Оптические основы фототехники

 

 

        Пример профессиональных камер

Аппараты DCS -420  и DCS - 460 фирмы Kodak являются  идеальными для работы над каталогами, фотографиями для новостей и бизнеса.  А также для научных и мультимедиа-приложений. Некоторые компании, такие как ABC-TV, использовали их для того, чтобы делать фотографии на церемонии вручения наград Американской академии киноискусств и со спортивных состязаний Super Bowl перед тем, как поместить их в America Online.

       Каждый  DCS – фотоаппарат состоит из фотографической основы Nikon  N90 SLR, подсоединенной к оцифровывающей приставке, изготовленной фирмой Kodak. Это цифровое устройство преобразует изображение, захватываемое оптической системой Nikon , в цифровую информацию и сохраняет ее. Одним из основных преимуществ моделей серии DCS является то,

Что практически каждая использует все параметры фотоаппарата Nikon. Авто-фокус, вспышка, режим измерения расстояния и элементы управления реле времени работают точно так же, как они работали бы, если бы фотоаппарат не был подключен к оцифровывающей приставке Kodak, но фотоаппарат не может быть использован без этой приставки. Энергии одного элемента питания в обоих DCS – аппаратах хватает на “ запоминание ” до 300 изображений в памяти. Для хранения информации оба фотоаппарата могут использовать платы

PCMCIA – ATA –тот же тип плат, который используется в переносных компьютерах. Таким образом, плата на 170 Мб хранит 100 изображений в 420 модели и 30 изображений в 460. (Так как разрешение в 460 модели выше, чем в 420 , то размер файла в ней будет больше, и карта на 170 Мб внутри 460 модели может запоминать  только 30 изображений.)

       Оба фотоаппарата захватывают изображение, используя 36-битный цвет (12 бит на каждый RGB-цвет), что означает, что они обеспечивают отличную детализацию в диапазоне от самых светлых областей до самых темных.DCS 420, стоимость которого в розницу составляет менее 10 000 $, захватывает 1524 х  1012 пикселов, в то время как 460 модель, которая стоит около 30 000 $, обладает разрешением 2000 х 3000 пикселов. При разрешении 300 ppi аппарат DCS 460 обеспечивает максимальный размер изображения 8 х 13,4 дюйма, а DCS 420 – 4,5 х 6,7 дюйма.

       Использование  фотоаппарата DCS такое же простое как и работа с обычным 35-миллимитровым аппаратом. Так как N90 является полностью автоматическим, вы можете ему самому устанавливать экспозицию и фокус. Если вы снимаете в студийных условиях, то можете подключить аппарат напрямую к PC или Macintosh через SCSI-порт (пользователи PC должны приобрести SCSI-карту, чтобы осуществить подключение). Когда ваш аппарат подключен к компьютеру, вы можете предварительно просматривать изображения, которые снимаете.

       Если  вы снимаете в полевых условиях, то изображения могут быть  позднее перезагружены в ваш  компьютер по соединительному  SCSI-кабелю. Програм-мное обеспечение, которое позволяет вам предварительно просматривать и загружать изображения в ваш компьютер, - это Adobe Photoshop – совместимая plug-in-программа. Эта программа позволяет загружать изображения напрямую в большинство программных средств редактирования изображений.

 

Физические основы построения сложных оптических систем

Понятие линзы(толстой и тонкой)

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. Например:

• Плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным коэффициентом преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра
• линзы Френеля
• зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции
• «линзы» воздуха в атмосфере — неоднородность свойств, в частности, коэффициента преломления (проявляются в виде мерцания изображения звёзд в ночном небе).
• Гравитационная линза — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами.
• Магнитная линза — устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах.
• Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем.
• Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана «Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали огонь.
• Из произведений Плиния Старшего (23 — 79) следует, что такой способ разжигания огня был известен и в Римской империи — там также описан, возможно, первый случай применения линз для коррекции зрения — известно, что Нерон смотрел гладиаторские бои через вогнутый изумруд для исправления близорукости.
• Сенека (3 до н. э. — 65) описал увеличительный эффект, который даёт стеклянный шар, заполненный водой.
• Арабский математик Альхазен (965—1038) написал первый значительный трактат по оптике, описывающий, как хрусталик глаза создаёт изображение на сетчатке. Линзы получили широкое использование лишь с появлением очков примерно в 1280-х годах в Италии.

 

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. 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 (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

• Виды линз: 
  Собирающие: 
   1 — двояковыпуклая 
   2 — плоско-выпуклая 
   3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск) 
  Рассеивающие: 
   4 — двояковогнутая 
   5 — плоско-вогнутая 
   6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)

 

Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких — как правило, отрицательные мениски.

Вопреки распространённому заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами  не равно нулю, а положительна, и  зависит от показателя преломления  стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна).

Отличительным свойством собирательной линзы  является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной  точке, расположенной по другую сторону  линзы.

Основные элементы линзы: NN — оптическая ось — прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O — оптический центр — точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре). 
Примечание. Ход лучей показан, как в идеализированной (тонкой) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела сред. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы

 

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить  светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет  падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить  идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под  бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F’, а расстояние от центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как  показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.

Мнимый фокус рассеивающей линзы

 

Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем  случаям, когда изображение точки  находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом  к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в  фокусе линзы, называется фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к  предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу  могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким  образом, линза имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

Ход лучей в  тонкой линзе

Линза, для которой толщина  принята равной нулю, в оптике называется «тонкой». Для такой линзы показывают не две главных плоскости, а одну, в которой как бы сливаются вместе передняя и задняя.

Рассмотрим построение хода луча произвольного направления  в тонкой собирающей линзе. Для этого  воспользуемся двумя свойствами тонкой линзы:

• Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления;
• Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

Рассмотрим луч SA произвольного  направления, падающий на линзу в  точке A. Построим линию его распространения  после преломления в линзе. Для  этого построим луч OB, параллельный SA и проходящий через оптический центр O линзы. По первому свойству линзы  луч OB не изменит своего направления  и пересечёт фокальную плоскость  в точке B. По второму свойству линзы  параллельный ему луч SA после преломления  должен пересечь фокальную плоскость  в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу  луч SA пойдёт по пути AB.

Аналогичным образом можно  построить другие лучи, например луч SPQ.

Обозначим расстояние SO от линзы  до источника света через u, расстояние OD от линзы до точки фокусировки лучей через v, фокусное расстояние OF через f. Выведем формулу, связывающую эти величины.

Рассмотрим две пары подобных треугольников: 1) SOA и OFB; 2) DOA и DFB. Запишем  пропорции

Разделив первую пропорцию  на вторую, получим

После деления обоих частей выражения на v и перегруппировки членов, приходим к окончательной формуле

где  — фокусное расстояние тонкой линзы.

Построение изображения  тонкой собирающей линзой

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в  фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу  слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа — через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения  предметов, имеющих определённую форму  и размеры, получается следующим  образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором  расстоянии от линзы, значительно превышающем  её фокусное расстояние. От каждой точки  предмета через линзу пройдёт  бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся  в соответствующих точках схода  на A₁B₁, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым.

В данном случае изображение  получено в сопряжённом фокусе в  некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной  фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный  фокус.

Далее приведены различные  случаи построения изображений предмета, помещённого на различных расстояниях  от линзы.

 

 

Если предмет находится  на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в  заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

 

 

Если предмет приближён  к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным, перевёрнутым и уменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

 

 

Если предмет помещён  на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится  по другую сторону линзы на двойном  фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным, перевёрнутым и равным по величине предмету.