Optické přístroje úvod Rozdělení přístroje zobrazovací obraz zdánlivý subjektivní přístroje lupa mikroskop dalekohled obraz skutečný objektivní přístroje fotoaparát projekční přístroje přístroje laboratorní (slouží k měření) spektrometry, spektroskopy zkoumání rozloženého světla (vlastnosti zdroje) složení hvězd refraktometry (měření indexu lomu) interferometry (využití interference) měření vzdáleností koncentrace plynů polarizační přístroje (zkoumání vlastností látek v polarizovaném světle) koncentrace bílkovin v roztocích fotometrické přístroje (měření intenzity světla) účelem optických přístrojů je zvětšení zorného úhlu lze pak pozorovat předměty pro neozbrojené oko příliš vzdálené (dalekohled) nebo příliš malé (lupa, mikroskop) oko dokáže z konvenční zrakové vzdálenosti (d=25 cm) rozlišit dva body vzdálené 0,08 mm určete zorný úhel tomu odpovídající výsledek 1 (jsme schopni pozorovat předměty pod zorným úhlem 1 ) z této hodnoty určete, jak velký je ještě rozpoznatelný předmět vzdálený 1 km 32 cm Lupa spojka s ohniskovou vzdáleností menší než je konvenční zraková vzdálenost (f < d) jaká je tedy optická mohutnost takové lupy? větší než 4D předmět je umístěn v předmětovém ohnisku lupy, příp. ve vzdálenosti o něco menší (a f) obraz je zdánlivý, vzpřímený a zvětšený jednoduchou lupou dosáhneme zvětšení maximálně cca 6x, při větším zvětšení dochází k výrazným optickým vadám zvětšení zorného úhlu u lupy úhlové zvětšení γ = d / a d... konvenční zraková vzdálenost (25 cm) a... vzdálenost předmětu 1
příklad Při pozorování předmětu lupou byl zdánlivý obraz předmětu pětkrát větší než předmět umístěný ve vzdálenosti 4 cm před lupou. Jaká je optická mohutnost lupy a jaké je v daném případě její úhlové zvětšení? mikroskop základní části jsou objektiv (blíže k pozorovanému objektu) a okulár (blíže k oku) objektiv je spojka (z několika čoček) s malou ohniskovou vzdáleností (řádově milimetry) vytvoří zvětšený a skutečný obraz (uvnitř tubusu přístroje) tento obraz prohlížíme okulárem, který má stejnou funkci jako lupa zobrazení mikroskopem objektiv y F 1 F 2 F 2 F 1 obraz je zvětšený a převrácený y y okulár o.o. zvětšení mikroskopu optický interval je vzdálenost obrazového ohniska objektivu a předmětového ohniska okuláru F1 F 2 zvětšení mikroskopu je součin zvětšení objektivu (γ 1 ) a okuláru (γ 2 ) a platí d Z 1 2. f1 f 2 kde d je konvenční zraková vzdálenost (d= 25 cm), f 1 je ohnisko objektivu, f 2 je ohnisko okuláru příklad Ohnisková vzdálenost objektivu mikroskopu je 0,8 cm, okuláru 5 cm, vzdálenost mezi objektivem a okulárem je 21 cm. Určete zvětšení mikroskopu. 2
mikroskop v historii předchůdci mikroskopu: rok 1590 Z. Jansen, Holandsko 1610 G. Galilei mikroskop r. 1676 A. van Leewenhoek, Holandsko použití mikroskopu biologie, lékařství, mineralogie optické přístroje dosahují zvětšení max. 1000krát (při větším zvětšení bude obraz zkreslený) elektronové mikroskopy (na principu skenování povrchu svazkem elektronů) mají zvětšení až v řádu statisíců dalekohled podle konstrukce zrcadlový dalekohled = reflektor čočkový dalekohled = refraktor podle účelu: dalekohledy astronomické dalekohledy pozemní (terestrické) - včetně zaměřovacích a geodetických divadelní kukátka triedry Základní typy čočkových dalekohledů Keplerův (astronomický) dalekohled - 2 spojky, obraz je převrácený okulár objektiv F 1 = F 2 F 2 F o.o. 1 y při zaostření na nekonečno ohniska splývají Zvětšení Keplerova dalekohledu Z = f 1 :f 2, kde f 1 je ohnisková vzdálenost objektivu, f 2 je ohnisková vzdálenost okuláru Použití Keplerova dalekohledu astronomické refraktory krátký film triedry pro pozemská pozorování příklady Objektiv Keplerova dalekohledu má ohniskovou vzdálenost 1,5 m, okulár 6 cm. V jakém zorném úhlu se v něm jeví Měsíc, jestliže se bez dalekohledu jeví v zorném úhlu 0,5? Keplerův dalekohled, jehož objektiv a okulár jsou při zaostření na nekonečno od sebe vzdáleny 80 cm, zvětšuje 19krát. Určete ohniskovou vzdálenost objektivu a okuláru. 3
