Объектив из двух линз и диафрагмы: Фотографический объектив, в котором устранена сферическая аберрация, но не устранен астигматизм, 7 (семь) букв

Микроскоп

Категория: Анатомия растений

Микроскоп

Микроскоп представляет собой оптико-механический прибор, позволяющий получать сильно увеличенное изображение рассматриваемого предмета, размеры которого лежат далеко за пределами разрешающей способности невооруженного глаза. Человек с нормальным зрением различает две точки как две или две линии как две, а не одну, лишь в том случае, если расстояние между ними не менее 0,1 мм, т. е. 100 мкм. Таким образом, разрешающая способность глаза невелика. При работе с лучшими оптическими приборами расстояние между двумя точками или линиями, на котором они не кажутся слившимися, сокращается до десятых долей микрометра. Иными словами, разрешающая способность световых микроскопов в 300—400 раз выше разрешающей способности невооруженного глаза.

Полезное увеличение современных оптических микроскопов достигает 1400 раз, выявляя при этом мельчайшие детали строения изучаемого объекта. Пользуясь различными методами (например, проекцией на экран), можно получить и значительно большие увеличения — в десятки тысяч раз, но никаких новых подробностей при этом наблюдать не удается.

Наоборот, многие мелкие детали утрачивают четкость. Это так называемое бесполезное увеличение.

В микроскопе (рис. 1) различают оптическую и механическую системы.

Оптическая система состоит из трех частей: осветительного аппарата, объектива и окуляра. Между объективом и окуляром расположена труба, или тубус. Все эти части строго центрированы и вмонтированы в штатив, представляющий собой механическую систему микроскопа. Штатив состоит из массивного основания, имеющего у большинства микроскопов подковообразную форму, предметного столика, дуги, или тубусодержателя, и подающих механизмов, передвигающих тубус в вертикальном направлении.

Осветительный аппарат представлен конденсором с ирисовой диафрагмой и зеркалом. Конденсор располагается в кольце под столиком микроскопа. Он состоит из двух или трех линз, вставленных в цилиндрическую оправу. Конденсор служит для наилучшего освещения изучаемого препарата. Фронтальная линза конденсора может быть установлена вровень со столиком микроскопа или несколько ниже его.

В нижней части конденсора находится ирисовая диафрагма. Она представляет собой систему многочисленных тонких пластинок («лепестков»), подвижно укрепленных в круглой оправе. С помощью небольшого рычажка можно изменять размеры отверстия диафрагмы, которое всегда сохраняет центральное положение. Этим регулируется диаметр пучка света, идущего от зеркала в конденсор. Под диафрагмой укреплено кольцо, в которое вставляется светофильтр обычно из матового стекла.

Под конденсором находится подвижно соединенная со штативом микроскопа вилка с зеркалом, одна сторона которого плоская, другая— вогнутая. Назначение зеркала— направлять лучи от источника света в конденсор. Это достигается сочетанием движений зеркала и вилки, которые можно вращать во взаимно перпендикулярных направлениях.

Пройдя через конденсор и преломившись в его линзах, лучи, идущие от источника света, освещают препалежащий на столике микроскопа, проходят сквозь пего и далее в виде расходящегося пучка входят в объектив.

Рис. 1. Рабочий биологический микроскоп МБР-1: 1 — основание, 2 — коробка с микромеханизмом, 3 — тубусодержатель, 4 — предметный столик с клеммами, 5 — конденсор с диафрагмой, 6 — зеркало, 7 — револьвер с объективами, 8 — труба (тубус) с окуляром, 9 — винт грубой наводки (макрометренный), 10 — винт точной фокусировки (микро-метренный)

Частично закрывая нижнюю линзу конденсора, диафрагма задерживает боковые лучи, благодаря чему получается более резкое изображение объекта.

Плоская сторона зеркала употребляется при работе с объективами с большими увеличениями (60Х, 90Х), которые дают малые поля зрения и всегда требуют применения конденсора. Вогнутой стороной зеркала пользуются в тех случаях, когда работают с объективами, имеющими увеличения 8Х, 10Х, 20Х, 40Х.

Объектив представляет собой наиболее важную часть оптической системы. Он состоит из нескольких линз, вправленных в металлическую гильзу. Объективы с большими увеличениями включают 8—10 линз и более. Объектив дает изображение объекта с обратным расположением частей. При этом он выявляет («разрешает») структуры, недоступные невооруженному глазу, с большими или меньшими подробностями в зависимости от качества объектива. Изображение строится объективом в плоскости диафрагмы окуляра, расположенного в верхней части трубы (тубуса) микроскопа. Оптические свойства объектива зависят от его устройства и качества линз.

Наиболее сильные объективы дают на практических занятиях

Большое значение при работе с микроскопом имеет рабочее расстояние объектива, т. е. расстояние от нижней (фронтальной) линзы объектива до объекта (до верхней поверхности предметного стекла). У объективов с 8-кратным увеличением это расстояние равно 9,2 мм; с 40-кратным — 0,6 мм. Поэтому желательно пользоваться покровными стеклами, толщина которых меньше рабочего расстояния. Нормальная толщина покровного стекла 0,17—0,18 мм.

Окуляр построен значительно проще объектива. Некоторые окуляры состоят лишь из двух линз и диафрагмы, вставленных в цилиндрическую оправу. Верхняя (окулярная) линза служит для наблюдения, нижняя («коллектив») играет вспомогательную роль, фокусируя изображение, построенное объективом. Диафрагма окуляра определяет границы поля зрения.

Труба, или тубус, представляет собой полый цилиндр. На ее нижнем конце укреплен так называемый револьвер — вращающийся диск с гнездами, имеющими нарезку для ввинчивания объективов. Ход винтовой нарезки гнезд револьвера и объективов стандартизован, поэтому объективы подходят к микроскопам разных моделей.

Микроскоп сконструирован так, что препарат располагается между главным фокусом объектива и его двойным фокусным расстоянием. В трубе микроскопа, в плоскости диафрагмы окуляра, находящейся между главным фокусом и оптическим центром верхней линзы окуляра, объектив строит действительное увеличенное обратное изображение предмета. Действуя как лупа, верхняя линза или система линз окуляра дает мнимое прямое увеличенное изображение. Таким образом, изображение, которое получается с помощью микроскопа, оказывается дважды увеличенным и обратным по отношению к изучаемому предмету (рис. 2). Общее увеличение микроскопа при нормальной (160 мм) длине трубы равно увеличению объектива, умноженному на увеличение окуляра.

То что наблюдатель имеет дело с мнимым, а не действительным изображением, существенного значения не имеет. Это изображение можно не только видеть, но также измерить, зарисовать и сфотографировать. Некоторое неудобство возникает из-за того, что изображение обратное, а не прямое. Поэтому, если нужно рассмотреть левую часть лежащего под микроскопом препарата, его приходится передвигать вправо, и наоборот.

Круглый или квадратный предметный столик имеет в центре отверстие, в которое входит верхняя часть конденсора. У микроскопа МБР-1 круглый столик состоит из двух частей: нижней, неподвижно соединенной с основанием, и верхней, которую можно передвигать на ограниченное расстояние вперед, назад, вправо и влево. Для этого служат два винта, расположенные по бокам столика. С их помощью можно центрировать столик по отношению к оптическим системам и слегка передвигать препарат, что важно при работе с большими увеличениями.

Препарат закрепляют двумя пружинящими клеммами, вставленными в отверстия столика. У некоторых соременных микроскопов, предназначенных для тонких сследований, столики снабжены препаратоводителями. микроскопов, служащих для учебных целей, их нет.

Рис. 2. Схема хода лучей в микроскопе: О — объект, О1 — объектив, О2 — окуляр, F — главный фокус объектива, Fi — главный фокус окуляра, F1 — обратное действительное изображение объекта, О’ — прямое мнимое изображение, образуемое окуляром

Дуга, или тубусодержатель, подвижно соединена со штативом. С помощью подающих механизмов ее можно передвигать по вертикали для наведения на фокус. У большинства современных микроскопов эти механизмы (винты) укреплены в основании штатива.

У микроскопов с вертикальной трубой дуга сочленена с основанием при помощи шарнира, позволяющего ставить трубу в наклонное положение. У таких микроскопов предметный столик соединен с дугой и меняет положение при наклоне трубы. Подающие механизмы в этих моделях (М-9, М-10) размещены в верхней части дуги. У моделей МБР-1, МБИ-3, МБИ-4 столик неподвижно соединен с основанием микроскопа (см. рис. 1), труба установлена под некоторым углом по отношению к столику; в нижней части трубы имеется призменное устройство, меняющее ход лучей, идущих от объектива.

Грубая фокусировка осуществляется с помощью мак-рометренного винта (кремальеры), состоящего из вращаемого зубчатого колеса, входящего в пазы рейки с гребенчатой нарезкой. У микроскопа М-10 эта рейка скреплена с трубой, поэтому труба может передвигаться в вертикальном направлении, а дуга остается неподвижной. У микроскопа МБР-1 зубчатая рейка кремальеры, соединенная с основанием микроскопа, неподвижна, а вращающаяся ось с зубчатой нарезкой, расположенная в нижней части дуги, передвигается вместе с дугой. Тонкая фокусировка осуществляется микрометренным винтом, который построен по принципу взаимодействующих шестерен разного диаметра, подобно имеющимся в часовом механизме. Это дает возможность опускать или поднимать трубу на расстояния, измеряемые микрометрами. На барабане микрометренного винта нанесены деления. Передвижение на одно деление соответствует подъему или опусканию трубы на 2 мкм. При полном обороте винта труба передвигается на 100 мкм.

Механизмы макрометренной и особенно микрометрен-ной подачи изготовляются очень точно и требуют осторожного обращения. Вращать винты следует плавно, без рывков и применения силы.

Работа с микроскопом
1. Работать с микроскопом следует всегда сидя. Высота табурета или стула должна быть такой, чтобы наблюдатель, сидя прямо, вплотную к столу, мог бы работать без напряжения.
2. С правой стороны от наблюдателя на свободном участке стола должны находиться необходимые инструменты (препаровальные иглы, бритва), предметные и покровные стекла, капельницы с реактивами, альбом для зарисовок.
3. Микроскоп устанавливают прямо перед собой и во время работы не сдвигают. Зеркало микроскопа должно быть направлено к источнику света.
4. Начиная работу, прежде всего нужно добиться равномерного освещения поля зрения. Для освещения можно использовать естественный рассеянный свет (не прямой солнечный) или искусственный— от электрической лампы, лучше молочной или матовой. Лучшее освещение дают специальные осветители (ОИ-7, ОИ-19, ОИ- 9М и др.).

