостью при критической частоте мельканий равной 48-50 Гц играет большую роль при кинопроекции;

стереоскопическое зрение (или бинокулярное) – позволяет получать объемное восприятие пространства, построенное на разности монокулярных изображений, наблюдаемых правым и левым глазами наблюдателя.

Основные характеристики глаза

Фокусное расстояние, мм: переднее -17,055

заднее 22,785

Оптическая сила глаза, дптр 58,64

Увеличение в зрачках 0,909

Расстояние наилучшего зрения, мм 250

Поле зрения одного глаза, град: по горизонтали 150

по вертикали 125

Область резкого изображения (в пределах желтого пятна) 6

Разрешающая способность глаза (при освещенности 50 лк и нм)

Недостатки глаза и их коррекция

близорукость:

(миопия)

дальнозоркость:

(гиперметропия)

Тема 13. Лупа и микроскоп. Телескопические системы.

Лупой называется оптическая система, состоящая из одной или нескольких линз, предназначенная для рассматривания глазом близко расположенных предметов.

Видимое увеличение лупы:

Микроскоп -это сложная лупа; он состоит из объектива и окуляра и также служит для наблюдения за близко расположенными предметами.

Объектив Окуляр

Для упрощения схемы входной зрачок расположен в передней главной плоскости объектива.

Виньетирование отсутствует.

∆ - Оптический интервал (расстояние между F’об и Fок)..

Видимое увеличение:

Полезное увеличение: , где - числовая апертура

Наименьшее разрешаемое расстояние:

Телескопические системы (афокальные) -это такие системы, которые служат для рассматривания глазом далеко расположенных предметов.

Видимое увеличение: ; ; длина системы Диаметры: ; при виньетировании 50% ;

Местоположение выходного зрачка:

Система Кеплера (изображение обратное) Система Галилея (изображение прямое)

Объектив Окуляр

Достоинства
Наличие промежуточного изображения позволяет сделать систему измерительной; большое увеличение и угловое поле; возможность избежать виньетирования.	Прямое изображение (система наблюдательная); большая светосила; малая длина.
Недостатки
Большая длина; малая светосила; необходимость применения дополнительных оборачивающих систем.	Малое увеличение () и угловое поле (); виньетирование на краю; не может быть измерительной.

Дата добавления: 2014-11-26