Прибор для увеличения изображения. Оптические приборы

Оптические приборы открыли человеку два полярных по масштабам мира - космический с его огромными протяженностями и микроско-кический, населенный мельчайшими организмами. Телевизионная передача, демонстрация кинофильма, быстрая съемка рельефа местности, точное измерение расстояний и скоростей возможны только благодаря использованию оптических приборов.

Наиболее распространены приборы, формирующие изображения. Это телескоп и бинокль, микроскоп и лупа, фотоаппарат и диапроектор... Проекционный аппарат - один из самых характерных приборов, формирующих изображение (рис. 1). Если проекционный аппарат приспособлен для показа кино, его называют киноаппаратом. Если же он используется для демонстрации диапозитивов, то это диапроектор. В диапроекторе прозрачный снимок - диапозитив Д, освещенный светом конденсора К, помещают вблизи фокальной плоскости объектива так, чтобы на экране получалось четкое изображение. Размер изображения зависит от расстояния проектора от экрана. При изменении этого расстояния необходимо менять и положение объектива относительно диапозитива. Если вместо экрана поставить освещенный предмет, то он изобразится в месте расположения диапозитива. Теперь, если вместо диапозитива поставить пленку и убрать конденсор, получается схема фотоаппарата.

Оптическая схема глаза человека также напоминает схему фотоаппарата. Глаз формирует изображение на своей сетчатке. Размеры изображения предмета на сетчатке глаза зависят оттого, под каким углом мы видим предмет. Так, угловой диаметр Солнца 32. Этим углом и определяется размер изображения Солнца на сетчатке. Когда две крайние точки предмета видны под углом, меньшим 1, они сливаются на сетчатой оболочке и предмет представляется наблюдателю точкой. В этом случае говорят, что разрешающая способность глаза не превышает одной угловой минуты.

Телескоп дает возможность увеличивать угол, под которым виден отдаленный предмет. Первый телескоп создал в начале XVII в. Г. Галилей. Опишем ход лучей от удаленного предмета в современной зрительной трубе. От крайних точек предмета на объектив падают параллельные лучи и очерчивают контур предмета в фокальной плоскости. Через окуляр изображение рассматривается под углом , большим, чем , под которым виден предмет невооруженным глазом. Угловое увеличение телескопа . Оптическая схема, приведенная на рис. 2, - это схема рефрактора - телескопа с линзовым объективом. Телескоп с зеркальным объективом называют рефлектором или отражательным телесколом. Впервые рефлектор был построен И. Ньютоном в 1668 г. (рис. 3).

Телескоп с диаметром объектива D позволяет наблюдать предметы или точки предмета, находящиеся на угловом расстоянии , если считать, что длина световой волны, испускаемой объектом, мкм. Получается, что чем больше диаметр телескопа, тем более мелкие детали объекта различимы с его помощью. У самых больших рефракторов диаметр объектива не превышает . Технически проще изготовить зеркало большого диаметра и построить рефлектор.

Самый большой в мире телескоп с -метровым зеркалом построен в Советском Союзе. Он предназначен для наблюдения переменных галактик, пульсаров, квазаров и других космических объектов.

Чтобы рассмотреть малый предмет под большим углом, его подносят как можно ближе к глазу. Однако глазной хрусталик отчетливо изображает предмет на сетчатке, если он помещен не ближе 10 см от глаза. При меньших расстояниях максимальная кривизна хрусталика оказывается недостаточной для получения четкого изображения на сетчатке. Поэтому очень малые предметы рассматривают через лупу или микроскоп - приборы, увеличивающие угол, под которым виден предмет.

Лупы, изобретенные в XVII в. нидерландским естествоиспытателем А. Левенгуком, первооткрывателем мира микроорганизмов, давали увеличение в 300 раз. Схема микроскопа была усовершенствована в 1650-х гг. английским ученым Р. Гуком. Но до 20-х гг. XIX в. микроскопы не могли конкурировать с очень хорошими лупами. Прогресс был достигнут благодаря разработке сложных объективов из многих линз. Минимальные размеры предмета, различимого в микроскоп, определяются зависимостью: А. Здесь А - постоянная, равная примерно 1. Для зеленого света мкм. Чтобы предмет был виден под углом Г, достаточно увеличение в 1000 раз.

