Перейдем к рассмотрению оптических приборов, применяемых не в сочетании с глазом. Эти приборы обычно служат для получения изображений на каких-либо экранах. Такими экранами могут быть обычные киноэкраны, облака, фотопластинки, кинопленки и т. д.

Начнем с обычного фотоаппарата (рис. 35). Устройство фотокамеры в известном смысле сходно с устройством глаза. Основными частями является объектив, ирисовая диафрагма, затвор и кассета с фотопластинкой. Объектив аналогичен хрусталику, ирисовая диафрагма, плавно меняющая входное отверстие камеры, - зрачку, затвор - веку и фотопластинка - сетчатке глаза. Однако в отличие от хрусталика глаза объектив фотокамеры имеет постоянное фокусное расстояние.

Рис. 35, Фотоаппарат

Поэтому для получения четких изображений предметов на фотопластинке приходится изменять расстояние между объективом и фотопластинкой - фокусировать фотокамеру.

Важно отметить, что в фотоаппарате обычно получается плоское изображение объектов, имеющих три измерения.

Ясно, что одновременно нельзя получить одинаково четкие изображения предметов, находящихся на разных расстояниях от фотокамеры.

Если расстояние от фокуса объектива до фотопластинки равно и фокусное расстояние объектива то, согласно формуле (9) § 10, на фотопластинке получится четкое изображение предметов, лежащих в плоскости, находящейся на расстоянии от переднего

фокуса фотокамеры (плоскость наводки):

На рис. 36 пунктиром показан ход лучей, идущих от точки, лежащей дальше плоскости наводки. Эти лучи пересекутся, не доходя до фотопластинки, и дадут на ней изображение в виде кружка, диаметр которого будет тем больше, чем больше диаметр объектива и чем больше расстояние от точки пересечения лучей до фотопластинки.

Рис. 36. Плоскость наводки.

Из формулы (12) для продольного увеличения (§ 10) следует, что зависит от смещения предмета фокусного расстояния объектива и расстояния до предмета

Приведенная формула показывает, что смещение предмета из плоскости наводки оказывается тем меньше, чем меньше фокусное расстояние объектива и чем дальше плоскость наводки.

Чем меньше сказывается смещение предмета на резкости изображения, тем большей глубиной обладает фотокамера. Практически удается получать одновременно изображения достаточной резкости для предметов, лежащих на весьма заметно разнящихся расстояниях. При этом, согласно сказанному выше, полезно уменьшать диаметр отверстия объектива, что достигается при помощи соответствующей раздвижной диафрагмы (ирисовая диафрагма).

Предметы, находящиеся на достаточно больших расстояниях, дают изображения, лежащие практически в фокальной плоскости объектива. Так как, согласно формуле (10) § 10, величина изображения обратно пропорциональна расстоянию до предмета, то изображения в этих случаях получаются очень мелкими. Чтобы увеличить

размер изображения, надо, согласно той же формуле, увеличить фокусное расстояние объектива: величина изображения будет просто пропорциональна фокусному расстоянию объектива. Однако при увеличении фокусного расстояния в обычных объективах увеличивается расстояние между фотопластинкой и объективом, т. е. растут размеры фотокамеры и она становится громоздкой.

Это затруднение устраняется применением телеобъективов. У телеобъективов расстояние между объективом и фотопластинкой значительно меньше фокусного расстояния. На рис. 37 дана схема простого телеобъектива.

Если на объектив падает параллельный пучок, то преломленные лучи соберутся в главном фокусе Продолжив в обратном направлении преломленный луч до пересечения с падающим лучом найдем положение главной плоскости изображений (ср. с рис. 21).

Рис. 37. Телеобъектив

Мы видим, что в телеобъективе главная плоскость лежит далеко впереди самого объектива. Таким образом, действительно фокусное расстояние значительно больше расстояния от фокуса до объектива. Обычно одно расстояние больше другого раза в три.

Киносъемочный аппарат служит, как известно, для получения большого числа последовательных мгновенных фотографий (кадров) движущихся объектов. В момент фотографирования каждого кадра кинопленка должна, конечно, покоиться, а затем рывком передвигаться для фотографирования следующего кадра. Такое прерывистое движение кинопленки достигается при помощи специального механического приспособления, называемого мальтийским крестом. Число кадров, снимаемых в секунду, равно 24, что представляет мировой стандарт. Объектив киносъемочного аппарата должен периодически открываться только во время экспозиции кадра и закрываться на время передвижения кинопленки. Для этой цели служит вращающаяся заслонка, называемая обтюратором. В остальном киносъемочная камера ничем в принципе не отличается от обычного фотографического аппарата. В настоящее время получили распространение для научных исследований так называемые лупы времени - киносъемочные аппараты, делающие огромное число снимков в секунду. Снятый фильм затем демонстрируется с нормальным числом кадров в секунду. При помощи лупы времени можно исследовать весьма быстрое движение различных машин и других объектов.

Устройство для проектирования на экран - проекционный аппарат - весьма напоминает фотоаппарат.

Прозрачный рисунок - диапозитив D (рис. 38) - помещают перед осветительной линзой (конденсором) L. Изображение яркой лампы сфокусировано на объективе О, который в свою очередь установлен на таком расстоянии от диапозитива, что на экране получается резкое изображение диапозитива. Такое расположение дает наиболее выгодное использование света лампы 5, так как весь свет, падающий на конденсор участвует в образовании изображения на экране.

Рис. 38. Схема проекционного аппарата.

В кинопроекционном аппарате вместо диапозитива перемещается кинолента, так же как при съемке. Лента перемещается рывками, причем в моменты перемещения ленты объектив закрывается непрозрачным вращающимся диском. Благодаря инерционности глаза изображения последовательных снимков движущихся предметов сливаются в одно движущееся изображение.

