Содержание
Введение1. Базовые оптические элементы2. Световые фильтры3. Виды фильтров4. Оптическая система – микроскоп5. Оптическая система телескоп6. Разрешение телескопов7. Искусственный глаз телескопаЗаключениеСписок использованных источников
Введение
Оптические приборы – это устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.
Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света и называется разрешающей силой. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси.
При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры. Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.
1. Базовые оптические элементы
Термин “Оптические приборы” является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны. Оптическая система – совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для определённого формирования пучков световых лучей (в классической оптике), радиоволн (в радиооптике), заряженных частиц (в электронной и ионной оптике). Вообще по своей сути, оптический прибор – это конструктивным образом оформленная для выполнения конкретной задачи оптическая система, состоящая, по крайней мере, из одного из базовых оптических элементов, исторически такими элементами являлись:
Теперь рассмотрим каждый оптический элемент или как их еще называют, оптические детали, подробней.
Линзы
Линза – деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы. Линзами также называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы.
Нужна помощь в написании?
Собирающие:1 — двояковыпуклая2 — плоско-выпуклая3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)Рассеивающие:4 — двояковогнутая5 — плоско-вогнутая6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)
. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих – линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде – двояковыпуклая рассеивающая линза. Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием. Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего – хроматической, обусловленной дисперсией света, – ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например, коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне. Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления.
Призмы
Призма – оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела – призмы, имеющий плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется. На сегодняшний день известно большое количество различных призм.
2. Отражательные призмы используют для изменения хода лучей, изменения направления оптической оси, изменения направления линии визирования, для уменьшения габаритных размеров приборов. Классифицируются отражательные призмы по нескольким признакам:
Также, особую нишу среди отражательных призм занимают составные призмы, – состоящие из нескольких частей, разделённых воздушными промежутками. Некоторые широко распространённые призмы получили собственные имена.
3. Поляризационные призмы, с их помощью получают линейно поляризованноеоптическое излучение. Обычно состоят из 2 или более трёхгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Призма Глана-Тейлора — одна из наиболее часто используемых в настоящее время призм, предназначена для преобразования излучения с произвольной поляризацией в линейно поляризованное. Конструкция была предложена Аркардом и Тейлором в 1948 году. Основные из поляризационных призм:
Зеркала
Зеркало – гладкая поверхность, предназначенная для отражения света (или другого излучения). Наиболее известный пример – плоское зеркало. Зеркала широко используются в оптических приборах – спектрофотометрах, спектрометрах в других оптических приборах. Различают несколько видов зеркал:
2. Световые фильтры
Светофильтр в оптике, технике — оптическое устройство, которое служит для подавления (выделения) части спектра электромагнитного излучения. В мире существует огромное количество всевозможных световых фильтров и каждый предназначен для своих целей, например: защитный фильтр, предназначен для предохранения передней поверхности объектива от механических воздействий. Часто в этой роли используется ультрафиолетовый фильтр.
Нейтральный фильтр, служит для снижения эффективной светосилы объектива без изменения геометрической, а также для снижения эффективной светосилы объектива, не имеющего диафрагмы.
Солнечный фильтр — чрезвычайно плотный нейтральный фильтр, позволяющий без вреда для фотографа и фотоматериала снимать солнце, ядерный взрыв и другие явления, значительно превышающие по яркости обычные предметы.
Градиентный фильтр, выравнивает яркость сцены, притемняя или меняя цвет части изображения. Обычно служит для компенсации избыточной яркости неба и для получения различных художественных эффектов. Также применяется термин «Оттенённый светофильтр».
Спектральные (цветные)
Светофильтры методов цветовоспроизведения
4. Оптическая система – микроскоп
Изучение микроскопических объектов в медицине, биологии, химии, электронике нельзя представить без такого важного предмета, как микроскоп. Этот оптический прибор дает человеку возможность исследовать процессы и явления микромира. Современный лабораторный микроскоп – это высокотехнологичное, функциональное оборудование, предназначенное для комфортной ежедневной работы специалистов.