Спектральные оптические приборы предназначены для исследования спектрального состава света. Они играют важную роль в развитии науки и применяются как для изучения процессов, протекающих в микромире, так и для прикладных целей. Например, с помощью современной спектральной аппаратуры можно судить о форме атомного ядра и производить точный элементный анализ вещества. Пример спектрального прибора - спектроскоп (рис. 4), в котором спектр излучения можно наблюдать визуально. Основная часть спектроскопа - призма или дифракционная решетка. Исследуемое излучение линза собирает на щели коллиматора - устройства, формирующего пучок света малой расходимости - «параллельный» пучок. Пройдя сквозь призму, такой пучок превращается в п пучков, идущих под разными углами, если излучение состоит из электромагнитных волн с длинами . Линза на экране даст изображений щели Л, которые и образуют спектр. Когда требуется изучить «почти» монохроматическое излучение, например спектральный состав одной линии, последовательно со спектроскопическим призменным прибором устанавливают прибор большой разрешающей силы. Без предварительного разложения света приборы высокого разрешения применять нельзя, потому что они могут работать только в очень узком диапазоне длин волн.

Создание лазеров открыло новые пути в оптическом приборостроении.

Современные лазерные гироскопы способны работать при высоких механических перегрузках, их можно устанавливать на ракетах, космических кораблях. Построены лазерные магнитометры для измерения слабых магнитных полей, приборы для измерения распределения частиц по скоростям и размерам. Успешно используются для различных целей лазерные оптические локаторы (рис. 5). Высокая яркость лазерного излучения дает возможность передавать его на большие расстояния, а малая длительность лазерного импульса обеспечивает исключительную точность измерения расстояний. Интересно устроен лазерный измеритель скоростей (рис. 6). Отраженный от движущейся частицы, лазерный свет изменит свою частоту колебаний. При обычных скоростях это изменение, обусловленное эффектом Доплера, ничтожно. И все же благодаря высокой стабильности фазы и монохроматичности лазерного света его удается измерить, а по измеренной величине определить скорость частицы, например движущейся в турбулентном потоке жидкости (см. Турбулентность).

Физики и инженеры разрабатывают оптическую вычислительную машину. Проектная мощность ее - более 1 млрд. операций в секунду, т. е. в десятки раз больше, чем у существующих ныне самых «быстрых» ЭВМ. Основой такой машины станут лазерные устройства. И память у нее будет оптической, основанной на голографической записи данных (см. Голог-рафия). На голограмме размером 10 X 10 можно записать более 100 млн. единиц информации: для подобного объема информации потребовалось бы около 1 млн. страниц печатного текста. С помощью голографической оптики выполняются сегодня сложные математические расчеты, дифференцирование функций, интегральные операции, решаются сложнейшие уравнения. Оптические элементы - составная часть конструкции многих приборов. Так, управляемые оптические транспаранты дают возможность изображение, полученное с помощью не воспринимаемого глазом электромагнитного излучения, преобразовать в видимое излучение.

Оптические приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматривать внутренние органы человека и предотвращать тяжелые заболевания.

Итак, современные оптические приборы совершенно необходимы и широко используются во многих отраслях народного хозяйства, в научных исследованиях.

Оптические приборы помогают нам исследовать окружающий мир. Телескоп позволяет обнаружить и рассмотреть очертания и детали далеких космических тел, а микроскоп раскрывает тайны нашей планеты, такие как строение живых клеток.

Наши глаза, по сути, представляют собой оптические приборы. Когда мы смотрим на предмет, линзовая система, расположенная в передней части каждого глаза, формирует его изображение на сетчатке - слое глазного дна, содержащем примерно 125 млн. светочувствительных клеток. Падающий на сетчатку свет заставляет клетки посылать в мозг электрический нервный сигнал, позволяя нам визуально воспринимать предмет.

Кроме того, глаза обладают системой регулировки яркости. При ярком освещении зрачок инстинктивно сужается, понижая яркость изображения до приемлемого уровня. При слабом освещении зрачок расширяется, увеличивая яркость изображения.