Проекционный аппарат – оптический прибор, предназначенный для получения на экране действительного увеличенного изображения предмета. Проекционные приборы дают на экране действительное, увеличенное, перевернутое изображение картины или предмета. Г>1 F 1 F"> 1 F 1 F" title="Проекционный аппарат – оптический прибор, предназначенный для получения на экране действительного увеличенного изображения предмета. Проекционные приборы дают на экране действительное, увеличенное, перевернутое изображение картины или предмета. Г>1 F"> title="Проекционный аппарат – оптический прибор, предназначенный для получения на экране действительного увеличенного изображения предмета. Проекционные приборы дают на экране действительное, увеличенное, перевернутое изображение картины или предмета. Г>1 F">

КОНДЕНСОР Конденсор (от лат. condenso - уплотняю, сгущаю) – оптическая система, которая собирает расходящиеся лучи, испускаемые проекционной лампой, и обеспечивает равномерное освещение объекта проекции. В проекционных аппаратах встречаются конденсоры, состоящие из двух или трех линз различного диаметра и кривизны поверхности.

ОБЪЕКТИВ Проекционный объектив (от лат. objectus - предмет) – линзовая оптическая система для получения на экране увеличенного резкого изображения предмета. Основные характеристики объективов: фокусное расстояние, относительное отверстие. Объективы для проекционных аппаратов подразделяют на короткофокусные, нормальные и длиннофокусные.

Характеристики проектора Световой поток - основная характеристика проектора любого типа. Световой поток оценивает мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению и измеряется в люменах (лм). Фокусными расстояниями оптической системы проектора называют расстояния от его главных точек до соответствующих им фокусов Ограниченное определенными размерами изображение объекта на носителе информации называется кадром (от франц. cadre, буквально - рама). Ширина и высота кадрового окна проектора обозначаются соответственно a и b.

Виды проекторов Диаскопический проекционный аппарат изображения создаются при помощи лучей света, проходящих через светопроницаемый носитель с изображением. Это самый распространённый вид проекционных аппаратов. К ним относят такие приборы как: кинопроектор, диапроектор, фотоувеличитель, проекционный фонарь и др. Эпископический проекционный аппарат создаёт изображения непрозрачных предметов путём проецирования отраженных лучей света. К ним относятся эпископы, мегаскоп. Эпидиаскопический проекционный аппарат формирует на экране комбинированные изображения как прозрачных, так и непрозрачных объектов.

Кинопрое́ктор аппарат, предназначенный для проецирования кинофильмов на экран. Кинопроектор транспортирует киноленту с подающей бобины на принимающую, обеспечивая прерывистое движение её в фильмовом канале и равномерное, с помощью маховика на валу гладкого барабана в звукочитающей системе. При этом осветительно- проекционная система осуществляет проекцию изображения находящегося в кадровом окне кадра на экран и перекрытие светового потока обтюратором на время перемещения киноплёнки.

Проекционный аппарат представляет собой прибор, с помощью которого на экране получают действительное увеличенное изображение предметов. Проекционный аппарат, предназначенный для демонстрации прозрачных объектов (диапозитивов, рисунков на стекле, слайдов, фильмов) называется диаскопом (рис. 48,7). Проекционный аппарат, предназначенный для демонстрации непрозрачных объектов, называют эпископом или апипроектором (рис. 48.8).

Проекционный аппарат состоит из источника света S, конденсатора К, предназначенного для получения изображения источника

S на объективе О. Объектив О представляет собой систему линз, действующих как одна собирающая линза. Предмет D располагается вблизи фокальной плоскости объектива О. Размеры конденсатора подбираются так, чтобы весь предмет D был освещен равномерно. Этой же цели служит зеркало 3.

Фотоаппарат. Изображение И в фотоаппарате создается объективом О, который представляет собой собирающую систему линз (рис. 48.9). Изображение, как правило, получается действительным уменьшенным и перевернутым. Предмет П располагается на расстоянии, превышающем удвоенное фокусное расстояние объектива Объектив О находится у передней стенки аппарата. Изображение И проецируется на фотопластинку (пленку), расположенную у задней его стенки. Наводкой на резкость (с помощью перемещения объектива) добиваются того, чтобы расстояние до предмета П соответствовало расстоянию до изображения И. Диаметр объектива d и его фокусное расстояние f определяют величину относительного отверстия

Рис 48 9 Рис. 48 10

которая пропорциональна освещенности фотопластинки. На оправах объективов фотоаппаратов указывают их фокусные расстояния / и относительное отверстие в виде числа F. Последнее записывается в форме дроби 1/F, где F = f/d, и показывает, во сколько раз фокусное расстояние больше диаметра объектива. Чем меньше число F, тем больше светосила объектива, равная (d/f) 2 . Для регулировки светового потока, поступающего в фотоаппарат, объектив снабжают диафрагмой, диаметр которой можно изменять Кроме того,

фотоаппараты снабжаются устройствами, позволяющими изменять время экспонирования (выдержку).

Отражение света от поверхностей линз уменьшает светосилу объектива и понижает контрастность изображения. Для уменьшения отражающей способности линз используют так называемое просветление оптики - нанесение на поверхность линзы тонкой прозрачной пленки из специального материала. Обычно толщина пленки подбирается из расчета минимального отражения зеленого света. Поэтому просветленная оптика имеет сине-красный оттенок.