Для правильного освещения следует:
а) установить фронтальную линзу конденсора на уровне столика микроскопа;
б) отодвинуть кольцо со светофильтром, находящееся под конденсором;
в) полностью открыть диафрагму;
г) установить объектив малого увеличения так, чтобы расстояние между ним и столиком микроскопа не превышало 1 см;
д) глядя в окуляр, движениями зеркала и вилки, в которой оно укреплено, направить свет так, чтобы прошедший через объектив расходящийся пучок лучей полностью и равномерно освещал поле зрения;
е) при работе с электрической лампой с прозрачным баллоном для равномерного освещения необходимо поставить на место матовый светофильтр.
5. Положить препарат на столик микроскопа и движением кремальеры установить трубу с объективом малого увеличения так, чтобы изображение объекта было хорошо видно. Смотреть в микроскоп рекомендуется левым глазом, не закрывая правый.
6. Прежде чем перейти к работе с большим увеличением, необходимо поставить объект или интересующую часть объекта в центр поля зрения, так как при большом увеличении размер поля зрения сильно сокращается. После этого следует сменить объектив. Для этого, не поднимая трубы, повертывают револьвер до тех пор, пока объектив большого увеличения не будет установлен строго вертикально относительно столика. О правильной установке объектива судят по легкому щелчку. После смены объектива в микроскопе обычно видно неясное изображение объекта. При отсутствии изображения осторожным движением кремальеры сначала нужно слегка поднять, а затем, если окажется необходимым, опустить тубус микроскопа. Появившееся неясное изображение фокусируют микрометренным винтом, который можно повертывать не более чем на V2 или 3/4 полного оборота. Резкость изображения регулируют с помощью диафрагмы.
7. По окончании работы микроскоп снова переводят на малое увеличение и только после этого снимают препарат с предметного столика.

Уход за микроскопом

При работе с микроскопом необходимо соблюдать следующие правила:
1. Переносить микроскоп с места хранения на рабочий стол нужно двумя руками: одной рукой берут микроскоп за изгиб дуги, а другой — поддерживают основание. Это особенно важно при работе с микроскопами, имеющими наклонный тубус (МБР-1, МБИ-3), у которых подающие механизмы расположены в нижней части штатива и передвигают трубу вместе с дугой.
2. В случае каких-либо затруднений при обращении с револьвером и другими частями микроскопа не следует применять силу. Необходимо выяснить причины этих затруднений и устранить их с помощью преподавателя или квалифицированного мастера.
3. Особенно тщательно нужно следить за чистотой оптической системы микроскопа (осветительного аппарата, объективов, окуляров), предохранять их от механических повреждений (ударов, царапин), соприкосновения с жидкостями, особенно химически активными (кислоты, щелочи, различные растворители), применяемыми в качестве реактивов и сред для приготовления препаратов.

Совершенно недопустимо протирание линз пальцами, бумагой и т. п., так как оптическое стекло можно легко поцарапать. Даже небольшие царапины сильно снижают качества микроскопа.

По окончании работы протирают линзы и столик поставив объектив малого увеличения, убирают микроскоп в футляр или шкаф. Микроскоп можно оставить и на столе, обязательно накрыв его чехлом.

Анатомия растений — Микроскоп

А. Волгин. «Все об объективах»

А. Волгин. «Все об объективах» Человек с фотоаппаратом А. ВОЛГИН.

      В простейшем случае объектив представляет собой собирательную линзу, которая строит изображение на поверхности пленки. Поверхность эта обычно плоская, но у некоторых камер, например панорамных, она может быть изогнутой.

   Изобретение линз уходит в глубь тысячелетий.Археологи находят их в довольно неожиданных местах, вроде стоянок доисторического человека. Это естественные линзы из грубо обломанных кусочков горного хрусталя, которые, по-видимому, применяли для добывания огня с помощью солнечных лучей.

   В первом фотоаппарате — камере-обскуре — линзы не было. Объективом служило небольшое отверстие, через которое свет падал на стенку, образуя на ней изображение. Оно было очень тусклым, оправдывая название камеры: обскура по-латыни означает «темная». Подобный «объектив» — стеноп — применяется и сегодня. Используют его при съемке архитектуры, чтобы получить естественную перспективу, и при портретной съемке для создания «романтических» портретов.

   Процесс изготовления линз в больших количествах связан с изобретением очков и развитием астрономических приборов и микроскопов. Уже во времена Галлилея выпускались весьма совершенные и по современным понятиям линзы. Ими стали оснащать камеры-обскуры, которые иногда начали называть люцинами (светлыми).

   В 1840 году венский оптик Йозеф Петцваль рассчитал портретный объектив, который не уступает современным. Чтобы произвести расчеты, ему потребовалось привлечь к работе курсантов военного училища. Сегодня подобные расчеты выполняет компьютер.

   При конструировании объектива приходится производить весьма трудоемкий расчет прохождения лучей света через линзы объектива. В объективе их может быть больше десятка, причем изготовленных из разных сортов стекла и других материалов. Делать это приходится, чтобы улучшить качество изображения. Расчетным путем подбираются форма поверхности линз, их число, расстояние между ними, сорт стекла.

   В дорогих объективах кроме стекла могут применяться линзы из природных минералов, прозрачной пластмассы и стеклянно-пластмассовые, получившие название гибридных.

   Линзы объектива монтируются в оправу так, чтобы их центр лежал на одной линии, которая именуется оптической осью. Детали оправы изготавливаются из металла и поликарбонатов. Оправы так называемых профессиональных объективов делают только из металла. Поликарбо наты резко сокращают вес оправы, но уменьшают ее жесткость.

   Объектив камеры-люцины имел обычно одну линзу. Петцвалю, чтобы пропустить к светочувствительному слою возможно больше света, пришлось для своего объектива применить линзы максимально большого размера, не допуская при этом значительного ухудшения качества изображения. Он достиг этого, построив четырехлинзовый объектив из двух сортов стекла, имевшихся в то время. В распоряжении современного оптика их имеется несколько сотен.

   Петцваль добивался геометрического подобия изображения снимаемому предмету и достаточной резкости изображения. Достичь этого не удается и современным конструкторам: изображение не вполне соответствует предмету из-за всевозможных погрешностей объектива — аберраций. Рассмотрим основные из них.

   Прежде всего объектив может искажать геометрические пропорции предмета, в частности, прямые линии получаются с изгибом либо к центру изображения, либо от его центра. Такой дефект называется дисторсией. Изгиб прямых линий особенно неприятен при репродукции, а при съемке пейзажей он менее заметен. В простейшем случае, например при съемке небольшой почтовой марки, может оказаться, что на снимке она получилась в виде маленького бочонка с выпуклыми боками и днищем или, наоборот, маленькой подушки с втянутыми боками. Такие дефекты так и называются бочкообразной или подушкообразной дисторсией. Дисторсией особенно страдают короткофокусные объективы и изображения панорамных камер с поворотными объективами («Горизонт»), хотя сами объективы этих камер могут быть свободны от нее.

   Положим, мы снимаем фасад далеко расположенного здания объективом из одной линзы. Изображение в этом случае из-за большого расстояния будет образовываться параллельными пучками света. Внимательно рассматривая изображение на матовом стекле аппарата, можно заметить, что если оно резко посередине, то его края не резки. Наоборот, если, изменив наводку, сделать резкими края, середина получится не резкой. Причина этого в том, что края линзы преломляют свет иначе, чем центральная часть линзы. Называются такие аберрации сферическими. У линз небольшого диаметра они не очень велики. Поскольку эти аберрации несколько смягчают изображение, у фотохудожников до сегодняшнего дня популярны объективы из одной линзы, так называемые монокли. В нашем примере лучи света падали параллельно оптической оси.

   Дело усложняется, если лучи падают на объектив не параллельно, когда, например, снимают тот же фасад под углом к плоскости пленки, и вдобавок он занимает только половину кадра. В этом случае на пленке вместо точек, изображающих на фасаде небольшие электрические фонари с круглыми колпаками, может появиться весьма замысловатое их изображение. Называется такой дефект комой.

   Первые линзы имели поверхности в виде части сферы. Линзы со сферической поверхностью не могут собрать в одну точку параллельные лучи света, проходящие по центру и по периферии. Этого можно добиться, если поверхность линзы выполнить в форме части эллипсоида или параболоида. Такие поверхности и сами линзы называют асферическими. Они помогают избавиться и от комы.

   Изображение, даваемое линзами, часто имеет цветную кайму. Она носит название хроматической аберрации или вторичного спектра. Чтобы ее уменьшить, применяют линзы, склеенные из материала с разной преломляющей способностью.

   Качество изображения, прежде всего его контраст, ухудшается отраженным от поверхности линз и оправы светом. Чтобы уменьшить рассеяние, на поверхности линз наносят до десяти слоев всевозможных прозрачных покрытий. Наружные покрытия предохраняют линзы от мелких царапин, которые не позволяют создать достаточно резкого и контрастного изображения. Меньший вред наносят небольшие сколы поверхности линз и большие царапины, если их, конечно, немного — одна-две. Мелкие пузырьки в линзах совершенно не влияют на качество изображения.

   Не весь свет, падающий на объектив, участвует в построении изображения: боковые лучи не используются. Но они тоже вызывают засветку аппарата и пленки. Чтобы уменьшить вред от этих лучей, на объектив надевают непрозрачный конус с тонкими, хорошо зачерненными стенками — бленду. Иногда ее встраивают в объектив. Чтобы задержать лучи, не участвующие в образовании изображения, применяется также заслонка с отверстием между линзами или за ними — диафрагма. В высококачественных объективах она может даже передвигаться вдоль объектива при изменении его фокусного расстояния. Кроме этого у всех объективов есть диафрагма, регулирующая количество света, падающего на пленку. Регулирование производится изменением площади отверстия. В большинстве случаев отверстие имеет круглую форму. Чтобы изменять его диаметр, диафрагму часто изготавливают из отдельных серповидных лепестков. При повороте подвижного кольца изменяется диаметр отверстия. Называется такая диафрагма ирисовой.

   При закрывании диафрагмы резкость изображения вначале увеличивается, а затем уменьшается. Это связано с тем, что свет на краях маленького отверстия испытывает дифракцию, и каждая точка превращается в систему темных и светлых колец. У отдельных объективов резкость меняется довольно значительно, позволяя при художественной съемке получить смягченное изображение.

   Изображение, образуемое объективом, имеет наибольшую резкость в центре изображения, причем у предмета, по которому был наведен фокус. Предметы, расположенные дальше и ближе, имеют меньшую резкость. Однако при уменьшении диаметра отверстия диафрагмы они становятся более резкими. Расстояние, в пределах которого предметы выглядят достаточно четко, получило название «глубина резкости». Она увеличивается при закрывании диафрагмы — угол, под которым попадают лучи света на пленку, уменьшается. Определить глубину резкости можно по таблицам или по шкале наименьшей и наибольшей дистанции резкости, нанесенной на оправу объектива.

   Отношение диаметра входного отверстия объектива к длине фокусного расстояния называется значением диафрагмы. Эти значения подобраны таким образом, что, если изменить значение диафрагмы на одно деление, количество света, пропускаемого объективом, изменится в два раза. Для упрощения на практике значение диафрагмы дают не в виде дроби, а приводят только значение ее знаменателя.

   Вернемся к оценке резкости изображения. Оценивается, собственно, не сама резкость, а степень размытости изображения на отпечатке или пленке. Положим, она оценивается по отпечатку. Его рассматривают обычно с расстояния 25 см. Если при этом точки получаются в виде кружков диаметром 0,1 мм, глаз воспринимает изображение резким. С пересчетом на среднее увеличение малоформатных негативов при печати величина кружка на пленке принимается равной 0,05-0,03 мм. Исходя из этих значений и определяется глубина резкости объектива. У большинства объективов с переменным фокусным расстоянием значение глубины резкости на оправу не наносится.