Микроскопы могут быть оптическими, электронными, цифровыми. В лабораториях находят широкое применение все модели. А какой именно прибор нужен в работе зависит от специфики исследований. Классическая модель – оптический микроскоп. Его конструкция состоит из окуляра и объектива, которые закреплены в подвижном тубусе. Под объективом размещается предметный столик для исследуемых образцов. Оптическая система с точным механизмом настройки и осветительный модуль позволяют получить четкое изображение высокого качества. Галогеновые, ксеноновые или светодиодные лампы дают бестеневое рабочее поле, не искажая цвета. В лабораторной работе широко распространены бинокулярные микроскопы. Они передают объемное увеличенное изображение. Стереомикроскопы применяются для препарирования микроскопических объектов. Благодаря тому, что изображение не инвертируется, можно легко манипулировать инструментами. Чтобы получить многократное увеличение применяется электронный микроскоп. Он дает изображение в тысячи раз крупнее, чем обычный оптический. Это возможно благодаря специальной технологии электростатических линз.
Для обработки данных на компьютере используется цифровой микроскоп. Оптическая система цифровых микроскопов совмещена с матрицей, трансформирующей световой поток в электрические сигналы. Это дает возможность передавать данные на компьютер для дальнейшей работы. Его конструкция позволяет присоединять камеру, изображение с которой можно анализировать на экране. Цифровой прибор обладает значительно расширенными возможностями по сравнению с другими моделями.
На сегодняшний день одним из самых мощных микроскопов является “Titan”. Созданный в рамках американско-европейского проекта TEAM , получил свои первые изображения с рекордным разрешением 0,04 нанометра. Это равно четверти поперечника атома углерода. Чтобы понять, какие новый инструмент открывает возможности по изучению материалов или биологических молекул, нужно добавить, что диаметр спирали ДНК составляет целых 2 нанометра. TEAM означает Transmission Electron Aberration-corrected Microscope, то есть трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации (аберрация – отклонение от нормы). Он появился в результате смешения двух технологий: электронного микроскопа сканирующего и трансмиссионного типов (так называемая технология S/TEM). Для повышения разрешения здесь был применён ряд новаций, в частности, сразу две оригинальные системы коррекции сферической аберрации. Конечно, по техническим характеристикам на сегодняшний день лучше этого микроскопа нет. Но один из американских физиков Дэрок Истэм, считает, что возможно достигнуть в 4 раза лучший результат — 0,01 нм. Планируемый электронный микроскоп настолько мал, что соответствует в размерах кончику пальца, и в четыре раза мощнее. В его проекте используется луч меньшей энергии, эмиттер электронов расположен всего в нескольких миллиметрах от изучаемого объекта. Вместо выделения электронов с вольфрамовой нити производится бомбардировка с одного атома крошечной золотой пирамиды высотой около 100 нм. Луч будет сосредоточен, поскольку он проходит через отверстие величиной 2 мкм, расположенное в кремниевом чипе, прежде чем достигнет цели. Луч электронов в новом микроскопе Истэма имеет длину всего 10 мкм. Длина в стандартном аппарате соответствует 600 мм. Луч, создаваемый прибором Истэма, имеет в 100 раз меньшую энергию, чем обычный сканирующий электронный микроскоп. Именно сокращение расхода энергии, по мнению Истэма, является главным направлением развития сканирующих электронных микроскопов. Меньшая мощность луча также позволяет изучать тонкие структуры, разрушаемые электронными микроскопами, например, необработанные белки и ДНК. Но многие эксперты консервативны в своих ожиданиях результатов работы нового микроскопа. Признавая верность сокращения длины луча, достижение разрешения в 0,01 нм расценивается как маловероятное. При этом существует эффект колебания энергии луча, что также ограничивает разрешающую способность, и, как ожидается, этот эффект имеет место и в разработке Истэма. При всей полезности сокращения энергопотребления, по мнению специалистов, этот микроскоп имеет недостаточную глубину проникновения для создания трехмерных изображений из-за конструкции отверстия.
Ко всему выше сказанному можно добавить только одно, что и по сей день основной задачей оптических приборов, используемых в лаборатории, является – оперативность в получении точных данных, необходимых для ежедневной работы. Микроскоп, помимо своего прямого назначения, должен отвечать таким требованиям, как надежность, функциональность и простота использования. Оснащение лабораторий качественными микроскопами обеспечивает эффективность ежедневного труда.
5. Оптическая система телескоп
Основное назначение телескопов – собрать как можно больше излучения от небесного тела. Это позволяет видеть неяркие объекты. Во вторую очередь телескопы служат для рассматривания объектов под большим углом или, как говорят, для увеличения. Разрешение мелких деталей – третье предназначение телескопов. Количество собираемого ими света и доступное разрешение деталей сильно зависит от площади главной детали телескопа – его объектива. Объективы бывают зеркальными и линзовыми.