Глаз. Глаз является органом зрения. Он представляет собой сложную оптическую систему. Его устройство схематично показано на ряс. 48.10 Здесь С-склера (белковая оболочка глаза);

Р - прозрачная роговица, сквозь которую в глаз проникает свет;

РО - радужная оболочка с отверстием-зрачком 3; Х - хрусталик - эластичное, линзообразное тело; Ц - циллиарная мышца, изменяющая радиус кривизны поверхности хрусталика, его оптическую силу и фокусное расстояние; СТ - стекловидное тело - прозрачная студенистая жидкость, заполняющая полость глаза за хрусталиком;

СЕ - сетчатая оболочка (сетчатка) - полусфера, состоящая из светочувствительных клеток, имеющих форму колбочек и палочек; СО - сосудистая оболочка, состоящая из сложного сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз; ПК - передняя камера, заполненная ка­мерной влагой, СП - слепое пятно - место, где нет светочувствительных клеток и откуда выходит зрительный нерв ЗН; ЦЯ- центральная ямка, в которой сосредоточены колбочки. По своему устройству глаз как оптическая система имеет много общего с фотоаппаратом . Роль объектива здесь играет хрусталик вместе со средой передней камеры. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, находящихся на различных расстояниях. Здоровый глаз в спокойном состоянии дает на сетчатке отчетливое изображение очень удаленных предметов (звезд). Наименьшее расстояние, на котором такой глаз может отчетливо видеть предметы, меняется с возрастом от 10 см (до 20 лет) до 22, см (около 40 лет) или до 30 см (в пожилом возрасте).

Минимальное расстояние, на котором глаз аккомодируется без утомления, для здорового глаза составляет 25 см. Задний фокус такого

глаза в спокойном состоянии находится на сетчатке. Если фокус глаза в спокойном состоянии лежит внутри глаза перед сетчаткой, то глаз называют близоруким (рис. 48.11). Такой глаз плохо видит отдаленные предметы. Близорукость глаза исправляют с помощью рассеивающих линз. Если фокус глаза находится за сетчаткой, то такой глаз называют дальнозорким . Он плохо видит близкие предметы. Ему приходится делать усилия даже для того, чтобы видеть очень удаленные объекты. Для исправления дальнозоркости глаза пользуются собирающими линзами (рис. 48.12).

Две близкие светящиеся точки глаз воспринимает раздельно, если они видны под углом зрения не менее Г. Углом зрения называется угол, под которым виден предмет. Если G - размер предмета, а - расстояние до него, то угол зрения 8 находится по формуле

Минимальный угол зрения 6, при котором глаз способен различать две точки предмета, определяет его разрешающую способность. Разрешающая способность глаза может быть увеличена с помощью оптических приборов: лупы, микроскопа и телескопа (бинокля). Глазу присущи все виды аберраций обычных оптических систем, которые, однако, из-за его совершенства очень малы.

Глаз осуществляет цветное зрение. Согласно теории цветного зрения Юнга и Гельмгольца в глазу имеется только три типа светочувствительных приемников. На первый тип действует

только красный свет, на другой - зеленый, на третий - сине-голубой. Сложение этих трех спектрально чистых излучений в различных комбинациях с учетом их интенсивностей физиологически оказывается эквивалентным получению любого цветового ощущения. Чувствительность глаза к различным длинам волн разная. Область допустимого зрительного восприятия нормального глаза показана на рис. 48.13, где V λ - относительная световая эффективность, определяющая, во сколько раз чувствительность глаза к излучению данной длины волны меньше, чем к излучению в максимуме.

Лупа. Лупа является простейшим оптическим прибором, позволяющим увеличить разрешающую способность глаза . Лупа представляет собой короткофокусную линзу. Она помещается перед глазом, как можно ближе к нему, а рассматриваемый предмет - на расстоянии немного меньшем фокусного расстояния линзы (рис. 48.14). Глаз видит через лупу предмет под углом φ :

где h - линейные размеры предмета,/- фокусное расстояние линзы. Невооруженный глаз видит предмет под углом φ 0 :

где D - расстояние наилучшего видения (D ж 25 см). Нормальное увеличение N линзы определяется формулой

Изображение В предмета на сетчатке глаза оказывается таким, как если бы рассматривался увеличенный предмет без лупы, а не действительный предмет G (рис. 48.14). Чем меньше фокусное расстояние, тем больше увеличение лупы. Лупы с увеличением больше N = 40 не применяются. Пользоваться лупами с очень малыми фокусными расстояниями (малыми диаметрами) практически невозможно.

Микроскоп. Для получения значительных увеличении служит микроскоп . Он состоит из двух собирающих линзовых систем:

объектива с фокусным расстоянием f 1 , равным нескольким миллиметрам» и окуляра с фокусным расстоянием f 2 , равным нескольким сантиметрам. Предмет G помещается перед фокусом F 1 объектива (рис. 48.15). За объективом за фокусом F 2 окуляра на расстоянии большем 2f 1 возникает действительное увеличенное (промежуточное) изображение В". Окончательное изображение В, возникающее перед окуляром, является мнимым перевернутым и увеличенным. Общее увеличение микроскопа N складывается из увеличении объектива N1 ≈ l/f 1 окуляра N 2 = D/f 2:

где l - оптическая длина тубуса микроскопа, т. е. расстояние. Между фокальными точками

fi " и F2 (рис. 48.15), D ≈ W 25 см - расстояние наилучшего видения.

Наличие у микроскопа действительного промежуточного изображения В" позволяет измерять

размеры предмета О. Для этого в фокальную плоскость окуляра помещают шкалу, нанесенную на Прозрачную пластинку. Кроме того, можно получить проекцию изображения

В" на экран, сфотографировать и т. д.