   У двояковыпуклой линзы длина фокусного расстояния определяется по расстоянию от ее плоскости симметрии до плоскости, на которую она проецирует достаточно удаленные предметы. Фокусное расстояние сложного многолинзового объектива отсчитывают от воображаемой точки, которая может лежать и за пределами оправы. Плоскость, в которой образуется изображение, называется фокальной, а точка пересечения оптической оси с ней — точкой фокуса. Расстояние от фокальной плоскости до поверхности задней линзы объектива называется задним отрезком. У телеобъектива задний отрезок меньше фокусного расстояния, а у короткофокусных объективов он может быть больше.

   При достаточно больших расстояниях, условно называемых бесконечностью, точка фокуса объектива совпадает с фокальной плоскостью. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние и меньше диаметр отверстия диафрагмы, то есть больше значение относительного отверстия. Следует запомнить, что с ростом этого значения увеличивается глубина резкости.

   Изменяя положение точки наводки на резкость, можно подобрать такое ее положение, что при данном значении диафрагмы резким будет все изображение от переднего плана до бесконечности. Называется такая точка гиперфокальной.

   При съемке с небольших расстояний нужно считаться с тем, что объектив при этом отодвинут от пленки довольно сильно. Отношение диаметра отверстия к фактическому значению фокусного расстояния падает, и при прочих равных условиях приходится увеличивать экспозицию.

   Объективы можно разделить на группы как по минимальному значению диафрагмы (на практике говорят — по светосиле), так и по длине фокусного расстояния. Объективы, у которых длина фокусного расстояния равна длине диагонали кадра, называются нормальными. Они образуют изображение под углом, примерно равным углу зрения человеческого глаза, придавая снимкам естественность. Измеряют этот угол от «вершины» фокусного расстояния по диагонали кадра. Таким образом, чем короче фокусное расстояние, тем угол больше, и наоборот, чем длиннее, тем угол зрения меньше. Для малоформатного кадра длина фокусного расстояния, близкая к 50 мм, считается нормальной, его угол зрения равен примерно 46^о.

   Объективы для малоформатных камер с фокусным расстоянием меньшим нормального (от 13 до 40 мм) получили название широкоугольных. Объективы с длиной фокуса более 58 мм считаются телевиками.

   Объективы с длиной фокусного расстояния меньше 16 мм, у которых не исправлена дисторсия, получили название «рыбий глаз». Предполагается, что они передают окружающее пространство примерно так же, как его видят рыбы (см. «Наука и жизнь» № 9, 1996 г.).

   Изменить угол зрения и, соответственно, длину фокусного расстояния объектива можно с помощью насадок. Они могут размещаться как между камерой и объективом, так и перед ним. Более удобны объективы с переменным значением фокусного расстояния — так называемые вариообъекти вы. В последние годы они стали основными в компактных камерах и постепенно занимают такое же место среди объективов для зеркалок. Сегодня они дают не менее качественное изображение, чем объективы с постоянным фокусным расстоянием. Основное их преимущество — возможность изменять соотношение размеров переднего и заднего планов основной части сюжета.

   Выпускаются и объективы, состоящие из нескольких отдельных блоков. Комбинируя их между собой, можно получить требуемое фокусное расстояние. Основное преимущество таких объективов в том, что их общий вес гораздо меньше, чем у набора объективов с постоянным фокусным расстоянием, которые они заменяют. А поскольку они выпускаются для сравнительно больших фокусных расстояний и вдобавок с большой светосилой, выигрыш может достигать нескольких десятков килограммов.

   Среди специализированных объективов интересны объективы с контролируемой глубиной резкости. Они позволяют изменять ее без изменения значения диафрагмы. Для съемки портретов применяют так называемые мягкорисующие объективы, дающие изображение в дымке. Степень смягчения обычно регулируется. Подобные объективы были популярны в прошлом веке. Особенно ценился портретный объектив фирмы «Николо Першайд». Он позволял регулировать глубину резкости в очень больших пределах и давал весьма своеобразное смягченное изображение.

   К малораспространенным специальным объективам относятс

Почему линзы не имеют очень большую диафрагму для автофокусировки, кроме той, которая используется для обработки изображений?

Основным фактором, влияющим на стоимость объектива, является не коррекция аберраций, хотя коррекция аберраций действительно увеличивает стоимость объектива и может быть более значительным фактором для широкоугольных объективов. Вообще говоря, основная стоимость линзы — это «стекло». Я заключил стекло в кавычки, потому что иногда это другие материалы, такие как флюорит, дифракционная решетка или дисперсия дифракционных частиц, однако современные элементы линз обычно стоят БОЛЬШЕ.

Вы не можете достичь заданной диафрагмы, не имея соответствующего увеличения с обоих концов объектива, чтобы эта диафрагма имела правильный размер . Понятие «физическая апертура» обычно неверно. То, что мы называем апертурой линзы, то, что часто называют физической апертурой, правильно называется входным зрачком . Входной зрачок — это апертура, наблюдаемая через переднюю часть объектива с расстояния «бесконечность» (или, другими словами, на достаточно большом расстоянии, чтобы наблюдать за коллимированным светом). Входной зрачок объектива 600 мм с фокусным расстоянием Относительное отверстие f / 4 должно составлять 150 мм при наблюдении через переднюю часть объектива. Чтобы добиться такого увеличения, необходимы две вещи:

1. Для достижения такого увеличения необходимо использовать правильные линзы с правильным увеличением.
2. Передний элемент должен быть не менее 150 мм в диаметре.

Подумайте об этом на мгновение … передняя линза диаметром 150 мм. Это 6 дюймов в диаметре, примерно в ладонь. Это ОГРОМНО. Вдобавок передняя половина ствола до диафрагмы лишь слегка сужена, и есть ряд дополнительных линз, которые необходимо использовать в в дополнение к переднему элементу для достижения точки №1, а также для корректировки аберраций. Таким образом, у вас есть линзы размером от 4 до 6 дюймов в передней половине тубуса поверх всех линз за диафрагмой, чтобы правильно спроецируйте прямолинейное изображение на датчик, каждый из которых имеет диаметр от дюйма до нескольких дюймов. Все это стекло СТОИТ!

Замена асферического элемента, корректирующего аберрации, на сферический элемент, который, вероятно, не снизит стоимость, но не на особенно значительную величину, если мы не говорим об очень коротких фокусных расстояниях, — это широкоугольные зум-объективы (где стоимость коррекции аберраций, как правило, составляет более значительный фактор стоимости, так как общее количество стекла намного ниже, чем при более длинных фокусных расстояниях. 2 !! Вы УДВОИЛИ минимальную площадь, необходимую для поддержки диафрагмы, и, вероятно, более чем вдвое увеличили объем (более крупные элементы обычно тоже толще, поэтому общее увеличение объемаможет более чем в два раза). И это только для переднего элемента … их еще где-то 12-18! Количество стекла с точки зрения объема, необходимое для того, чтобы его едва хватило для поддержки большей апертуры, более чем вдвое превышает то, что необходимо для следующей остановки. Не стоит недооценивать эту стоимость.

Как уже упоминали другие, многие объективы уже делают именно то, о чем вы теоретизировали: позволяют IQ страдать при максимальной диафрагме, требуя, чтобы объектив был остановлен на целую ступень или около того, чтобы полностью реализовать максимальный потенциал резкости. Вообще говоря, более дешевые линзы потребительского уровня делают это, как правило, в результате множества факторов (более дешевое стекло, более простой и полностью автоматизированный производственный процесс, автоматическая сборка и т. Д.)

Однако единственная основная причина, по которой более дешевые линзы дешевле … это меньшая максимальная диафрагма. Большинство объективов потребительского класса, а также объективы сторонних производителей используют меньшую максимальную диафрагму. Большинство широкоугольных и телеобъективов потребительского класса имеют максимальное значение f / 3.5, обычно непостоянное, так что f / 3.5-5.6. Многие сторонние телеобъективы начинаются с f / 5,6, в то время как бренды начинаются с f / 4, а сторонние телеобъективы часто используют f / 5,6-6,3, в то время как телеобъективы известных производителей часто предлагают f / 4 или даже f / 2,8. постоянная диафрагма. Максимальная диафрагма является основным фактором стоимости, поскольку она явно определяет общий требуемый объем стекла.

Корректирующие элементы объектива, предназначенные для уменьшения аберраций, такие как асферические элементы, флюоритовые элементы, дифракционные элементы, элементы со сверхнизкой дисперсией и т. Д., Увеличивают стоимость, однако, опять же, создание большого 5-дюймового флюоритового элемента для телеобъектива с диафрагмой f / 4 значительно затруднено. дороже, чем изготовление 3-дюймового флюоритового элемента для телеобъектива с диафрагмой f / 5,6. Опять же … каждое ступенчатое изменение диафрагмы — это двукратное изменение площади и даже большее изменение общего объема стекла.

Почему объективы не разработаны с очень большой диафрагмой для автофокусировки, помимо того, что используется для получения изображений?

Фундаментальный фактор стоимости объектива — это не коррекция аберраций, хотя коррекция аберраций действительно увеличивает стоимость линзы и может быть более существенным фактором в широкоугольных объективах. Вообще говоря, основная стоимость линзы — это «стекло». Я помещаю стекло в кавычки, потому что иногда это другие материалы, такие как флюорит или дифракционная решетка или дисперсия дифракционных частиц, однако усовершенствованные линзовые элементы обычно стоят БОЛЬШЕ.

Вы не можете получить указанную апертуру, не имея соответствующего увеличения с обоих концов объектива, чтобы эта апертура выглядела как правильный размер . Понятие «физической апертуры» обычно неверно. То, что мы называем апертурой линзы, которую часто называют физической апертурой, правильно называют входным зрачком . Входной зрачок — это апертура, наблюдаемая через переднюю часть объектива на расстоянии «бесконечности» (или, другими словами, на достаточно большом расстоянии, на котором можно наблюдать коллимированный свет.) Входной зрачок объектива 600 мм с Относительная диафрагма f / 4 должна составлять 150 мм, если смотреть через переднюю часть объектива. Чтобы достичь этого увеличения, две вещи должны быть:

1. Правильные линзовые элементы, каждый с правильным увеличением, должны использоваться для достижения этого увеличения.
2. Передний элемент должен быть не менее 150 мм в диаметре.

Подумайте об этом на мгновение … элемент передней линзы диаметром 150 мм. Это 6 «в диаметре, примерно на ширину руки. Это ОГРОМНО. Вдобавок к этому передняя половина ствола до диафрагмы лишь слегка сужена, и есть ряд дополнительных линзовых элементов, которые должны использоваться в добавление к переднему элементу для достижения точки # 1, а также для исправления аберраций. Таким образом, у вас есть ряд линз от 4 «до 6» в передней половине ствола, поверх всех элементов линзы за диафрагмой до правильно проецировать прямолинейное изображение на сенсор, каждый из которых по-прежнему диаметром от дюйма до нескольких дюймов. Все это стекло стоит!