Линзы, так или иначе, всегда используются в телескопе. Но в телескопах-рефракторах линзой является главная деталь телескопа – его объектив. Вспомним, что рефракция – это преломление. Линзовый объектив преломляет лучи света, и собирает их в точке, именуемой фокусом объектива. В этой точке строится изображение объекта изучения. Чтобы его рассмотреть используют вторую линзу – окуляр. Она размещается так, чтобы фокусы окуляра и объектива совпадали. Так как зрение у людей разное, то окуляр делают подвижным, чтобы было возможно добиться четкого изображения. Мы это называем настройкой резкости. Все телескопы обладают неприятными особенностями – аберрациями. Аберрации – это искажения, которые получаются при прохождении света через оптическую систему телескопа. Главные аберрации связаны с не идеальностью объектива. Чтобы уменьшить аберрации изготавливают сложные, вовсе не двухлинзовые системы. Дополнительные части вводятся для исправления аберраций объектива. На сегодняшний день первенство среди линзовых телескопов держит телескоп, Йеркской обсерватории с объективом 102 см в диаметре.
Что касается зеркальных объективов, то у простых зеркальных телескопов, телескопов-рефлекторов, объектив – это сферическое зеркало, которое собирает световые лучи и отражает их с помощью дополнительного зеркала в сторону окуляра – линзы, в фокусе которой строится изображение. Рефлекс – это отражение
В зеркальных телескопах так же используются сложные конструкции, поверхности зеркал, отличные от сферических и прочее. Зеркальные телескопы изготавливать легче и дешевле. Именно поэтому их производство в последние десятилетия бурно развивается, в то время как новых крупных линзовых телескопов уже очень давно не делают. Самый большой зеркальный телескоп имеет сложный объектив из нескольких зеркал, эквивалентный целому зеркалу диаметром 11 метров. Самый большой монолитный зеркальный объектив имеет размер чуть больше 8-ми метров. Самым большим оптическим телескопом России является 6-ти метровый зеркальный телескоп БТА (Большой Телескоп Азимутальный). Телескоп долгое время был наикрупнейшим в мире.
Увеличение телескопа. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра. Если, скажем, фокусное расстояние объектива два метра, а окуляра – 5 см, то увеличение такого телескопа будет 40 крат. Если поменять окуляр, можно изменить и увеличение. Так астрономы и поступают, ведь не менять же, в самом деле, огромный объектив?!
Выходной зрачок. Изображение, которое строит для глаза окуляр, может в общем случае быть как больше глазного зрачка, так и меньше. Если изображение больше, то часть света в глаз не попадет, тем самым, телескоп будет использоваться не на все 100%. Это изображение называют выходным зрачком и рассчитывают по формуле: p=D:W, где p – выходной зрачок, D – диаметр объектива, а W – увеличение телескопа с данным окуляром. Если принять размер глазного зрачка равным 5 мм, то легко рассчитать минимальное увеличение, которое разумно использовать с данным объективом телескопа. Получим этот предел для объектива в 15 см: 30 крат.
6. Разрешение телескопов
В виду того что, свет – это волна, а волнам свойственно не только преломление, но и дифракция, никакой даже самый совершенный телескоп не дает изображение точечной звезды в виде точки. Идеальное изображение звезды выглядит в виде диска с несколькими концентрическими (с общим центром) кольцами, которые называют дифракционными. Размером дифракционного диска и ограничивается разрешение телескопа. Все, что закрывает собою этот диск, в данный телескоп никак не увидишь. Угловой размер дифракционного диска в секундах дуги для данного телескопа определяется из простого соотношения: r=14/D, где диаметр D объектива измеряется в сантиметрах. Упомянутый чуть выше пятнадцатисантиметровый телескоп имеет предельное разрешение чуть меньше секунды. Из формулы следует, что разрешение телескопа всецело зависит от диаметра его объектива. Вот еще одна причина строительства как можно более грандиозных телескопов.
Относительное отверстие. Отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию называется относительным отверстием. Этот параметр определяет светосилу телескопа, т. е., грубо говоря, его способность отображать объекты яркими. Объективы с относительным отверстием 1:2 – 1:6 называют светосильными. Их используют для фотографирования слабых по яркости объектов, таких, как туманности.