Вследствие волновой природы света максимальное увеличение N микроскопа не может быть больше 2000

Телескопы и бинокли. Телескопы и бинокли предназначены для увеличения угла зрения при наблюдении больших очень удаленных предметов. Простейшим телескопом является подзорная труба, она состоит из двух линзовых систем - объектива и окуляра. Подзорная труба с собирающим окуляром (рис. 48.16) называется трубой Kеплеpa (1611), Труба с рассеивающим окуляром (рис. 48.17) - трубой Галилея (1609). Предмет находится на очень большом расстоянии от объектива. В трубе Кеплера за фокусом Объектива возникает промежуточное изображение В". Оно расположено на расстоянии от окуляра, меньшем его фокусного расстояния. Перед окуляром возникает увеличенное мнимое и перевернутое окончательное изображение В. Увеличение, даваемое трубой Кеплера, равно

Где f 1 - фокусное расстояние объектива, f 2 - фокусное расстояние окуляра Длина телескопа

В трубе Кеплера фокусы объектива F 1 и окуляра F 2 практически совпадают. В этом случае при рассматривании удаленного предмета из окуляра выходят пучки параллельных лучей. Это позволяет наблюдать в телескоп нормальным глазом в спокойном состоянии (без акко­модации)

В трубе Галилея между объективом и окуляром не создается промежуточное изображение. Эта труба создает мнимое, увеличенное прямое изображение В. Ее увеличение определяется формулой (48.5). В этой трубе фокусы объектива F" 1 и окуляра F 2 , практически совпадают.

Труба Галилея дает несильное увеличение удаленного предмета. Поэтому ее используют в театральных биноклях. Так как труба Кеплера дает перевернутое изображение, то в биноклях, построенных на ее основе, применяется оборачивающая система из дополнительной линзы или системы призм с полным внутренним отражением (рис. 48.18). Наличие промежуточного изображения В" в трубе Кеплера позволяет снабжать ее измерительной шкалой или фотопластинкой, помещенной в плоскость расположения Промежуточного изображения В". Поэтому труба Кеплера находят применение в астрономии. Наряду с телескопами, построенными по типу подзорных труб- рефракторов , широкое применение получили зеркальные или отражательные телескопы - рефлекторы (рис. 48.19).

Содержание. 1.Телескоп 1.Телескоп 2.Строение телескопа 2.Строение телескопа 3.Разновидности телескопов 3.Разновидности телескопов 4.Рефлекторы 4.Рефлекторы 5.Использование телескопов 5.Использование телескопов 6.Микроскоп 6.Микроскоп 7.Создание микроскопа 7.Создание микроскопа 8.Использование микроскопа 8.Использование микроскопа

Телескоп. Телескоп- астрономические оптические приборы для наблюдения небесных тел- планет, звезд, туманностей, галактик. Первые телескопические наблюдения сделал итальянский ученый Г. Галилей, когда в 1609 г. впервые применил для обозрения неба зрительную трубу. Лучший из телескопов Галилея давал увеличение в 32 раза, и этого было достаточно, чтобы увидеть горы и кратеры на Луне, открыть спутники Юпитера, разглядеть множество звезд, не видимых невооруженным глазом. Телескоп- астрономические оптические приборы для наблюдения небесных тел- планет, звезд, туманностей, галактик. Первые телескопические наблюдения сделал итальянский ученый Г. Галилей, когда в 1609 г. впервые применил для обозрения неба зрительную трубу. Лучший из телескопов Галилея давал увеличение в 32 раза, и этого было достаточно, чтобы увидеть горы и кратеры на Луне, открыть спутники Юпитера, разглядеть множество звезд, не видимых невооруженным глазом.

Строение телескопа. Конструктивно телескоп представляет собой трубу(сплошную, каркасную или ферменную), установленную на монтировке, снабженной осями для наведения телескопа на объект и слежения за ним. Принципиальная схема простейшего телескопа такова. На переднем конце зрительной трубы укреплена двояковыпуклая линза- объектив. Свет проходит через объектив и собирается в фокусе, где и получается изображение небесного тела. С помощью окуляра изображение можно рассматривать в увеличенном виде. Конструктивно телескоп представляет собой трубу(сплошную, каркасную или ферменную), установленную на монтировке, снабженной осями для наведения телескопа на объект и слежения за ним. Принципиальная схема простейшего телескопа такова. На переднем конце зрительной трубы укреплена двояковыпуклая линза- объектив. Свет проходит через объектив и собирается в фокусе, где и получается изображение небесного тела. С помощью окуляра изображение можно рассматривать в увеличенном виде.

Рефракторы. Рефракторы имеют линзовый объектив, который образует изображение наблюдаемых объектов посредством преломления лучей света. Они используются в основном для визуальных и фотографических наблюдений. Из- за трудностей изготовления крупных однородных блоков оптического стекла диаметр этих объективов не велик. Самый крупный рефрактор с диаметром объектива 0.65 м установлен на Пулковской обсерватории. Рефракторы имеют линзовый объектив, который образует изображение наблюдаемых объектов посредством преломления лучей света. Они используются в основном для визуальных и фотографических наблюдений. Из- за трудностей изготовления крупных однородных блоков оптического стекла диаметр этих объективов не велик. Самый крупный рефрактор с диаметром объектива 0.65 м установлен на Пулковской обсерватории.

Рефлекторы. Рефлекторы- телескопы с зеркальным объективом, образующим изображение путем отражения света от зеркальной поверхности. В рефлекторах большое зеркало называют главным. Отраженные от него лучи небольшим плоским зеркалом или призмой полного внутреннего отражения направляются в окуляр, находящийся сбоку от трубы. В фокальной плоскости главного зеркала могут быть помещены фотопластинки для фотографирования небесных объектов. Рефлекторы используют в основном для фотографирования неба, фотоэлектрических и спектральных исследований, реже- для визуальных наблюдений. Рефлекторы- телескопы с зеркальным объективом, образующим изображение путем отражения света от зеркальной поверхности. В рефлекторах большое зеркало называют главным. Отраженные от него лучи небольшим плоским зеркалом или призмой полного внутреннего отражения направляются в окуляр, находящийся сбоку от трубы. В фокальной плоскости главного зеркала могут быть помещены фотопластинки для фотографирования небесных объектов. Рефлекторы используют в основном для фотографирования неба, фотоэлектрических и спектральных исследований, реже- для визуальных наблюдений.