Замена асферического элемента, который исправляет аберрации, на сферический элемент, который, вероятно, не приведет к снижению затрат, но не на особенно значительную величину, если мы не говорим об очень коротких фокусных расстояниях, это широкоугольные зумы (где стоимость коррекции аберраций имеет тенденцию быть более существенный фактор стоимости, так как общее количество стекла намного меньше, чем при более длинных фокусных расстояниях. 2 !! Вы удвоили минимальную площадь, необходимую для поддержки диафрагмы, и, вероятно, более чем удвоили объем (более крупные элементы обычно также толще, поэтому общее увеличение объемаможет более чем вдвое). И это только для переднего элемента … их еще около 12-18! Количество стекла, с точки зрения объема, которого едва хватает для поддержания большей апертуры, более чем вдвое превышает необходимое для следующей остановки вниз. Не стоит недооценивать эту стоимость.

Как уже упоминали другие, многие объективы уже делают именно то, что вы теоретизировали: позволяют IQ страдать при максимальной диафрагме, требуя, чтобы объектив был остановлен на столько же, сколько остановка или около того, чтобы полностью реализовать максимальный потенциал резкости. Вообще говоря, более дешевые линзы потребительского класса делают это, как правило, в результате множества факторов (более дешевое стекло, более простой и полностью автоматизированный процесс производства, автоматизированная сборка и т. Д.)

Единственная основная причина, почему более дешевые линзы дешевле, однако … это меньшие максимальные диафрагмы. Большинство объективов потребительского уровня, а также большинство объективов сторонних производителей используют меньшие максимальные значения диафрагмы. Большинство широкоугольных и телеобъективов потребительского уровня максимально увеличиваются при f / 3,5, обычно не постоянны, поэтому f / 3,5-5,6. Многие телеобъективы сторонних производителей начинаются с f / 5.6, а названия брендов начинаются с f / 4, а сторонние телеобъективы часто используют f / 5.6-6.3, в то время как телеобъективы известных брендов часто предлагают f / 4 или даже f / 2.8. постоянная апертура. Максимальная апертура является основным фактором, влияющим на стоимость, поскольку она явно определяет общий объем необходимого стекла.

Корректирующие линзовые элементы, разработанные для уменьшения аберраций, такие как асферические элементы, флюоритовые элементы, дифракционные элементы, элементы со сверхнизкой дисперсией и т. Д., Все увеличивают стоимость, однако, опять же, создание большого 5-дюймового флюоритового элемента для телеобъектива f / 4 значительно дороже, чем изготовление 3 «флюоритового элемента для телеобъектива f / 5.6. Опять же … каждое изменение диафрагмы является фактором двухкратного изменения площади и еще большего изменения общего объема стекла.

Школьный микроскоп 180x с неразъемным объективом — SCOPICA

Основными частями школьного микроскопа 180x, изображенного на рис. 2, являются штатив с основанием и тубус, укрепленный с помощью колодки в верхней части штатива.

Рис. 2. Школьный микроскоп 180x

К приливу средней части штатива прикреплен предметный столик, под которым в нижней части штатива помещено осветительное зеркало. Основание микроскопа представляет собой чугунную отливку, имеющую снизу три опорных выступа для установки прибора на столе. Форма и вес основания придают прибору необходимую устойчивость.

Тубус микроскопа представляет собой трубку, в которую снизу ввинчен объектив в оправе, а сверху — вставлен окуляр. Объектив представляет собой маленькую, склеенную из двух стекол, линзу, свободную от искажений изображения. Линза завальцована в оправу, на которой награвирована цифра 9, характеризующая увеличение объектива.

Окуляр состоит из двух простых линз, зажатых в карболитоной оправе при помощи зажимного кольца. Оправа с линзами и диафрагма, ограничивающая поле зрения, вставлены в одну общую короткую трубочку окуляра. На оправе имеется цифра 20, характеризующая увеличение окуляра. Таким образом, общее увеличение микроскопа — 180x.

Посадочное место окуляра и резьба объектива стандартные, благодаря чему в школьном микроскопе могут быть применены другие объективы и окуляры. Покупатель может приобрести одновременно с микроскопом (за дополнительную плату) окуляры 4-х и 15-кратного увеличения. При пользовании этими окулярами общее увеличение микроскопа будет соответственно 36x и 135x.

К трубке тубуса тремя винтами прикреплена направляющая планка, а к последней — рейка. Направляющая входит в соответствующий паз колодки. Перемещение тубуса вдоль оси производится при помощи вращения двух пластмассовых маховичков, сидящих на одной оси с шестеренкой, которая, будучи укреплена в колодке, входит в зацепление с рейкой тубуса.

Под столиком имеется револьверная диафрагма с отверстиями диаметром 12, 8, 4, 1½ мм и пятью углублениями для фиксатора, определяющего пять рабочих положений диафрагмы. При одном из них свет от зеркала не проходит, а при остальных четырех количество проходящего света пропорционально диаметрам отверстий диафрагмы.

Сверху на столике укреплены две съемные лапки для закрепления препарата.

Осветительное зеркало можно установить под любым углом наклона к оптической оси прибора.

Объективы

За полтора века использования линз в фотографии их число увеличилось на порядок, и каждая из них зачем-то нужна, но каждая из них дает блик, и если объектив просветленный, то он цветной. Нет в мире совершенства! Как хорошо было с камерой-обскурой: не надо фокусировать, не надо думать о глубине резкости, хочешь изменить угол обзора — просто измени расстояние между дыркой и плоскостью изображения, — и никаких хлопот. Но фотографам вечно не хватает света, и они решили увеличить дырку, а чтобы не потерять резкость, поставили линзу, и вот тут появились сферические аберрации, хроматические аберрации, кома , дисторсия. В общем, начали с одной линзы, но остановиться не сумели, и стало число линз множиться с катастрофической быстротой. Установите проигрыватель Flash Итак, мой рассказ о том, зачем так много линз, и о некоторых терминах, которые часто встречаются при описании объективов. Основной характеристикой объектива, определяющей его способность давать ту или иную освещенность фотослоя, является светосила. Объектив тем светосильнее, чем больше его отверстие и чем короче его фокусное расстояние. Эта взаимосвязь выражается величиной относительного отверстия, которая показывает, сколько раз диаметр отверстия укладывается в фокусном расстоянии объектива. В фотографии принято следующее деление объективов по светосиле: Сверхсветосильные 0,7-2 Светосильные 2,8-4,5 Малосветосильные 5,6 и менее. Попытки увеличить светосилу и при этом не очень ухудшить изображение, вероятно, начались в 1812 г., когда Волластон применил выпукло-вогнутую линзу (мениск) в камере-обскуре. Получилось более яркое изображение, но не очень четкое и не точное по геометрическим размерам, хотя и лучшее, чем с двояковыпуклой линзой. Дефекты изображения, обусловленные недостатками оптической системы, носят общее название аберрации. К этим недостаткам относятся: сферическая аберрация; хроматическая аберрация; дисторсия; астигматизм; кома. Сферическая аберрация вызывается тем, что степень преломления лучей, попадающих на края линзы, больше, чем степень преломления лучей, располагающихся ближе к центру, поэтому широкий пучок лучей после преломления пересекается не в одной, а в нескольких точках. Путем придания поверхности линзы асферической формы можно устранить сферическую аберрацию. Однако технология изготовления стеклянных асферических линз весьма дорога и получила развитие только в последние годы. Варианты использования свободных от сферической аберрации линз Френеля и плоских линз с переменным показателем преломления не получили развития в фотографии. На практике при изготовлении фотообъективов влияние сферической аберрации уменьшают путем подбора к собирающей линзе менее сильной рассеивающей линзы. В последнее время получило развитие использование в объективах наряду со стеклянными сферическими линзами и асферических, изготовленных формовкой органических пластиков. Хроматическая аберрация обусловлена дисперсией света, возникающей при прохождении его через линзу. Это явление связано с тем, что лучи с разной длиной волны преломляются под разными углами. Значительного уменьшения хроматической аберрации добиваются путем сочетания в оптической системе сильной собирающей линзы, изготовленной из оптического стекла крон, и слабой рассеивающей линзы, изготовленной из стекла флинт. Такая линза называется ахроматической или ландшафтной. Объективы, в которых устранена хроматическая аберрация в двух основных участках спектра,называются ахроматами, а объективы, скорректированные для трех цветов, — апохроматами. В 1840 г. Шевалье использовал ахромат в первых фотокамерах. Этот объектив состоял из двух линз с различной дисперсией, склеенных вместе. Дисторсия характеризуется искривлением прямых линий и имеет такое же происхождение, что и сферическая аберрация. На характер дисторсии влияет положение диафрагмы: если диафрагма расположена перед линзой, то дисторсия имеет бочкообразую форму, а если диафрагма расположена за линзой, — то подушкообразную. Этот вид аберрации устранен у симметричных объективов, выполненных из двух одинаковых компонентов, между которыми размещается диафрагма. Объектив, состоящий из двух менисков, называется перископом. Таким образом, чтобы исправить сферическую и хроматическую аберрации в отдельности, достаточно двух линз. В результате объединения двух ахроматических линз в перископ в 1866 году в Англии Дальмейером был изготовлен объектив, названный «Ректилинеар», а в Германии появился объектив «Апланат» созданный Стейнхейлом. Очень удачный симметричный объектив был сконструирован Рудольфом в 1896 г. и назван «Цейсс Планар». Этот объектив был разработан для использования при относительных отверстиях не более 1:3,5, и стал базовой моделью многих современных стандартных объективов, используемых в малоформатных фотокамерах. Современные объективы такой принципиальной конструкции обладают относительным отверстием до 1:1,4. Астигматизм делает невозможным получение одновременной резкости вертикальных и горизонтальных линий. Явление астигматизма может возникнуть при недостаточно точной сферичности линзы, но чаще и сильнее оно обнаруживается в том случае, когда объект находится под некоторым углом к ее оптической оси. При этом поверхность линзы для таких наклонных лучей не будет строго симметричной, что и приведет к искажению изображения. Объективы с устраненными астигматизмом и кривизной поля называются анастигматами. Следует сказать, что эти недостатки все же частично присутствуют в объективах, особенно в широкоугольных. В 1893 г., используя новые виды стекла, Тейлор изготовил асимметричный объектив из трех элементов, который был назван триплетом Кука. Этот объектив, устраняющий астигматизм и кривизну плоскости изображения, был первым среди так называемых анастигматов. Триплет Кука был сконструирован для использования с относительными отверстиями не более 1:4. Анастигмат представляет собой объектив, который полностью свободен от астигматизма для определенного расстояния до объекта и имеет минимальную кривизну плоскости изображения. Дальнейшим развитием триплета стало создание в 1902 году фирмой Цейсс объектива «Тессар», у которого последний компонент триплета был заменен склеенной линзой. Модификации этого объектива используются сегодня при относительных отверстиях не более 1:2,8. В России объективы такого типа выпускаются под названием «Индустар». Кома является разновидностью сферической аберрации для наклонного к оптической оси линзы пучка света. При этом, в связи с разным характером преломления лучей и асимметричным строением пучка, изображение получается в виде кометообразной фигуры. Но не только стремление к совершенству изображения приводит к увеличению числа линз. Еще одной причиной, приводящей к увеличению числа линз, является стремление разработчиков объективов вынести главную плоскость за габариты объектива. Классическим примером является телеобъектив, который в простейшем виде представляет собой собирающую линзу, помещенную перед рассеивающей линзой. Если линзы имеют надлежащие фокусные расстояния и соответствующим образом расположены, можно создать систему линз, в которой задняя главная плоскость находится перед системой. Так как фокусное расстояние измеряется от главной плоскости, физическая длина объектива может быть сделана меньше, чем его фокусное расстояние, и поэтому объектив может быть весьма компактным. Если телеобъектив повернуть на 180 градусов, то задняя главная плоскость может располагаться позади системы линз. Такая конструкция особенно полезна для широкоугольных объективов, предназначенных для малоформатных однообъективных зеркальных камер. Ведь если задняя главная плоскость расположена внутри системы линз, то пространство между крайней линзой и пленкой будет меньше фокусного расстояния и не останется места для зеркала затвора и других необходимых механических частей камеры. Примером обратного телеобъектива является известный у нас объектив «Мир 1». Останавливаясь на широкоугольных объективах, отмечу, что термин «рыбий глаз» произошел от гидрообъективов, которые имеют нормальный угол зрения под водой, однако, будучи вытащенными на поверхность, превращаются в широкоугольные. Снимки через эти объективы демонстрируют нам то, что увидела бы рыба, если ее вытащить из воды. Широкую известность (см.The Classic Camera Home Page/Classic Lenses) получили фотообъективы «Руссар» , рассчитанные в 1935 г. М.М. Русиновым. Эти объективы имеют на воздухе угол зрения до 120 градусов. В борьбе за компактность длиннофокусных объективов одних линз оказалось недостаточно, и были созданы зеркально-линзовые объективы. Свет попадает в объектив через круглое отверстие и отражается, по крайней мере, от двух зеркал, прежде чем сфокусируется на плоскости пленки. Так как свет входит в объектив лишь по его периметру, ирисовая диафрагма не может быть использована для уменьшения действующего отверстия, и поэтому для регулирования освещенности применяют светофильтры. Сферические зеркала подвержены значительной сферической аберрации, для исправления этой аберрации обычно используется специальная асферическая линза, называемая корректирующей пластинкой Шмидта. В этих объективах также применяются сферические линзы, которые служат для дополнительной фосировки света. Обилие линз вызвало естественное желание их подвигать внутри объектива, ведь перемещая линзы, мы можем менять фокусное расстояние, причем если перемещать каждую линзу в отдельности, да еще по сложному закону, то можно получить объектив с переменным фокусным расстоянием и неплохим качеством. Оптические системы с непрерывным изменением увеличения называются панкратическими и подразделяются на вариообъективы и трансфокаторы. У вариообъектива изменение фокусного расстояния осуществляется посредством непрерывного перемещения одного или ряда компонентов вдоль оптической оси. Нелинейное перемещение линз в вариообъективах производится с помощью одного или нескольких кулачковых механизмов, поэтому такие системы являются сложными не только по оптическому, но и по механическому устройству. Трансфокатор представляет собой систему, состоящую из афокальной панкратической насадки с переменным угловым увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием. Насадка имеет две неподвижные отрицательные линзы, между которыми перемещается положительная линза. По мере возрастания числа элементов, из которых изготовлен объектив, отраженный и рассеянный поверхностью линз свет становится серьезной проблемой. Если на поверхность линзы нанести слой вещества с определенной толщиной и меньшим показателем преломления, чем у самой линзы, то можно уменьшить отражение от поверхностей линзы. Этот эффект достигается благодаря тому, что свет, отраженный от двух поверхностей, интерферирует с взаимным ослаблением, что уменьшает отражение от линзы. Если длина оптического пути в покрытии точно равна половине длины волны света в среде, то разность фаз двух отраженных лучей составит 180°, и, складываясь, они взаимно погасят друг друга. В результате от линзы вообще не будет отражаться излучение с определенной длиной волны. Это условие может быть удовлетворено только для одной определенной длины волны, однако происходит значительное ослабление отраженного света и для соседних длин волн. При использовании нескольких покрытий с различными показателями преломления отражение от поверхностей линзы может быть значительно уменьшено для большей части видимого спектра. Линзы с таким покрытием называют просветленными. Просветление впервые стали применять в объективах коммерческих фотокамер, начиная с 1950-х годов, а многослойные покрытия — с 1970-х годов. 02.06.1998 Установите проигрыватель Flash

