Geometrická optika. Optické přístroje a soustavy. převážně jsou založeny na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fyzikálním polem

Transkript

1 Optické přístroje a soustav Geometrická optika převážně jsou založen na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fzikálním polem Důsledkem této t to interakce je: změna fzikáln lních vlastností světeln telného pole (amplituda, fáze, f frekvence, polarizace) změna fzikáln lních vlastností látk silové působení světla na látkul

2 Optické přístroje a soustav Geometrická optika optické přístroje a soustav lze v principu dělit na: přístroje zobrazovací přístroje laboratorní (měřící) přístroje subjektivní (obraz neskutečný) brýle, mikroskop, dalekohled,.. přístroje objektivní (reálný obraz) fotografické přístroje, promítací přístroje, zvětšovací přístroje,..

3 Základní schémata optických přístrojů I zdroj světla optický sstém I předmět Podle tohoto schématu pracují: - mikroskop, dalekohled - fotografické a projekční přístroje - fotometrické a spektrální přístroje - interferometr - vibrometr, zaměřovací a pozorovací sstém - tomograf, endoskop, atd. optický sstém II detektor záření

4 Základní schémata optických přístrojů II předmět zdroj světla optický sstém detektor záření Podle tohoto schématu pracují: - radiometr - přístroje pro noční vidění atd.

5 Osvětlení v obraze bodu Geometrická optika fzikálně dokonalá optická soustava I n J τ τ ( ) τ πr λc π x + λc δ, λc δ, λc Airho disk δ δ, λc poloměr difrakčního obrazce c n sin σ k c c m A D

6 Rozlišovací mez optických soustav dva nekoherentně vzařující bod budou ještě rozlišen optickou soustavou, pokud pokud maximum obrazové plošk prvního bodu padne do prvního minima obrazové plošk druhého bodu, tj. vzdálenost maxim bude rovna poloměru Airho disku δ δ δ, λc

7 Rozlišovací mez optických soustav a) v prostoru obrazovém λm x,λc 0, 6 A λf x,λc, D c x m A 0, 6 λ A rozlišovací mez b) v prostoru předmětovém x x λ 0, 6 m A x λ ψ, D rozlišovací mez c D ψ, λ D

8 Rozlišovací mez optických soustav závislost na clonovém čísle u fzikálně dokonalé optické soustav c,8 c 8 c 6

9 Lidské oko rohovka bělima sklivec sítnice oční mok čočka duhovka oční nerv slepá skvrna oční sval

10 konvenční zraková vzdálenost L 50 mm nejvhodnější vzdálenost pro čtení a prohlížení drobných předmětů (oko je nejméně namáháno) akomodační interval oka rozsah vzdáleností, na které je oko schopno zaostřit F A F

11 Rozlišovací schopnost oka Geometrická optika obraz dvou svítících bodů na sítnici rozeznáme tehd, je-li mezi jejich rozptlovými kroužk alespoň čípek (d č 5 µm) rozlišovací schopnost se výrazně mění s pozorovacími podmínkami d ψ d č 5 µ m 7 mm 0,003 rad konvenční hodnota rozlišovací schopnosti lidského oka je ψ

12 Optické klam Geometrická optika

13 Optické klam Geometrická optika

14 Zvětšení optických přístrojů úkolem mnoha zobrazovacích optických přístrojů (mikroskop, dalekohled) je získat zvětšený obraz předmětu (zvětšení úhlu pozorování než při pozorování prostým okem) úhlové zvětšení Γ tgω tgω 0 ω 0 A příčné zvětšení m ω A A

15 Lupa Geometrická optika spojná čočka o menší ohniskové vzdálenosti než je konvenční zraková vzdálenost (L50 mm) předmět je nutno umístit mezi lupou a jejím ohniskem vtvoří se zvětšený, vzpřímený a zdánlivý obraz předmětu, který pozorujeme okem těsně za lupou A ω F A F f L 50 mm p q pozorování okem akomodovaným na konvenční zrakovou vzdálenost L ω tg ω L ω0 tg ω0 tg ω q L + p Γ (0,5 + p) ϕ tg ω 0 L