Использование телескопов. По роду использования телескопы подразделяют на астрофизические- для изучения звезд, планет, туманностей, солнечные, астрометрические; спутниковые фотокамеры- для наблюдения искусственных спутников Земли; метеорные патрули- для наблюдений метеоров; телескопы для наблюдений комет и др. По роду использования телескопы подразделяют на астрофизические- для изучения звезд, планет, туманностей, солнечные, астрометрические; спутниковые фотокамеры- для наблюдения искусственных спутников Земли; метеорные патрули- для наблюдений метеоров; телескопы для наблюдений комет и др.

Микроскоп. Микроскоп- оптический прибор, дающий сильно увеличенное изображение предметов, не видимых глазом. О назначении прибора говорит и его название, составленное из двух греческих слов: mikros- малый, маленький, skopeo- смотрю. Микроскоп- оптический прибор, дающий сильно увеличенное изображение предметов, не видимых глазом. О назначении прибора говорит и его название, составленное из двух греческих слов: mikros- малый, маленький, skopeo- смотрю.

Создание микроскопа. Имеются сведения, что около 1590 г. прибор типа микроскопа был создан в Нидерландах З. Янсеном. Более совершенный прибор, в котором можно найти черты современного микроскопа, сконструировал в 1665 г. известный английский физик Р. Гук. Рассматривая под микроскопом тонкие срезы растительных и животных тканей, он открыл клеточное строение организмов. А в гг. в Нидерландах А. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил не известный ранее людям мир микроорганизмов. Имеются сведения, что около 1590 г. прибор типа микроскопа был создан в Нидерландах З. Янсеном. Более совершенный прибор, в котором можно найти черты современного микроскопа, сконструировал в 1665 г. известный английский физик Р. Гук. Рассматривая под микроскопом тонкие срезы растительных и животных тканей, он открыл клеточное строение организмов. А в гг. в Нидерландах А. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил не известный ранее людям мир микроорганизмов.

Использование микроскопа. При использовании исследуемый предмет (препарат, образец, биологический объект) помещают на предметном столике. Над столиком располагают устройство, в котором смонтированы линзы объектива тубус- трубка с окулярами. Наблюдаемый объект освещается с помощью системы, состоящей из лампы, наклонного зеркала и линзы. Объектив собирает лучи, рассеянные предметом, и образует увеличенное изображение предмета, которое можно рассматривать с помощью окуляра. Увеличение микроскопа зависит от фокусных расстояний объектива и окуляра. Оптический микроскоп может увеличивать в 2000 раз.

Электронный микроскоп. Первый электронный микроскоп был построен в начале х гг. В отличие от оптического в электронном микроскопе вместо лучей света используют быстрые электроны, а вместо стеклянных линз- электромагнитные катушки, или электронные линзы. Источник электронов для «освещения» объекта- электронная «пушка».

Строение электронного микроскопа. Электронный микроскоп состоит из: 1- анод; 2- катод; 3- фокусирующий электрод; 4- конденсорная линза; 5- объективная линза; 6- проекционная линза; 7- промежуточное изображение. Электронный микроскоп состоит из: 1- анод; 2- катод; 3- фокусирующий электрод; 4- конденсорная линза; 5- объективная линза; 6- проекционная линза; 7- промежуточное изображение.

Фотоаппарат. Фотоаппарат представляет собой замкнутую светонепроницаемую камеру. Изображение фотографируемых предметов создается на фотопленке системой линз, которая называется объективом. Специальный затвор позволяет открывать объектив на время экспозиции. Фотоаппарат представляет собой замкнутую светонепроницаемую камеру. Изображение фотографируемых предметов создается на фотопленке системой линз, которая называется объективом. Специальный затвор позволяет открывать объектив на время экспозиции. Особенностью работы фотоаппарата является то, что на плоской фотопленке должны получаться достаточно резкими изображения предметов, находящихся на разных расстояниях. Особенностью работы фотоаппарата является то, что на плоской фотопленке должны получаться достаточно резкими изображения предметов, находящихся на разных расстояниях.

История фотографирования. Фотографирование было изобретено в начале прошлого века. В 1840 г. была впервые сфотографирована Луна, в 1842 г. – Солнце. В современной жизни, науке и технике фотография очень широко используется. Усовершенствованы фотоаппараты и способы съемки, освоено цветное фотографирование. Получают снимки молекул и атомов, планет и звезд, производят съемки под одой и из космоса. До 1959 г. человечество не знало, какой вид имеет обратная, не видимая с Земли сторона Луны. Она была впервые сфотографирована при помощи советской автоматической межпланетной станции, стартовавшей 4 октября 1959 г. В сентябре 1968 г. из космоса была сфотографирована наша планета- Земля. Фотографирование осуществлялось с помощью автоматической станции «Зонд- 5». Фотографирование было изобретено в начале прошлого века. В 1840 г. была впервые сфотографирована Луна, в 1842 г. – Солнце. В современной жизни, науке и технике фотография очень широко используется. Усовершенствованы фотоаппараты и способы съемки, освоено цветное фотографирование. Получают снимки молекул и атомов, планет и звезд, производят съемки под одой и из космоса. До 1959 г. человечество не знало, какой вид имеет обратная, не видимая с Земли сторона Луны. Она была впервые сфотографирована при помощи советской автоматической межпланетной станции, стартовавшей 4 октября 1959 г. В сентябре 1968 г. из космоса была сфотографирована наша планета- Земля. Фотографирование осуществлялось с помощью автоматической станции «Зонд- 5».