Облако тегов: …

Линзовый светосильный объектив для инфракрасной области спектра Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.7.067.252.4

Линзовый светосильный объектив для инфракрасной области спектра

В.И. Кузичев1 1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия.

Светосильные линзовые объективы для инфракрасной области спектра требуют применения дорогостоящих кристаллов. Поэтому в таких объективах простейшей схемой следует считать схему из двух линз, расположенных на конечном расстоянии. Для расширения коррекцион-ных возможностей схемы с целью обеспечения высокого качества изображения необходимы асферические поверхности. Предложена методика проектирования такого объектива, обеспечивающая качественное исправление всех монохроматических аберраций кроме дисторсии и даны рекомендации по уменьшению аберраций хроматизм положения и хроматизм увеличения. Приведен пример расчета объектива с относительным отверстием 1:1,2, угловым полем 15° и качеством изображения, близким к дифракционному.

E-mail: [email protected]

Ключевые слова: аберрация, асферическая поверхность, качество изображения, коррекция.

Широкое применение оптико-электронных систем, работающих в инфракрасной (ИК) области спектра, ставит перед оптотехникой задачу создания светосильных объективов с высоким качеством изображения. Использование матричных приемников излучения с конечными размерами чувствительной поверхности требует соответствующего углового поля объективов. В таких объективах требуется качественная коррекция аберраций как для точки на оси, так и в пределах заданного углового поля. При использовании только сферических поверхностей данная степень коррекции может быть обеспечена только в сложных, многолинзовых системах. С другой стороны, в качестве материалов, прозрачных для далекой ИК-области спектра (например, в интервале длин волн 8…14 мкм) необходимо применение дорогостоящих кристаллов. Поэтому наиболее рациональным вариантом светосильного объектива следует считать двухлинзовый объектив с асферическими поверхностями. Качественная коррекция аберраций объектива для точек вне оси может быть обеспечена только при условии исправления кривизны Петцваля (Siv ~ 0), поэтому одна из линз должна быть отрицательной. Таким образом, удовлетворение всех указанных выше противоречивых условий можно обеспечить в оптической схеме телеобъектива.

Анализ коррекционных возможностей оптической схемы телеобъектива как системы, состоящей из двух тонких компонентов, может быть проведен на основе теории аберраций третьего порядка. Уже на первоначальной стадии этого анализа желательно зафиксиро-

вать положение апертурной диафрагмы (АД). Так как в схеме светосильного телеобъектива максимальный диаметр будет иметь первый компонент, то апертурной диафрагмой и входным зрачком объектива должна быть оправа первого компонента.

Оптическая схема телеобъектива как системы тонких компонентов при выбранном положении апертурной диафрагмы приведена на рис. 1. Рассматривая объектив как приведенную оптическую систему, для параметров первого и второго вспомогательных лучей будем иметь: а1 = 0; к1 = 1; а3 = 1; в = 1; Н1 = 0. Если ф1 и ф2 — приведенные оптические силы линз, то кривизна Петцваля будет определяться выражением [1]:

Яу + (1)

Щ П2

щ=0 B<=ß2=1 — т Mi w!j I

d

L i

Рис. 1. Оптическая схема телеобъектива из тонких компонентов

Суммы Зейделя, определяющие монохроматические аберрации объектива, выраженные через параметры Рь Щ1 первой линзы и Р2, Щ2 второй линзы будут иметь вид:

й= Р + ¿2 Р2;

Яп = Щ + Н 2 р + (2)

ГУ Н 22 „ _ Н2 ттг

Яш =Ф1 Р2 + 2Щ2 +^2.

¿2 ¿2

В формулах (2) нет дисторсии Бу, так как эта аберрация не влияет на размер пятна рассеивания. Согласно формулам (2) астигматизм Яш объектива при расположении апертурной диафрагмы на первом компоненте (Н1 = 0) зависит только от конструкции второго компонента

(Р2, Ж2). Сферическая аберрация ¿I и кома объектива ¿л зависят от конструкции как первого, так и второго компонентов. При решении системы уравнений (2) следует иметь в виду, что для одиночной линзы со сферическими поверхностями параметр Ж может быть как положительным, так и отрицательным, в то время как параметр Р всегда положительный. Если одну из поверхностей одиночной линзы сделать асферической, то можно получить отрицательные значения параметра Р. При введении асферики параметр Ж не изменяется.

Согласно формулам (2) при расположении апертурной диафрагмы на первой линзе асферичность поверхности на второй линзе будет влиять на сферическую аберрацию ¿1, кому £ц и астигматизм £ш, в то время как асферическая поверхность на первой линзе будет влиять только на сферическую аберрацию.2 .

Я1 хр — ;

к, К2 (5)

(Р2Н2П2

Я11 хр =—.

К2

Поскольку оба компонента объектива являются одиночными линзами, то хроматизм увеличения Яц хр принципиально не исправляется. Его можно существенно уменьшить, если в качестве материала второй линзы использовать кристалл с высоким коэффициентом дисперсии (к). Хроматизм положения Я хр при ф1 > 0 и < 0 можно исправить подбором соответствующих коэффициентов дисперсии (к1 > к2). Однако, учитывая высокое относительное отверстие объектива (В //’ > 1:1,5), рационально хроматизм положения сделать недоисправленным Я хр < 0, чтобы обеспечить исправление сферохроматической аберрации на зоне зрачка.

Согласно предложенной выше методике был разработан вариант светосильного двухлинзового объектива, имеющего следующие основные характеристики: фокусное расстояние /’ = 100 мм, относительное отверстие В / /’ = 1: 1,2, угловое поле в пространстве предметов 2( = 15°.0 = 4,0025, к= 910).

В первоначальной стадии расчета светосильного объектива следует иметь в виду, что приведенные оптические силы компонентов объектива не должны превышать 1,1—1,3. В противном случае могут быть недопустимо большими аберрации высших порядков как для точки на оси, так и для точек вне оси. При известных показателях преломления обеих линз, задавшись кривизной Петцваля (Яу = = 0,05…0,1) и оптической силой одной из линз, согласно (1) определяем оптическую силу другой линзы. После этого, выполняя условие масштаба, определяем расстояние между линзами и все внешние параметры первого (а и И) и второго (в и Н) вспомогательных лучей. По формулам (5) вычисляем обе хроматические суммы, а по формулам (2)—(4) параметры Р и Щ, а также эксцентриситеты кривых вто-

рого порядка, удовлетворяющие заданным значениям монохроматических сумм Зейделя. С учетом технологических особенностей контроля асферических поверхностей асферической рационально делать вогнутую поверхность.

Учитывая указанные выше рекомендации, был разработан исходный вариант двухлинзового объектива. Приняв ф1 = 1,05 и задавшись ¿IV = 0,05 по формуле (1) определяем ф2 = -0,58, а расстояние между линзами приведенного объектива с1 = 0,7. Рассчитав параметры первого и второго вспомогательных лучей и задавшись суммами Зейделя SIa= 0,02; ¿ла= -0,03; ¿ша= -0,03, по формулам (2)—(4) определяем параметры Р и Ж каждой линзы и квадраты эксцентриситетов асферичеких поверхностей второго порядка. Установив из конструктивных требований толщину каждой линзы, по полученным параметрам Р и Ж определяем радиусы кривизны каждой из линз. Обе линзы имеют форму менисков, обращенных выпуклой стороной к предметной плоскости. Асферические поверхности линз вогнутые и имеют форму гиперболоида. Последующая оптимизация исходного варианта объектива несущественно изменила его конструктивные параметры, что подтверждает обоснованность выбора исходного варианта на основе использования теории аберраций третьего порядка.