triedr obsahuje převracecí hranoly a obraz tedy není převrácený refraktor čočkový dalekohled hvězdárna v Nice Galileův dalekohled systém spojka + rozptylka použití: divadelní kukátko obraz je vzpřímený, nepotřebuje převracecí hranoly krátký film dalekohled v historii 1608 Hans Lippershey, Holandsko 1609 G. Galilei typ spojka + rozptylka astronomická pozorování (objev čtyř měsíců Jupitera galileovské měsíce ) viz zde 1611 J. Kepler fotoaparát 4
základní části fotoaparátu objektiv závěrka světlocitlivý materiál (film, senzor) schéma zrcadlovky objektiv -soustava spojek širokoúhlý - malá ohnisková vzdálenost teleobjektiv velké ohnisko příklad určete, jak daleko může být předmět, aby se zobrazil na celou výšku políčka filmu (24 mm), jestliže jeho výška je 5 m a ohnisko objektivu a) 28 mm (širokoúhlý) b) 50 mm (základní) c) 200 mm (teleobjektiv) 5
světelnost objektivu bezrozměrná hodnota udávající, jaký poměr světla objektiv propustí vzhledem k ideálnímu objektivu (světelnost 1) je nepřímo úměrná kvalitě objektivu např. světelnost 2 značí, že objektiv propustí ½ dopadajícího světla souvisí s pojmem clona Clona objektivu reguluje pomocí zákrytových lamel množství světla, které objektivem prochází obr. 1 clona č. 2,8 (propustí 1 / 2,8 dopadajícího světla obr. 2 clona č. 22 (propustí 1 / 22 dopadajícího světla různé příklady velikostí clony Hloubka ostrosti clona dále ovlivňuje tzv. hloubku ostrosti snímku vyšší clonové číslo znamená, že snímek bude ostrý ve větším rozsahu vzdáleností od přístroje stejný motiv s použitím nižšího (vlevo) a vyššího (vpravo) clonového čísla Závěrka zařízení, které umožňuje vstup světla na film (senzor) po přesně určenou dobu (tzv. doba expozice) u běžných digitálních fotoaparátů je závěrka elektronická data se načítají z trvale osvětleného snímače pouze po určitou dobu, u digitálních zrcadlovek (DSLR) je princip obvykle jako u klasických fotoaparátů 6
Doba expozice kratší doba expozice odpovídá menšímu množství světla, které dopadne na film (senzor) bývá nastavitelná od hodnoty cca 1/1000 s do několika sekund, nebo i libovolné doby otevření závěrky (režim B = BULB) člověk udrží v ruce zhruba čas do hodnoty 1/20 s. porovnání snímků s různou dobou expozice Osvětlení snímku je určeno dvěma parametry clonovým číslem (čím vyšší clona, tím méně světla) a dobou expozice fotograf tedy musí kombinovat tyto dvě veličiny pro správnou hodnotu osvětlení snímku (což za něj může dělat i automatika) ISO u digitálních fotoaparátů navíc přibývá možnost nastavení citlivosti filmu tzv. ISO bývá v hodnotách od 50, 100, 200, 400, 800, 1600,... vyšší citlivost vyžaduje méně světla, ale snímek má potom více šumu ukázka snímku podexponovaného (tmavého vlevo), snímku přeexponovaného (světlého vpravo) 7
chromatická aberace především focení v protisvětle Vady objektivů víceméně odpovídají vadám čoček bokeh vlastnost rozostřeného pozadí snímku podle množství lamel objektivu se např. svítící body jeví jako mnohoúhelníky počet paprsků vyfotografovaného slunce také odpovídá počtu lamel clony vinětace ztmavení snímku v rozích především širokoúhlé objektivy zkreslení obrazu především soudkovité zkreslení u extrémně širokoúhlých objektivů 8
odrazy v protisvětle vlivem odrazů uvnitř objektivu projekční přístroje dataprojektor, promítačka diapozitivů, zvětšovací přístroj totožný princip předmět čočka přístroje projekční plocha příklad určete ohniskovou vzdálenost čočky projekčního přístroje, jestliže promítaný předmět o rozměrech 8 x 8 cm se zobrazí na plátně vzdáleném 4,5 m v rozměrech 2,5 x 2,5 m 9