Как действует линза

Линзовая система глаза состоит из выпуклой линзы хрусталика и расположенной перед ней заполненной жидкостью искривленной оболочки, которая называется роговицей. Роговица обеспечивает четыре пятых всего процесса фокусировки. Тонкая регулировка осуществляется хрусталиком, чья кривизна поверхности изменяется расположенным вокруг него мышечным кольцом (капсулой). Когда глаз не может принять необходимую форму, обычно из-за нарушений в данных мышцах, изображения видимых предметов становятся расплывчатыми.

Наиболее распространенным недостатком зрения является невозможность сфокусировать на сетчатке изображения отдельных предметов. Если линзовая система глаза слишком сильная, другими словами, если она очень выпуклая, то удаленные предметы будут расплываться, а близкие - давать четкие изображения. Людей с таким нарушением именуют близорукими. Если выпуклость хрусталика недостаточна, то расплываться будут близкие предметы, а четкими останутся изображения удаленных предметов. Обладателей такого зрения называют дальнозоркими. Оба нарушения можно исправить, пользуясь очками или контактными линзами. Близорукие люди носят очки с вогнутыми линзами (более тонкими посередине), которые позволяют их глазам фокусироваться на удаленных предметах. Дальнозоркие люди носят очки с выпуклыми линзами (утолщенными в центре).

Увеличение

Сильные выпуклые линзы часто используются в качестве увеличительных стекол. Первые увеличивающие устройства использовались примерно 2000 лет назад. В древнегреческих и древнеримских документах описывается, как для увеличения предметов можно использовать наполненный водой круглый стеклянный сосуд. Полностью сделанные из стекла линзы появились гораздо позже и, вероятно, впервые были использованы в XI веке монахами, трудившимися над рукописями. В конце XIII века увеличительные стекла с небольшим увеличением уже использовались в очках для коррекции дальнозоркости. Но техника изготовления вогнутых линз для коррекции близорукости была изобретена только в начале XV века.

Телескопы

Когда появились увеличительные стекла, люди, естественно, попытались использовать вместо одного два таких стекла, чтобы получить еще большее увеличение. Экспериментальным путем было обнаружено, что при определенном расстоянии между линзами отдаленный объект можно увидеть со значительным увеличением. Такое расположение линз послужило основой для создания первого телескопа, который в то время назывался зрительной трубой. Изобретение этого прибора иногда приписывают жившему в XIII веке английскому философу и естествоиспытателю Роджеру Бэкону. Но, возможно, пальма первенства принадлежит арабским ученым.

Рефрактор Галилея

Зрительная труба, созданная в 1608 году голландским оптиком Хансом Липперши, привлекла внимание итальянского ученого Галилея. В течение короткого времени ученый усовершенствовал конструкцию Липперши и создал несколько труб с улучшенными характеристиками. С их помощью он совершил ряд открытий, включая горы и долины на Луне, а также четыре спутника Юпитера.

Открытия Галилея показали важность телескопа, а используемый им тип прибора получил известность как телескоп Галилея. Выпуклая линза его объектива собирала свет от наблюдаемого объекта. А вогнутая линза окуляра отклоняла световые лучи таким образом, что они создавали увеличенное прямое изображение. Линзы устанавливались в трубах, одна из которых (меньшего диаметра) скользила внутри другой. Это позволяло регулировать расстояние между линзами, получая при этом четкое изображение.

Телескоп Галилея работает с использованием принципа преломления (отклонения) света и поэтому известен также как телескоп-рефрактор. Другой вид телескопа-рефрактора характеризуется выпуклостью обеих линз. Такая конструкция создает увеличенное, но перевернутое изображение и известна как астрономический телескоп.

Рефлектор Ньютона

При использовании ранних телескопов-рефракторов возникала одна существенная проблема, которая обусловлена дефектом линз, называемым хроматической аберрацией и приводящим к появлению вокруг изображений нежелательных цветных ореолов. Для устранения этого недостатка английский ученый Исаак Ньютон в 1660-е годы сконструировал телескоп-рефлектор. Для концентрации световых лучей и создания изображения в нем вместо линзы объектива используется вогнутое зеркало, не образующее цветных ореолов. Плоское зеркало отражает свет в выпуклую линзу окуляра, установленную на главной трубе сбоку. Прибор такого типа известен как телескоп Ньютона.