Сферическая аберрация объектива для основной длины волны в пределах всего входного зрачка не превышает 0,03А, для крайних длин волн составляет 0,П. Условие изопланатизма в пределах всего зрачка составляет 0,03 %, что свидетельствует о качественном исправлении комы вблизи оси.

Меридиональная и сагиттальная кривизна изображения в пределах углового поля (до 10°) не превышает 0,03 мм. Дисторсия объектива положительная и составляет 5% на краю поля.

Модуляционная передаточная функция объектива в пределах большей части углового поля (до 10°) соответствует дифракционному уровню и только на краю поля снижается на 0,15…0,20 мм по сравнению с дифракционным уровнем. Таким образом, разработанная методика позволяет проектировать светосильные двухлинзовые объективы для ИК области спектра с высоким качеством изображения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Заказнов П. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем. СПб: Лань, 2008. 448 с.

2. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.

Статья поступила в редакцию 16.10.2012

Если вы начнете снимать с двух объективов, какой объектив будет лучшим выбором?

Часто при покупке камеры вы получаете один объектив. Но что, если вы хотите еще один, какой из них вам нужно купить? Эта статья может помочь при выборе лучших объективов для вашей фотографии.

Когда вы начинаете фотографировать, выбираемая вами камера часто поставляется с одним зум-объективом. Этот объектив можно использовать для обычной фотографии. Он идеально подходит для вашего праздника, детей, пейзажа или вашего питомца.Но когда вы начинаете отдавать предпочтение какому-то объекту, этот объектив часто ограничивает возможности. Это когда вы начинаете искать второй объектив или замену. Может быть очень сложно решить, что выбрать, потому что существует множество разных линз.

Некоторые линзы дешевы, другие обойдутся без денег. Вы можете потратить целое состояние на линзы и, вероятно, все равно пропустить тот, который вам действительно нужен. Глядя на рынок подержанных линз, узнайте, сколько линз продается, потому что они никогда не выходили из сумки.Вот почему я написал эту статью с выбором базового объектива для разных типов фотографии.

Прежде всего, покупайте объектив только потому, что он вам нужен, а не потому, что он может вам понадобиться. И не покупайте слишком много линз, потому что вы, вероятно, будете использовать только несколько. Иметь из чего выбирать тоже непросто. Эта статья показывает не что иное, как отправную точку. Комбинации — это мой личный выбор, основанный на моем опыте. После того, как вы наберетесь опыта в этой дисциплине, вы узнаете, какая альтернатива вам может понадобиться или какие дополнительные линзы вам пригодятся.

Хотя большая часть изображений относится к оборудованию Canon, эта статья не касается марки камеры, марки объектива или других дискуссий о том, что хорошо, а что лучше. Объективы, которые я показываю, являются лишь примером фокусного расстояния и диапазона масштабирования. Для каждой марки доступны похожие объективы оригинальной марки вашей камеры или сторонние объективы. Используйте все, что вам нравится.

Будьте осторожны, не покупайте все линзы, которые попадутся вам в руки. Часто нет необходимости иметь в сумке все фокусные расстояния.Не заболевайте болезнью, называемой ГАЗ (синдром приобретения снаряжения), потому что она заставляет вас страдать только из-за слишком большого выбора и слишком тяжелого рюкзака.

Пейзажи

Для пейзажей вы хотели бы иметь возможность снимать широкий пейзаж или детали ландшафта. Широкий угол в диапазоне от 16 до 35 мм — отличный выбор, но убедитесь, что у вас также есть что-то вроде объектива 70-200 мм. Для них не обязательно иметь диафрагму f / 2.8; часто достаточно f / 4.Но если вы хотите использовать эти объективы и в помещении, вам может пригодиться диафрагма f / 2,8 или больше.

В конце концов, вы можете захотеть получить еще более широкий объектив, если вам больше по душе такие пейзажи. Что-то вроде сверхширокого угла 12 мм было бы отличным дополнением к этому комплекту.

Альтернативой 70–200 мм может быть объектив 70–300 мм или объектив 100–400 мм, и вы можете подумать об объективе 24–70 мм, если вам не нравятся чрезвычайно широкоугольные изображения.

Портреты и свадьба

Я предпочитаю простые для своих свадеб и могу снимать практически все с помощью этого замечательного набора линз.Он также идеально подходит для портретной и модельной фотографии. Большая диафрагма обеспечивает прекрасную малую глубину резкости, хотя вам не нужно использовать ее снова и снова. Поскольку эти линзы светочувствительны, они также очень хорошо работают в тускло освещенных помещениях.

Вы можете расширить свой набор объективом 135 мм или даже 200 мм, если вам нужно снимать с большого расстояния. Вы также хотите предотвратить наличие слишком большого количества простых линз, потому что это может заставить вас часто менять линзы.

Если вам не нравятся простые линзы, вам подойдут объективы 24–70 мм и 70–200 мм. И желательно с диафрагмой f / 2.8 по возможности. Не только для малой глубины резкости, но и для тускло освещенных площадок.

Архитектура и недвижимость

Для недвижимости я предпочитаю линзы с наклоном и сдвигом. Они дают возможность делать коррекцию перспективы на местности. Часто вам не нужно больше, чем эти два фокусных расстояния, и всегда есть возможность обрезать после этого при публикации.Если 17 мм все же недостаточно, вы можете сделать панораму, используя опцию сдвига.

Если вы хотите запечатлеть некоторые детали, может помочь сдвиг наклона на 50 мм, но вы также можете использовать объектив 24–70 мм. Если вы предпочитаете обычный объектив, вам может понадобиться только объектив 16-35 мм. Оно не обязательно должно быть f / 2,8, потому что почти всегда требуется большая глубина резкости.

Звезды и Млечный Путь

Для съемки звезд и Млечного Пути чрезвычайно широкий угол может быть первым объективом, который вы захотите использовать.Это также позволяет снимать относительно длинные выдержки без риска появления звездных следов. Большая диафрагма помогает улавливать максимальное количество света.

В конце концов вам может понадобиться объектив с постоянным фокусным расстоянием 24 мм или 35 мм. Часто они имеют максимальную диафрагму f / 1,4, что позволяет большому количеству света попадать в объектив, и вы даже можете повернуть на одну ступень меньше, чтобы получить большую резкость. Фокусное расстояние может помочь более детально запечатлеть ядро ​​Млечного Пути.

Есть много альтернатив, например, линзы «рыбий глаз» и другие сверхширокоугольные объективы.Объективы с фиксированным фокусом могут иметь некоторые предпочтения в пользу наличия большой диафрагмы.

Спорт

Я не снимаю спорт, но иногда снимаю. Я считаю, что 70–200 мм очень хороший универсальный объектив для такого рода фотографии, а объектив 24–70 мм может оказаться полезным, когда вы можете приблизиться. Большая диафрагма помогает получить короткую выдержку и предотвращает слишком высокое значение ISO.

Могу представить, что иногда вам нужно больше фокусного расстояния. В этом случае я бы подумал об объективах 300 мм или 400 мм с самой большой доступной диафрагмой или доступной по цене.И, возможно, 16-35 мм, если вы хотите подобраться очень близко.

Альтернативой может быть объектив 70–300 мм, 100–400 мм, 150–600 мм, хотя в конечном итоге может возникнуть необходимость в высоких значениях ISO. Максимальная диафрагма этих объективов часто ограничивается значением f / 5,6 или меньше.

Дикая природа и птицы

Если вы любите снимать животных на камеру, вам понадобится длинный объектив. В первую очередь я бы выбрал объектив 100-400 мм, что дает очень универсальный диапазон фокусных расстояний. Я бы совмещал это с объективом 24-70 мм для тех случаев, когда вы хотите запечатлеть животное с его окружением, что я люблю делать.Если у вас есть деньги, вы можете добавить в свой набор объектив 600 мм. Но телеконвертер тоже может помочь.

Альтернативой может быть объектив с таким же радиусом действия, например, объектив 70–300 или 150–600 мм. Возможно, 300-миллиметровый прайм подойдет идеально, хотя вы можете упустить возможность масштабирования.

Конечно, есть фотографии гораздо больше. Если бы вам пришлось выбирать только два объектива для фотографии, что бы вы выбрали и почему? Пожалуйста, поделитесь этим в комментариях ниже.

Объектив

— Почему две линзы с одинаковым числом F дают разное количество света?

Скорее всего, это сумма нескольких факторов.

Во-первых, хотя вы и указываете «одинаковое значение диафрагмы», важно понимать, что заявленные производителем значения фокусного расстояния и диафрагмы часто округляются, и не всегда так, как вы ожидаете. Возможно, на самом деле Samyang имеет f / 1,45, а не f / 1,4.

Следующим фактором является виньетирование, линзы с широкой диафрагмой часто темнее в углах из-за того, что входной зрачок рассматривается под углом и, таким образом, частично блокируется (посмотрите на трубку от рулона туалетной бумаги под углом, и вы увидите, что сквозь нее проходит меньше света ).Вы обрезаете 50-миллиметровое изображение так, чтобы получился только центр, без виньетирования.

Третий фактор — это Т-стоп (пропускание) объектива. Количество границ раздела стекло / воздух и качество покрытий определяют, сколько света отражается (и, следовательно, теряется) на пути к датчику. Например, действительно дорогая оптика для кинотеатров Zeiss имеет Т-стоп, почти идентичный F-стопу, то есть теряется очень мало света. Я не думаю, что покрытие очень доступного объектива Samyang вполне соответствует этому стандарту.

---

Однако, глядя на тесты с отметкой DXO, пропускание объектива Samyang оценивается как T / 1,7 по сравнению с T / 1,6 для Canon. При этом учитываются как разница в диафрагме, так и светопропускание объектива (но не виньетирование). Это предсказывает, что изображение Samyang будет темнее, но только на 0,1 ступени, что меньше, чем мы видим здесь.

Боюсь, что в конце концов ответ может состоять в том, что ваша камера может лгать вам относительно настройки ISO для объектива Canon.Широко сообщается, что цифровые датчики не могут записывать весь световой конус от объектива с широкой диафрагмой, глубина пиксельной лунки отсекает свет от края диафрагмы, что существенно снижает скорость объектива.

Чтобы скрыть этот эффект от пользователей, было показано, что некоторые камеры увеличивают реальное значение ISO, чтобы получить яркость, которую вы ожидаете от объектива f / 1.4. Учитывая, что объектив Samyang неизвестен вашей камере, этого скрытого увеличения ISO не происходит, поэтому вы получаете реальную диафрагму.

Звучит как теория заговора, но хорошо задокументирована: http://www.dxomark.com/Reviews/F-stop-blues

Есть также простой способ доказать это: переснять 50-миллиметровый снимок с приклеенными штырями объектива (или частично снятым), чтобы камера не знала, какой объектив используется.

линз

линз

Линзы

Объектив — это оптическое устройство с идеальным или приблизительная осевая симметрия, которая пропускает и преломляет свет, концентрируя или расходящийся луч.Простая линза — это линза, состоящая из одного оптического элемент.