16 Lupa pozorování neakomodovaným okem umístíme-li předmět v ohnisku lup, potom uvidíme předmět pod zorným úhlem ω tg ω ω0 tg ω0 L tg ω L Γ 0, 5ϕ tg ω 0 f A ω F A F f

17 Příklad: (zvětšení lup) -určete zvětšení Γ lup z jednoduché tenké bikonvexní spojné čočk (index lomu n,5) o poloměru křivosti ploch r 50 mm - jaký b musela mít poloměr křivosti r, ab blo zvětšení desetinásobné Γ 0 ϕ ( n ) r r ( n ) r A ( n ) Γ 0,5ϕ 0,5 5 r F A F f ( n ) r 0,5 Γ 5 mm

18 Mikroskop složená optická soustava (okulár + objektiv) objektiv vtvoří se zvětšený převrácený skutečný obraz předmětu, který pozorujeme okulárem jako lupou při akomodaci na nekonečno

19 Mikroskop ω tgω ω0 tg ω0 L Γ tg ω tg ω 0 / L L L zvětšení objektivu m f optický interval f Γ zvětšení okuláru L zvětšení mikroskopu A F a F ω 0 A F ω F Γ m Γ L obraz je převrácený A

20 Příklad: (zvětšení mikroskopu) -určete zvětšení m mikroskopu, který se skládá z objektivu (f 0 mm) a okuláru (f 0 mm), jejichž vzdálenost je 60 mm -určete, v jaké vzdálenosti a před objektivem se musí nacházet předmět Γ L 00 q qq ( f ) ( ) a + q f,6 mm

21 Mikroskop Geometrická optika zvětšení je možné měnit změnou objektivu nebo optického intervalu mikroskop se zaostřuje posuvem celého tubusu

22 Objektiv charakterizovaný zvětšením pro daný optický interval ( 60 mm) m a numerickou aperturou A nsin σ k Amax 0,95 Amax,4, 6 suchý objektiv imerzní objektiv

23 Okulár spojná soustava (sběrný + oční člen), jejíž základní úlohou je zvětšit obraz vtvořený objektivem mikroskopu, popř. korigovat vad objektivu pozitivní okulár reálný obraz negativní okulár neskutečný obraz

24 Osvětlovací soustava soustava sloužící pro osvětlení pozorovaných objektů hlavní součástí je osvětlovač a kondenzor osvětlení lomem průhledné předmět osvětlení odrazem neprůhledné předmět světlé pozadí tmavé pozadí

25 Dalekohled optický přístroj pro pozorování vzdálených předmětů (okulár + objektiv) zvětšuje se jím malý zorný úhel, v němž vidíme vzdálený předmět objektivem je spojná soustava, okulár může být spojná i rozptlná soustava Γ tg ω tgω / f / a a obraz je převrácený m a + f f ω ω Γ a a + A F F A F F 0 Γ a a

26 Příklad: (zvětšení dalekohledu) -určete zvětšení Γ čočkového dalekohledu, který se skládá z objektivu okuláru (f 0 mm) a jehož délka L 30 mm (vzdálenost objektivu a okuláru) L 300 mm Γ 30

27 Dalekohled obruba dalekohledu je vstupní pupilou i clonou zorného pole výstupní pupila, která leží až za dalekohledem (tzv.oční kruh), b měla splnout se zornicí oka D D f Γ D D f e r oční kruh D D F F

28 objektiv dalekohledu Geometrická optika v praxi se užívá buďčočkových (refraktor) nebo zrcadlových objektivů (reflektor) refraktor reflektor

29 převracející soustava Geometrická optika pro převrácení obrazu (hranolové soustav, rozptlné okulár, čočkové převracející soustav) čočková soustava hranolová soustava