7. Искусственный глаз телескопа
Одной из самых ненадежных деталей телескопа всегда был глаз наблюдателя. У каждого человека – свой глаз, со своими особенностями. Один глаз видит больше, другой – меньше. Каждый глаз по-разному видит цвета. Глаз человека и его память не способны сохранить всю картину предлагаемую для созерцания телескопом. Поэтому, как только стало возможным, астрономы стали заменять глаз приборами. Если подсоединить вместо окуляра фотоаппарат, то изображение, получаемое объективом можно запечатлеть на фотопластинке или фотопленке. Фотопластинка способна накапливать световое излучение, и в этом ее неоспоримое и важное преимущество перед человеческим глазом. Фотографии с большой выдержкой способны отобразить несравненно больше, чем под силу рассмотреть человеку в тот же самый телескоп. Ну и конечно, фотография останется как документ, к которому неоднократно можно будет в последствии обратиться. Еще более современным средством являются ПЗС – камеры с полярно-зарядовой связью. Это светочувствительные микросхемы, которые подменяют собой фотопластинку и передают накапливаемую информацию на ЭВМ, после чего могут делать новый снимок. Спектры звезд и других объектов исследуются с помощью присоединенных к телескопу спектрографов и спектрометров. Ни один глаз не способен так четко различать цвета и измерять расстояния между линиями в спектре, как это с легкостью делают названные приборы, которые еще и сохранят изображение спектра и его характеристики для последующих исследований. Наконец, ни один человек не сможет посмотреть одним глазом в два телескопа одновременно. Современные системы из двух и более телескопов, объединенных одной ЭВМ и разнесенных, порой на расстояния в десятки метров, позволяют добиться потрясающе высоких разрешений. Такие системы называют интерферометрами.
Заключение
В настоящее время ни один оптический прибор не обходится без базовых элементов, таких как: линза, призма, зеркало, светофильтр. Все даже самые сложные приборы содержат эти элементарные составляющие, какова бы не была концепция прибора. Наш современный мир не мыслится без оптических приборов, потому как самые невероятные открытия человечества, как раз таки сделаны при помощи них. Например, без микроскопа ученые бы никогда не узнали о том, что все вещества в мире состоят из элементарных, малых частиц. Так же, никогда бы не был открыт микромир и все его обитатели, будь то какие-нибудь бактерии или вирусы! Без микроскопа никогда бы не произошел научный «бум» в медицине и не были бы открыты многие имеющиеся на сегодняшний день медикаменты. Если задуматься, то без созданного когда, то людьми телескопа мир до сих пор бы опирался на неправильные гипотезы о существовании нашей планеты, галактики, и все возможных небесных тел. Без телескопа мы бы никогда не узнали, что это наша планета крутится вокруг солнца, а не оно вокруг нас. На мой взгляд, о бессмысленности и бесполезности оптических приборов, даже не стоит и думать!
Список использованных источников
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 19702. Ефремов А.А. и др. Сборка оптических приборов. М., 19783. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 19804. Кулагин С.В. Основы конструирования оптических приборов. Л., 19825. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л., 19826. Чикин А. А. «Отражательные телескопы», Петроград, 1915.7. Дагаев М. М., Чаругин В. М. «АСТРОФИЗИКА: книга для чтения по астрономии», издательство «Просвещение», 1988.
nauchniestati.ru
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.
www.ronl.ru
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.
www.ronl.ru
1. Оптические приборы: общая характеристикаОптические приборы - устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета .Разрешающая сила.Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси. Теоретический предел разрешения двух соседних изображаемых точек определяется как равенство расстояния между их центрами радиусу первого темного кольца их дифракционной картины.Увеличение.Если предмет длиной H перпендикулярен оптической оси системы, а длина его изображения H΄, то увеличение m определяется по формуле m = H΄/H. Увеличение зависит от фокусных расстояний и взаимного расположения линз; для выражения этой зависимости существуют соответствующие формулы. Важной характеристикой приборов для визуального наблюдения является видимое увеличение М. Оно определяется из отношения размеров изображений предмета, которые образуются на сетчатке глаза при непосредственном наблюдении предмета и рассматривании его через прибор. Обычно видимое увеличение М выражают отношением M = tgb /tga, где a – угол, под которым наблюдатель видит предмет невооруженным глазом, а b – угол, под которым глаз наблюдателя видит предмет через прибор.При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры.