Составная линза — это набор простых линз. (элементы) с общей осью; использование нескольких элементов позволяет получить больше оптических аберрации, которые необходимо исправить, чем это возможно с помощью одного элемента. Изготовлено линзы обычно изготавливаются из стекла или прозрачного пластика.

http://en.wikipedia.org/wiki/Photographic_lens

Нет принципиальной разницы между объектив, используемый для фотоаппарата, телескопа, микроскопа или другого устройства, но детальное проектирование и конструкция различаются.

Объектив может быть постоянно прикреплен к фотоаппарату или может быть взаимозаменяемым с линзы с разным фокусным расстоянием, диафрагмой и другими свойствами.

Два основных оптических параметра фотографического Объектив — это максимальная диафрагма и фокусное расстояние.

Фокусное расстояние определяет угол обзора, и размер изображения относительно размера объекта, а максимальная диафрагма ограничивает яркость изображения и максимально возможную выдержку.А популярным третьим соображением является кратчайшее фокусное расстояние.

Угол обзора — это область изображения, захваченная изображением. датчик, выраженный в виде угла. Чем больше угол обзора, тем короче фокусное расстояние. Чем меньше угол обзора, тем больше фокусное расстояние. Линза с коротким фокусным расстоянием и большим углом зрения называется широкоугольным объективом. Объектив с большим фокусным расстоянием и малым углом обзора называется телеобъективом. линза.

Максимальная используемая диафрагма объектива обычно указывается как фокусное отношение или f-число, равное делению фокусного расстояния на эффективную диафрагму. (или входного зрачка) диаметр в тех же единицах.

Чем меньше число, тем больше света на единицу площади. доставляется в фокальную плоскость.

Чем больше диафрагма (меньшее число f), тем лучше меньшая глубина резкости, чем меньшая диафрагма при прочих равных условиях.

Фокусные расстояния обычно указываются в миллиметрах (мм)

Что за F-номер?

Яркость объектива определяется фокусным расстоянием и эффективным диаметр линзы. Если разделить фокусное расстояние на эффективный диаметр линзы, вы получите значение, называемое F-числом. Чем меньше F-число, тем ярче объектив (чем больше диафрагма). Яркий объектив имеет несколько ключевых преимуществ. За Например, более яркий объектив позволяет использовать более короткую выдержку, поэтому вы можете получить четкие снимки без смазывания даже при слабом освещении.Это также позволяет вам фон мягкий фокус.

Некоторые объективы, называемые зум-объективами, имеют фокусную длина, которая изменяется при перемещении внутренних элементов, обычно за счет вращения ствол или нажатие кнопки, которая приводит в действие электродвигатель. Обычно объектив может увеличивать масштаб от умеренно широкоугольного до нормального и среднего телефото; или с нормального на экстремальный телефото

Sigma’s 200-500 мм f / 2.8 (или 400-1000 мм f / 5,6) бегемот

Длина 28,6 дюйма, вес 34,6 фунта

Изделие предназначено для фотографирования. дикая природа, спорт и астрономические объекты.

Объектив APO 200-500mm F2.8 / 400-1000mm F5.6 EX DG, имеет диапазон зумирования 200-500 мм и очень широкую диафрагму f / 2,8 для этого класса линз. Он также поставляется с расширителем, который увеличивает диапазон до 400-1000 мм, но уменьшает диафрагму до f / 5.6, сказал Сигма. Для уменьшения хроматического аберрации, в нем используются три специальных элемента из стекла с низкой дисперсией и три необычные стеклянные элементы с низкой дисперсией.

34 000 долл. США.

Объектив оснащен специальной литий-ионной батареей для включите автофокус, масштабирование и ЖК-дисплей, на котором отображается настройка масштабирования. И слот рядом с концом камеры можно использовать для вставки фильтров.

Sigma, один из самых известных производителей объективы сторонних производителей для SLR (однообъективных зеркальных фотоаппаратов), заявили, что они будут доступно для Canon, Nikon и собственных SLR.

Сдвоенные линзы в макросъемке

назад

Сдвоенные линзы — новый, но довольно дорогой способ увеличения изображения. Это делается путем установки объектива с длинным фокусным расстоянием непосредственно на камеру с объективом с обратным фокусным расстоянием, установленным на конце объектива с длинным фокусным расстоянием. Если у вас уже есть объектив с большим фокусным расстоянием и широкоугольный объектив, он становится совсем недорогим. Этот метод обеспечивает фиксированное увеличение относительно , которое связано с фокусными расстояниями задействованных линз.Увеличение примерно равно большему фокусному расстоянию, разделенному на меньшее фокусное расстояние. С 50-миллиметровым объективом, установленным на конце 200-миллиметрового объектива, вы получите увеличение примерно 4: 1 (200/50). Оба объектива оптимально настроены на бесконечный фокус, хотя установка заднего объектива (объектива, установленного на камеру) на более короткий фокус обычно работает нормально. Принцип очень похож на дополнительные макрообъективы. Перевернутый объектив действует как мощный дополнительный макрообъектив для обычно установленного объектива.

Сильные стороны:

1. Недорого, если у вас уже есть объективы с коротким и длинным фокусным расстоянием — требуется только соединительное кольцо.
2. Относительно хорошее качество, хотя качество страдает с увеличением увеличения.

Слабые стороны:

1. Линзы не всегда работают вместе.
2. Немного сложнее в использовании.
3. Ограниченный диапазон увеличения для каждой комбинации.

Сдвоенные линзы, установленные на мою тестовую камеру.

Установка сдвоенных линз

Объектив с большим фокусным расстоянием (так называемый задний объектив ) устанавливается на корпус камеры обычным образом. Объектив с более коротким фокусным расстоянием устанавливается в обратном направлении (так называемый передний объектив ) к концу объектива с более длинным фокусным расстоянием. Перевернутый передний объектив должен иметь кольцо диафрагмы, иначе будет очень сложно делать снимки, так как диафрагму на этом объективе придется настраивать вручную.

Линзы соединяются соединительным кольцом .Стяжное кольцо — это металлическое кольцо с наружной резьбой фильтра с обеих сторон. Одна сторона ввинчивается в резьбу фильтра первой линзы, а другая ввинчивается в резьбу фильтра перевернутой линзы. Стяжные кольца можно купить на eBay за несколько долларов. Как и в случае с реверсивным кольцом, вам может потребоваться адаптер, который подходит для конкретной резьбы фильтра вашего объектива, хотя соединительные кольца доступны в различных размерах.

Стяжное кольцо 52-52 мм.

Стандартные размеры соединительного кольца
Размер (мм)	49	52	55	58	62	67	72	77	82
49	+	+	+	+	+
52	+	+	+	+	+	+		+
55	+	+	+	+	+
58	+	+	+	+	+	+		+
62	+	+	+	+	+
67		+		+		+	+	+
72						+	+	+
77		+		+		+	+	+
82									+

При соединении линз основная проблема может возникнуть с виньетированием — затемнением краев изображения.Виньетирование в случае соединенных линз обычно принимает форму механического виньетирования. Если линзы несовместимы, вы увидите изображение диафрагмы в видоискателе, окруженное черным цветом.

Мягкое виньетирование слева (комбинированная диафрагма 105-55 на передней панели при f / 4), плохое виньетирование справа (комбинированная задняя диафрагма 105-55 на f / 8).

Почему спаренные линзы обычно демонстрируют виньетирование?

Виньетирование со спаренными объективами — очень сложная тема, связанная с оптическими свойствами обоих объективов и тем фактом, что используется две диафрагмы вместо обычной.Это связано с тем, что световые лучи, идущие к определенной точке изображения, блокируются одним из отверстий на их пути через линзу. Световые лучи, которые формируют изображение в одной точке на детекторе, могут пройти через линзу множеством путей, чтобы добраться до детектора, то есть вся линза дает свет в любую одну точку изображения. Если некоторые или все лучи, которые вносят вклад в изображение в какой-либо точке, блокируются задней апертурой, изображение в этой точке будет темнее или исчезнет вовсе.

Виньетирование со спаренными линзами связано с тем, что передняя линза заставляет световые лучи проходить через заднюю линзу способами, для которых линза не предназначена (или наоборот).Это приводит к тому, что многие лучи проходят через периферию задней линзы, а не через центр. Прохождение через периферию линз означает, что свет, предназначенный для создания части изображения, может быть частично или полностью заблокирован диафрагмой в задней линзе. Эту концепцию сложно объяснить словами, но легче показать с помощью диаграммы.

Сдвоенные линзы с виньетированием: лучи от края изображения проходят через периферию задней линзы. Лучи полностью блокируются диафрагмой на задней линзе.Эта область изображения будет черной.

Сдвоенные линзы без виньетирования: открытие задней диафрагмы фиксирует виньетирование.

Как избежать виньетирования

Виньетирование со спаренными линзами можно свести к минимуму правильным выбором линз, но успех любых двух линз трудно предсказать. Есть несколько основных правил, которые помогут свести к минимуму эту проблему.

1. Задний объектив должен иметь относительно большое фокусное расстояние, обычно более 100 мм.
2. Передняя линза должна иметь относительно короткое фокусное расстояние, обычно менее 55 мм.
3. Старайтесь не использовать увеличение намного меньше 2: 1.
4. Задний объектив с большой диафрагмой поможет минимизировать виньетирование при некоторых комбинациях.
5. Виньетирование иногда можно уменьшить, добавив удлинительную трубку на заднюю линзу. Более близкий фокус на задней линзе также может иметь аналогичный эффект.

Почему я должен использовать переднюю диафрагму в качестве основной?

Для большинства комбинаций объективов примерно 2: 1 и выше закрытие передней диафрагмы до максимальной и полное открытие задней диафрагмы дает наилучшие изображения.Это также будет иметь тенденцию к меньшему виньетированию, чем противоположное, хотя правило дает меньше различий в нижней части диапазона увеличения, скажем, около 2: 1, чем в верхней части диапазона. Установка намного ниже 2: 1 почти всегда приводит к сильному виньетированию, хотя есть несколько комбинаций, которые работают лучше, чем 2: 1.

На приведенном выше графике показано поведение моего Nikon 105 / 2.8 в сочетании с Nikon 55 / 2.8 при увеличении чуть менее 2: 1.В целом, использование передней диафрагмы (объектив 55 мм) дает лучшую резкость и разрешение. Использование передней панели также приводит к меньшему виньетированию, чем использование задней части. Я перестал получать данные с настройкой задней диафрагмы выше f / 5.6, потому что виньетирование становилось очень плохим.

На следующем графике показано поведение того же объектива 105 мм в сочетании с моим объективом 28 / 2,8 при увеличении немного ниже 4: 1. В этом случае использование передней диафрагмы значительно превосходит использование задней диафрагмы как по резкости, так и по разрешению.Кроме того, использование передней диафрагмы дает лишь небольшое виньетирование, в то время как использование задней диафрагмы дает довольно сильное виньетирование (почему я перестал измерять числа выше f / 5,6). Следует также отметить, что резкость практически одинакова независимо от настройки диафрагмы при использовании задней диафрагмы. Вдобавок экспозиция была одинаковой при всех настройках диафрагмы при использовании задней камеры. Это говорит о том, что задняя диафрагма на самом деле не работает как диафрагма, а просто производит виньетирование.Я испытал аналогичные результаты, когда соединил свой 28-миллиметровый объектив с моим 200-миллиметровым, чтобы получить увеличение примерно 8: 1.