Микроскопы

Увеличительное стекло иногда называют простым микроскопом, т. к. его используют при наблюдении мелких объектов.

Сложный микроскоп состоит из двух выпуклых линз. Линза объектива создает увеличенное изображение, которое затем снова увеличивается линзой окуляра. Как и в астрономическом телескопе, это изображение перевернуто. Многие сложные микроскопы имеют комплект объективных линз с различной степенью увеличения.

Полученные исследователями знания о световые явления позволили создать немало оптических приборов, которые гораздо расширяют границы возможностей человека. Вы уже знаете о простой и распространенный устройство — очки. Сегодня мы будем обсуждать принцип действия других оптических приборов.

Углом зрения называют угол, который образуют лучи, исходящие из крайних точек предмета и проходят через оптический центр глаза.

Предельный угол зрения — это наименьший угол зрения, при котором человек еще различает две точки раздельно, примерно равна 1/60 градуса.

Для увеличения угла зрения используют оптические приборы. По своему назначению оптические приборы можно разделить на две большие группы:

приборы для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп), предоставляющие возможность «увеличить» предметы наблюдения.

приборы для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп). Эти предметы «приближают» предметы наблюдения.

Перхоть — это короткофокусная уборочная линза для рассматривания мелких предметов. Ее фокусное расстояние — от 1 см до 15 см. Увеличение, которое можно получить с помощью лупы, зависит от ее оптической силы. Расчеты показывают, что это увеличение равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию перхоти. Подобно перхоти действуют и очки (короткофокусные уборочные линзы, взятые в оправу) микроскопа, телескопа, бинокля и других оптических приборов. Окуляр любого оптического прибора всегда размещают вблизи глаза.

Микроскоп используют, когда нужно рассмотреть очень мелкие предметы. Основными оптическими частями микроскопа является объектив и окуляр — две уборочные линзы, действие каждой из которых является самостоятельным. С помощью объектива создают увеличенное и действительное изображение, которое рассматривают с помощью окуляра. Микроскоп дает мнимое, обратное, увеличенное изображение малых объектов. Изображение предмета, полученное с помощью объектива и окуляра, является обратным, поэтому в зрительных трубах между объективом и окуляром размещают дополнительную линзу или оборотную призму, которая «переворачивает» изображение и делает его прямым. Микроскопы используют в науке, технике, криминалистике, медицине. Мощный объектив может давать увеличение до 100 раз, окуляр же дает увеличение не более чем в 20 раз. Итак, лучший оптический микроскоп может давать увеличение до 100.20 = 2000.

Телескоп — это прибор (зрительная труба), предназначен для наблюдения за небесными телами. Он позволяет различать близкие светящиеся точки и наблюдать очень далекие светящиеся объекты. Его, как и микроскоп, можно сделать из двух линз. Линза, приближена к глазу, — окуляр, а вторая — объектив. Назначение окуляра в телескопе и микроскопе практически одинаковое. «Роль» объектива в телескопе «противоположная» роли объектива в микроскопе. Если увеличение микроскопа возрастает с увеличением оптической силы объектива (с уменьшением фокусного расстояния), то телескоп, наоборот, «приближает» предмет тем сильнее, чем больше фокусное расстояние объектива.

Расчеты показывают, что «приближение», которое дает телескоп, равен отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Фокусное расстояние объектива телескопа может достигать десятков метров. Такие телескопы «приближают» в тысячи раз.

Фотоаппараты — это оптические приборы, в которых образуют и фиксируют на специальном элементе уменьшены действительные изображения предметов. Строение фотоаппарата подобна строения глаза. В цифровых фотоаппаратах процесс получения изображения значительно сложнее, но принципы и основы фотосъемки остаются неизменными. Принцип действия фотоаппарата применен и в кинокамеру, и в видеокамерах.

С помощью фотоаппаратов и проекторов на экране получают изображение — действительное, увеличенное, перевернутое. А чтобы герои не ходили на экране вверх ногами, пленку в киноаппарат устанавливают перевернутой.