refbox.org
2. МикроскопыЕсли рассматривать через положительную (собирающую) линзу предмет, расположенный за линзой не дальше ее фокальной точки, то видно увеличенное мнимое изображение предмета. Такая линза представляет собой простейший микроскоп и называется лупой или увеличительным стеклом. Из схемы рис. 1 можно определить размер увеличенного изображения. Когда глаз настроен на параллельный пучок света (изображение предмета находится на неопределенно большом расстоянии, а это означает, что предмет расположен в фокальной плоскости линзы), видимое увеличение M можно определить из соотношения (рис. 1):M = tgb /tga = (H/f)/(H/v) = v/f,где f – фокусное расстояние линзы, v – расстояние наилучшего зрения, т.е. наименьшее расстояние, на котором глаз хорошо видит при нормальной аккомодации. M увеличивается на единицу, когда глаз настраивается так, что мнимое изображение предмета оказывается на расстоянии наилучшего зрения. Способности к аккомодации у всех людей разные, с возрастом они ухудшаются; принято считать 25 см расстоянием наилучшего зрения нормального глаза. В поле зрения одиночной положительной линзы при удалении от ее оси резкость изображения быстро ухудшается из-за поперечных аберраций. Хотя и бывают лупы с увеличением в 20 крат, типичная их кратность от 5 до 10. Увеличение сложного микроскопа, именуемого обычно просто микроскопом, доходит до 2000 крат .
3. ТелескопыТелескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопа входят две положительные линзы (рис. 2). Лучи от удаленного предмета, параллельные оси телескопа (лучи a и c на рис. 2), собираются в заднем фокусе первой линзы (объектива). Вторая линза (окуляр) удалена от фокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновь параллельно оси системы. Некоторый луч b, исходящий не из тех точек предмета, откуда пришли лучи a и c, падает под углом a к оси телескопа, проходит через передний фокус объектива и после него идет параллельно оси системы. Окуляр направляет его в свой задний фокус под углом b. Поскольку расстояние от переднего фокуса объектива до глаза наблюдателя пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до предмета, то из схемы рис. 2 можно получить выражение для видимого увеличения M телескопа :M = –tgb /tga = –F/f ΄ (или F/f).Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто. В астрономических телескопах оно таким и остается; в телескопах для наблюдений за наземными объектами применяют оборачивающую систему, чтобы рассматривать нормальные, а не перевернутые изображения. В оборачивающую систему могут входить дополнительные линзы или, как в биноклях, призмы.
4. БиноклиБинокулярный телескоп, обычно именуемый биноклем, представляет собой компактный прибор для наблюдений обоими глазами одновременно; его увеличение, как правило, от 6 до 10 крат . В биноклях используют пару оборачивающих систем (чаще всего – Порро), в каждую из которых входят две прямоугольные призмы (с основанием под 45°), ориентированные навстречу прямоугольными гранями. Чтобы получить большое увеличение в широком поле зрения, свободном от аберраций объектива, и, следовательно, значительный угол обзора (6–9°), биноклю необходим очень качественный окуляр, более совершенный, чем телескопу с узким углом зрения. В окуляре бинокля предусмотрена фокусировка изображения, причем с коррекцией зрения, – его шкала размечена в диоптриях. Кроме того, в бинокле положение окуляра подстраивается под расстояние между глазами наблюдателя. Обычно бинокли маркируются в соответствии с их увеличением (в кратах) и диаметром объектива (в миллиметрах), например,8ґ40 или 7ґ50.
refbox.org
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.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciencetechnics.com/
Дата добавления: 30.06.2011
www.km.ru
9. Спектральные приборы.Основным элементом спектрального прибора может быть дисперсионная призма либо дифракционная решетка. В таком приборе свет сначала коллимируется, т.е. формируется в пучок параллельных лучей, затем разлагается в спектр, и, наконец, изображение входной щели прибора фокусируется на его выходную щель по каждой длине волны спектра.Спектрометр.В этом более или менее универсальном лабораторном приборе коллимирующая и фокусирующая системы могут поворачиваться относительно центра столика, на котором расположен элемент, разлагающий свет в спектр. На приборе имеются шкалы для отсчетов углов поворота, например дисперсионной призмы, и углов отклонения после нее разных цветовых составляющих спектра. По результатам таких отсчетов измеряются, например, показатели преломления прозрачных твердых тел .Спектрограф.Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210–800 нм), стекла (360–2500 нм) или каменной соли (2500–16000 нм) . В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области.
ЗаключениеИтак, оптическими приборами называются устройства, предназначенные для получения на экранах, светочувствительных пластинках, фотопленках и в глазу изображений различных объектов. Обычно оптические приборы дают плоское (двумерное) изображение трехмерных пространственных объектов. Оптическими приборами например являются: фотоаппарат и проекционный аппарат, глаз, очки, лупа и микроскоп, зрительные трубы (включая телескопы).
Литература1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 2010 2. Ефремов А.А. и др. Сборка оптических приборов. М., 2008 3. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 1990 4. Кулагин С.В. Основы конструирования оптических приборов. СПб., 2002 5. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. СПб., 2002
refbox.org