Проекционный аппарат. Проекционный аппарат предназначен для получения крупномасштабных изображений. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D) на удаленном экране Э. Система линз K, называемая конденсором, предназначена для того, чтобы сконцентрировать свет источника S на диапозитиве. На экране Э создается действительное увеличенное перевернутое изображение. Увеличение проекционного аппарата можно менять, приближая или удаляя экран Э с одновременным изменением расстояния между диапозитивом D и объективом O. Проекционный аппарат предназначен для получения крупномасштабных изображений. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D) на удаленном экране Э. Система линз K, называемая конденсором, предназначена для того, чтобы сконцентрировать свет источника S на диапозитиве. На экране Э создается действительное увеличенное перевернутое изображение. Увеличение проекционного аппарата можно менять, приближая или удаляя экран Э с одновременным изменением расстояния между диапозитивом D и объективом O.

Проекционные приборы дают на экране действительное, увеличенное изображение картины или предмета. Такое изображение может рассматриваться со сравнительно большого расстояния и благодаря этому может быть видно одновременно большому числу людей. На рис.240 изображена схема проекционного аппарата, предназначенного для демонстрации прозрачных объектов , например рисунков и фотографических изображений на стекле (диапозитивы ), фотопленке (слайды ) и т.п. Такие аппараты называются диаскопами (диа – прозрачный). Освещение объекта 1 производится ярким источником света 2 с помощью системы линз 3, называемой конденсором (рис.36). За источником устанавливается вогнутое зеркало 4, в центре которого находится источник. Это зеркало, отражая обратно в систему свет, падающий на заднюю стенку осветителя, увеличивает освещенность объекта

Рис.36. Схема диаскопа.

Объект помещается вблизи фокальной плоскости объектива 5, который дает изображение на экране 6. Для резкой наводки объектив может плавно перемещаться. Проекционные системы очень часто употребляются для демонстрации рисунков, чертежей и т.п. во время лекций (проекционный фонарь).

Киноаппарат представляет собой проекционную систему того же типа с тем усложнением, что демонстрируемые картины (кадры) очень быстро сменяют одна другую (24 кадра в секунду).

Интересна история создания киноаппарата. В 1893 г. профессор Московского университета Н.Любимов высказал механику Новороссийского (Одесского) университета Иосифу Тимченко свои соображения о необходимости скачкообразной смены фотокадров в диаскопе. Вскоре И.Тимченко сконструировал скачковый механизм - грейфер , зубец которого, попадая в отверстие перфорации пленки осуществлял прерывистую смену кадров. Этот механизм сравнительно долгие остановки зубчатого колеса ритмично чередовал с мгновенными и короткими его проворотами, сменявшими кадры фотопленки. Фильм передвигается скачками – каждый раз на один кадр. В момент передвижения фильма световой пучок перекрывается подвижной заслонкой обтюратором . На основе этого механизма И.Тимченко вместе с другим русским изобретателем, одесситом М.Фрейденбергом создал киноаппарат для съемок и демонстрации «живой фотографии». Это было в конце 1893 г., по шутке судьбы – в те самые дни, когда в Одессе демонстрировался электротахископ – громоздкое сооружение немецкого инженера О.Аншютца, где в небольшом окошечке зритель видел фотографии фаз движения, причем при смене фотографий на миг гасла лампа, освещавшая их.

Уже 9 января 1894 г. на заседании секции физики IX съезда русских естествоиспытателей и врачей в Москве аппарат И.Тимченко с механизмом прерывистого передвижения ленты и с проекцией на экран был показан зрителям, На экране они увидели скачущих кавалеристов и метателей копья. Участники съезда русские ученые-физики А.С.Столетов, П.Н.Лебедев, Н.А.Умов дали высокую оценку изобретению. Через два дня был опубликован протокол заседания, который зафиксировал «акт публичной демонстрации профессором Н.Любимовым «снаряда для анализа стробоскопических явлений, устроенного в осуществление его мечты механиком Новороссийского университета г.Тимченко. Секция отнеслась весьма сочувственно к работам г.Тимченко, его остроумию и оригинальности, засвидетельствованными профессорами Умовым и Клоссовским, и по предложению председателя профессора Пильчикова и профессора Боргмана решила выразить г.Тимченко благодарность...». Первое официальное известие о созданном И.Тимченко «снаряде для анализа «стробоскопических явлений» было опубликовано 11 января 1894 г., однако из-за недальновидности царских чиновников И.А.Тимченко не получил патент на свое изобретение.

Поэтому история принимает за дату рождения кинематографа – 28 декабря 1895 года. Именно в этот день сыновья процветающего владельца фабрики фотопластинок Луи и Огюст Люмьер, арендовав в самом фешенебельном районе Парижа подвал «Гран кафе», дали первый в мире платный публичный киносеанс (а кинематограф в Одессе существовал уже больше года! Другое дело, что владельцы фирмы фототоваров «Люмьер», имевшие представителей во всех крупных странах, сразу же взялись за энергичное продвижение своего аппарата, а гениальный механик И.Тимченко, тративший свое жалование на оборудование и станки, вынужден был брать частные заказы).

Рис. 37. Схема простейшего киноаппарата.

Свет от лампы 1 через конденсор 2 освещает проецируемый кадр на фотопленке 4. Синхронно действующие обтюратор 6, лентопротяжный механизм 5 и грейфер 4 осуществляют скачкообразное продвижение пленки, кадры которой объективом 3 проецировались на экран (рис.37).

При проецировании фильма на экране получается сильно увеличенное изображение. Так, например, при проецировании кадра кинофильма размером 18 х 24 мм на экран с размерами 3,6 х 4,8 м линейное увеличение равно 200, а площадь изображения превышает площадь кадра в 40 000 раз. Для того чтобы освещенность объекта была достаточно равномерной, важную роль играет правильный подбор конденсора Попытки «концентрации» света на объекте при- водят обычно только к тому, что конденсор дает на нем сильно уменьшенное изображение источника, и если этот последний не очень велик, то объект будет освещен крайне неравномерно. Кроме того, при этом часть светового потока пойдет мимо проекционного объектива, т.е. не будет участвовать в образовании изображения на экране. Выбор конденсора дает возможность избежать этих недостатков.

Рис.38. Освещение объекта с помощью конденсора.

Конденсор 1 устанавливается таким образом, чтобы он давал изображение 6 небольшого источника 2 на самом объективе 3 (рис.38.) Размеры конденсора выбираются с таким расчетом, чтобы весь диапозитив (кадр) 4 был равномерно освещен. Лучи, проходящие через любую точку кадра, должны затем пройти через изображение 6 источника света; следовательно, они попадут в объектив и по выходе из него образуют на экране изображение этой точки кадра. Таким образом, объектив даст на экране изображение всего объекта, которое будет правильно передавать распределение светлых и темных областей на прозрачном объекте (кадре).

С развитием механики и оптики получили распространение широкоэкранное кино (соотношение сторон кадра 16:9), широкоформатное кино (съемка производится на кинопленку шириной 70 мм, что позволяет значительно увеличить качество и размеры изображения на экране), стереокино (съемка и демонстрация производится двумя камерами, дающими изображение для рассматривания правым и левым глазом, что создает объемное впечатление, т.е стереоэффект ), панорамное кино (съемка и демонстрация производится синхронно действующими несколькими камерами, направленными на различные участки протяженного объекта, что позволяет создать на закругленном экране, изображение, рассматриваемое зрителем под широким углом поля зрения до 120 о -180 о. Созданы системы – циклорамы – создающие «круговое» изображение, охватываемое углом поля зрения 360 о.

Для демонстрации на экране непрозрачных предметов например чертежей и рисунков, выполненных на бумаге, их сильно освещают сбоку с помощью ламп и зеркал и проецируют с помощью светосильного объектива.

Рис.39. Проекционный аппарат для демонстрации непрозрачных объектов

Схема такого прибора, называемого эпископом или эпипроектором , изображена на рис.39. Источник 1 с помощью вогнутого зеркала 2 освещает объект 3, лучи от каждой точки S объекта поворачиваются плоским зеркалом 4 и направляются в объектив 5, который дает изображение на экране 6.

Часто применяют приборы, имеющие двойную систему для проецирования как прозрачных, так и непрозрачных предметов. Такие приборы называются эпидиаскопами .

15.Фотографический аппарат .

Фотоаппарат состоит из объектива 1 и корпуса 2 со светонепроницаемыми стенками, называемого камерой (рис.40). За объективом зеркальной камеры располагается откидное зеркало 4, при поднятом зеркале лучи, прошедшие сквозь объектив попадают на чувствительный к свету фотоприемник 3, при опущенном зеркале 4 изображение создается на матовом стекле 5 видоискателя. Это изображение рассматривается фотографом через увеличивающий окуляр видоискателя 6 при помощи оборачивающей призмы (пентапризмы ) 7 (см.рис.7).

Рис.40.Схема зеркального фотоаппарата.

В «классических» фотоаппаратах фотоприемником 3 является фотопленка. Под действием света в светочувствительном слое фотопленки образуется невидимое глазом скрытое изображение. Для выявления этого изображения экспонированная (освещенная) фотопленка подвергается специальной обработке.

В «цифровых» аппаратах приемником света 3 является мозаичная матрица, в ячейках которой под действием падающего света происходить накапливание электрического заряда. Количество мозаичных ячеек определяет качество получаемого изображения. В настоящее время существуют портативные цифровые аппараты с матрицами, позволяющими получить изображение, насчитывающее до 15-20 млн. пикселей.

Для того чтобы получить отчетливое изображение фотографируемого предмета на пленке наводка на резкость осуществлялась путем передвижения объектива в его тубусе, а качество «наводки на резкость» фотограф контролировал по изображению получаемому на матовом стекле видоискателя. В современных аппаратах наводка на резкость осуществляется автоматически передвижением линзы (группы линз) относительно друг друга в сложных многолинзовых объективах, а качество наводки контролируется специальными сенсорами по контрастности получаемого на фотоприемнике изображения. Такие фотоаппараты называются автофокусными .

Наиболее ответственной частью фотоаппарата является фотообъектив; им в основном определяется качество снимка и возможность снять в данных условиях тот или иной объект. Фотообъективы, сочетающие большую светосилу и большой угол зрения с высоким качеством изображен состоят обычно из нескольких линз и представляют довольно сложную конструкцию. На оправе объектива обычно гравируются характеризующие его величины, а именно, фокусное расстояние и знаменатель дроби относительного отверстия. Обычно применяемые фотообъективы имеют относительное отверстие от 1:5,6 до 1:2,8 при поле зрения 50 о –60 о, существуют и более светосильные объективы.

Существуют различные объективы, предназначенные для различных целей: макрообъективы (съемка малых объектов с расстояний порядка нескольких сантиметров); широкоугольные (поле зрения до 110 о -120 о), сверхширокоугольные («рыбий глаз » – fish eye ), обеспечивающие поле зрения 180 о и более; телеобъективы (с фокусным расстоянием до 2 м для фотосъемки удаленных предметов) и прочие.

Для того чтобы регулировать световой поток, поступающий в фотоаппарат, объектив снабжается диафрагмой, диаметр которой можно изменять и таким образом менять относительное отверстие. Необходимо заметить, что реальная светосила объективов значительно меньше той, которая получается из чисто геометрических построений. Дело в том, что не весь световой поток, падающий на систему, ходит через нее; часть света отражается, часть поглощается в системе. Доля поглощенного света обычно невелика, но отражения на поверхностях линз играют большую роль. Как мы знаем, при нормальном падении от границы стекло – воздух или воздух – стекло отражается около 4–5%% падающего света; при наклонном падении доля отраженного света несколько возрастает. Таким образом, в объективе, имеющем три-четыре линзы, т.е. шесть-восемь отражающих поверхностей, потери света достигают 30 – 40%%.

Отражение света от поверхностей линзы не только уменьшает светосилу прибора, но и приводит еще к одному неприятному явлению: отраженный свет создает световой фон, из-за которого скрадывается различие между темными и светлыми местами, т.е. понижается контраст изображения. Для уменьшения потерь на отражение разработан прием, называемый просветлением оптики . Этот прием состоит в том, что на поверхность линзы наносится тонкая прозрачная пленка из подходящего материала. Благодаря явлению интерференции доля отраженного света при правильном подборе пленки (ее толщины и показателя преломления) может 6ыть сильно уменьшена. Обычно толщина слоя выбирается из расчета минимального отражения зеленого света. Тогда для более коротких и более длинных волн отражение больше, чем для зеленого света. Если на такую поверхность падает белый свет, то отраженный свет имеет сине-красный оттенок. Оптические системы с подобными поверхностями получили название «голубой оптики ». Такая просветленная оптика имеет значительно большую реальную светосилу и дает более контрастное изображение, чем такая же оптика без просветления. В современных оптических приборах удается в известных пределах сочетать большую светосилу с хорошим качеством изображения за счет использования многолинзовых оптических систем. Такие SMC-объективы (SMC – super multi coating - сверхмногослойное покрытие) получили название «янтарной оптики».

Промежуток времени, необходимый для освещения пленки (выдержка), зависит от чувствительности пленки и от условий освещения фотографируемого предмета. Для того чтобы можно было производить съемку с очень маленькой выдержкой (сотые и тысячные доли секунды), в пленочных камерах применяется затвор – быстро движущаяся металлическая шторка 8 (см.рис.40) с регулируемой шириной щели. В цифровых камерах роль затвора выполняет импульс тока, считывающий заряд, накопленный отдельными ячейками матрицы, поэтому цифровые камеры работают практически бесшумно – в них отсутствуют шумы от перемотки пленки, спуска затвора и пр.

Во время фотосъемки мимовольное дрожание руки может вызвать размытость изображения, особенно в теле режиме или при относительно больших выдержках (десятые доли секунды). Эта проблема решается при помощи технологии оптической стабилизации изображения (рис.41).

Рис.41.Схема объектива с оптической стабилизацией изображения.

Обнаружив вибрацию камеры, встроенный гироскопический датчик 1 передает сигнал микропроцессору 2 для расчета коррекции. На основе полученных данных линейный мотор смещает корректирующую линзу 3, так, чтобы входной световой луч из объектива направлялся точно на матрицу 4. Весь процесс – от определения вибрации до коррекции положения линзы – занимает десятые доли секунды. Таким образом, можно использовать резкое изображение быстродвижущихся предметов.

Спектроскоп

Особое место среди оптических приборов занимают спектральные аппараты, с помощью которых можно исследовать спектральный состав света. Чаще всего в спектральных аппаратах используется в качестве устройства для разложения света по длинам волн призма, выполненная из материала со значительной дисперсией.

Ход лучей через призменный спектральный аппарат показан на рис.42.

Рис.42. Призменный спектроскоп.

Освещаемая светом щель S помещается в фокальной плоскости линзы L 1 , поэтому на призму падает параллельный пучок света. Призма Р раскладывает свет на составные части. Параллельные пучки, выходящие из призмы имеют для разных длин волн различное направление. Угол между направлением лучей различных длин волн определяется материалом, из которого изготовлена призма, величиной преломляющего угла α и положением призмы в параллельном пучке света, падающего на нее. Затем эти параллельные пучки света после призмы собираются линзой L 2 (коллиматором) в фокальной плоскости Э в виде спектра. Если свет, падающий на щель S представляет собой набор нескольких монохроматических пучков, то спектр имеет вид отдельных изображений щели в разных длинах волн, т.е. имеет вид отдельных узких линий, разделенных темными промежутками. Если на щель падает белый свет, то все отдельные изображения щели сливаются в цветную полосу.

Получаемую картину можно наблюдать визуально с помощью окуляра, прибор тогда называют спектроскопом , а можно регистрировать с помощью фотопластинки или фотопленки, тогда спектральный прибор называют спектрографом . Если же в фокальной плоскости линзы L 2 , установить выходную щель, с помощью которой будет выделяться узкий участок спектра, то прибор будет называться монохроматором .

В современных спектральных приборах в фокальной плоскости коллиматора устанавливается светочувствительная матрица, аналогичная используемой в цифровых фотоаппаратах, при этом расположение ячеек матрицы соответствует определенным длинам волн. Считывая сигнал с такой ячейки можно сразу определить интенсивность данной спектральной линии. Такие приборы получили название микрофотоспектрометров (МФС).

Обрабатывая полученную МФС информацию на ЭВМ, можно быстро провести атомный спектральный анализ исследуемой пробы. Качественный спектральный анализ дает ответ на вопрос: содержится ли конкретный элемент в данной пробе . Количественный спектральный анализ дает ответ на вопрос: сколько данного элемента содержится в данной пробе .