Установка колец фокусировки и диафрагмы

Сдвоенные линзы используются так же, как и другие линзы с большим увеличением, хотя теперь у вас есть две линзы, с которыми нужно иметь дело. У обоих объективов есть диафрагма и настройки фокуса, которые следует учитывать. При использовании моего 200-миллиметрового объектива с перевернутым 55-миллиметровым или 28-миллиметровым объективом я могу установить фокус на 200-миллиметровом объективе как близко, так и далеко. Фокус на передней линзе лучше всего работает, когда она установлена ​​далеко, а не близко.Когда он установлен на близкое значение, рабочее расстояние ухудшается, и вы, как правило, не получаете какого-либо значительного дополнительного увеличения.

Комбинация пар	Mag — ближний фокус	Mag — Дальний фокус
200 мм — 105 мм	№ WD	1,9: 1
200 мм — 55 мм	4,5: 1	3,5: 1
200 мм — 28 мм	8.4: 1	6,9: 1
105 мм — 55 мм	3,2: 1	1,9: 1
105 мм — 28 мм	4,5: 1	3,7: 1
55-28 мм	Не работает	–

В системе также есть два отверстия, за которыми необходимо следить. Настройки диафрагмы могут быть проблемой для объединенных объектива, поскольку различные комбинации диафрагм будут давать большее виньетирование.Чтобы найти оптимальную диафрагму для вашей установки, вы можете начать с пробного снимка с широко открытыми диафрагмами на обоих объективах. Для этого теста подойдет белый лист бумаги, который даже не обязательно должен быть в фокусе. Если на этом этапе у вас есть значительное виньетирование, комбинация линз, вероятно, никогда не будет работать хорошо для этого приложения, так как виньетирование только ухудшится, если вы закроете одну из диафрагм. Если у вас есть полный кадр белого цвета, у вас будут хорошие шансы на получение приличных изображений.

Следующее, что нужно сделать, это закрыть переднюю диафрагму до максимальной резкости — обычно f / 5,6 или f / 8 для большинства объективов. Теперь вы можете начать закрывать диафрагму на задней линзе на ступеньку за раз, пока не начнете видеть виньетирование по краям изображения. Откройте линзу на одну ступеньку выше, и все будет в порядке. Частичное закрытие задней диафрагмы поможет свести к минимуму рассеянный свет в объективе. В моем собственном тестировании (таблица выше) я не заметил какого-либо значительного улучшения разрешения с помощью этой процедуры, но похоже, что это должно немного помочь.Если не хотите суетиться, оставьте заднее отверстие полностью открытым.

Съемка изображений с помощью спаренного объектива

Теперь, когда у вас есть базовые настройки для каждого объектива, съемка изображений во многом похожа на съемку изображений с перевернутым объективом. Диафрагму на передней линзе теперь необходимо открыть перед фокусировкой (диафрагма с малым числом) — фокусировка, как правило, намного более точна с открытой диафрагмой. Если изображение слишком размытое при полностью открытой диафрагме, вы можете закрыть его на пару ступеней, пока оно не улучшится.

Заключительный этап — переместить линзы в сторону монеты до тех пор, пока монета не начнет фокусироваться. Точная фокусировка лучше всего достигается регулировкой высоты камеры с помощью подставки для копирования или регулировкой высоты самого объекта (если у вас вертикальный столик). Затем диафрагма на передней линзе настраивается на желаемое значение (обычно от f5,6 до f8), и изображение снимается. Качество результирующих изображений, которые я сделал с объединенными объективами, на удивление высокое, учитывая количество задействованной оптики.

Изображение выше было снято макрообъективом 105 мм (широко открытая диафрагма), соединенным с перевернутым макрообъективом 55 мм (диафрагма при f / 5,6). Увеличение около 1,9: 1. По углам видно виньетирование, которое обычно бывает при съемке с таким увеличением. Съемка с большим увеличением обычно уменьшает или устраняет виньетирование.

Заключительные мысли

Сдвоенные линзы — хороший метод визуализации при относительно большом увеличении, хотя вы ограничены узким диапазоном увеличения, основанным на фокусных расстояниях задействованных линз.Стоит попробовать, если у вас есть пара запасных линз. Если вам нужно купить линзы для этого метода, я бы остановился на лучших методах, таких как линзы сильфона, объективы микроскопа и увеличивающие линзы.

линз, объяснено энциклопедией RP Photonics; кривизна волнового фронта, фокусирующая линза, расфокусировка, фокусное расстояние, уравнение производителя линз, числовая апертура, двояковыпуклый, плосковыпуклый, вогнутый, мениск, цилиндрический, дуплеты, асферические линзы, астигматизм, аберрации

Энциклопедия> буква L> линзы

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою заявку!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием продукта.

Определение: прозрачные оптические устройства, влияющие на кривизну волнового фронта света

Более конкретные термины: шаровые линзы, микролинзы, ахроматические линзы, асферические асферические, цилиндрические линзы, стержневые линзы, дифракционные линзы, окулярные линзы, сканирующие линзы, линзы f – theta, телецентрические линзы, линзы объектива, окулярные линзы, полевые линзы, линзы Френеля. , линзы с градиентным индексом, линзы Керра

Немецкий: Линсен

Категории: общая оптика, фотонные устройства

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/lenses.html

Оптическая линза состоит из прозрачной среды (в большинстве случаев из оптического стекла или полимера), где свет входит с одной стороны и выходит с противоположной стороны. Часто, но не всегда, у него есть хотя бы одна кривая поверхность. Его цель — изменить кривизну волнового фронта света, что означает, что свет сфокусирован или расфокусирован. Фокусирующая и расфокусирующая линзы также иногда называются сходящимися или расходящимися линзами соответственно, хотя кажется более естественным использовать эти прилагательные для лучей, а не линз.Также линзы иногда называют положительными (при фокусировке) или отрицательными (расфокусировка).

Строго говоря, линза — это всегда единый оптический элемент, и в данной статье речь пойдет в основном о них. Однако системы, содержащие несколько линз в общем корпусе, также часто называют линзами; мы рассматриваем их в статье о целях , а точнее, например, под фотообъективы.

Некоторые типичные примеры использования оптических линз:

• Коллимированный луч, имеющий приблизительно плоские волновые фронты, преобразуется в луч, в котором волновые фронты изогнуты так, что луч сходится к фокусу.Затем линза действует как фокусирующая линза — см. Рисунок 1 (а).
• Линза того же типа может преобразовывать расходящийся луч в коллимированный; Затем он действует как коллимирующая линза . Это также можно увидеть на Рисунке 1 (а), если учесть, что падающий луч идет с правой стороны.
• Другие линзы, имеющие вогнутые поверхности, могут делать коллимированный или сходящийся пучок расходящимся — см. Рисунок 1 (b). Такие линзы также можно использовать для коллимирования пучка, который изначально сходится.
• Часто для визуализации используется одна линза или комбинация нескольких линз (объектив). Например, объектив камеры используется для отображения сцены на фотопленке или на электронном датчике изображения. Точно так же объективы микроскопов используются для получения изображений небольших объектов.

Рисунок 1: Фокусирующие и дефокусирующие линзы.

Хотя изменение радиуса луча часто рассматривается как фактическая функция линзы, его основной функцией является изменение кривизны волнового фронта, которое является реальной причиной изменений радиуса луча во время распространения после линзы.(Обратите внимание, что оптическая энергия всегда распространяется в направлении, перпендикулярном фронтам волны.) Это показано на рисунке 2: между линзой и фокусом луча свет сходится из-за кривизны волнового фронта, а после фокуса он расходится из-за кривизны волнового фронта в противоположном направлении.

Фигура 2: Изменение кривизны волнового фронта на фокусирующей линзе. Красный и синий цвета визуализируют силу и знак электрического поля в один момент времени. Предполагаемая длина волны намного больше, чем на самом деле.

Физическое происхождение изменений волнового фронта

Для большинства линз изменения волнового фронта возникают из-за кривизны по крайней мере одной из поверхностей. Для типичной двояковыпуклой линзы (т. Е. Линзы с двумя выпуклыми поверхностями), как показано на рисунке 2, оптическая фазовая задержка для света, проходящего через линзу вблизи ее центра, больше, чем для света, распространяющегося дальше от центра, где линза расположена тоньше. Это связано с тем, что показатель преломления материала линзы больше, чем у окружающей среды (обычно воздуха).Радиально изменяющаяся фазовая задержка прямо означает изменение кривизны волновых фронтов.

Альтернативное физическое объяснение — преломление на поверхности линз. В частности, для толстых линз (см. Ниже) подробный расчет на основе рефракции более точен, чем расчет, основанный на радиально изменяющейся фазовой задержке, который игнорирует возможные изменения размера луча внутри линзы.

Есть также линз с градиентным показателем преломления ( линз GRIN ), где показатель преломления систематически изменяется в пределах материала линзы.Для фокусирующей линзы GRIN показатель преломления самый высокий в центре и ниже снаружи; должно происходить приблизительно параболическое изменение показателя преломления с увеличением радиального положения. Поверхность линзы GRIN обычно плоская, поэтому она выглядит как обычная пластина или (чаще) как цилиндрический стержень.

Другой подход основан на фотонных метаповерхностях, которые позволяют реализовать произвольные поперечные профили фазовых изменений и, таким образом, также легко избежать некоторых оптических аберраций.Кроме того, такие оптические устройства могут быть плоскими и очень тонкими.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние f тонкой линзы — это расстояние от линзы до фокуса за ней, если на линзу попадает коллимированный луч (см. Рисунок 1 (a)). Для дефокусирующей линзы фокусное расстояние отрицательно: оно равно расстоянию до виртуального фокуса (см. Рисунок 1 (b)).

Для толстых линз (см. Ниже) ситуация более сложная. Обычно он имеет две основные плоскости, а фокусное расстояние для каждой стороны — это расстояние между этой точкой и соответствующей точкой фокусировки.Если среда, окружающая объектив, одинакова с обеих сторон, два значения фокусного расстояния идентичны. См. Статью о фокусном расстоянии для более подробной информации.

Диоптрическая сила (или фокусирующая сила ) линзы является величиной, обратной фокусному расстоянию, или показателю преломления окружающей среды, деленному на фокусное расстояние.

Обычные линзы, используемые в лазерной технологии, имеют фокусное расстояние от 5 мм до многих метров. Шаровидные линзы и крошечные асферические линзы (см. Ниже) легко могут быть меньше, иногда даже значительно меньше 1 мм.

Линза с заданным фокусным расстоянием f создает радиально изменяющуюся фазовую задержку для лазерного луча в соответствии со следующим уравнением:

Эта формула игнорирует постоянную часть изменения фазы, а также аберрации. Обратите внимание, что в зависимости от функции линзы — например, фокусировки коллимированных входных лучей или перефокусировки расходящегося света — могут потребоваться члены более высокого порядка в фазовом профиле, чтобы избежать оптических аберраций.

Подробнее читайте в статье о фокусном расстоянии.

Уравнение производителя линз

Следующее уравнение, называемое уравнением производителя линз , позволяет рассчитать фокусное расстояние линзы, изготовленной из материала с показателем преломления n и радиусом кривизны R ₁ и R ₂ на двух поверхностей:

Радиусы кривизны принимаются положительными для выпуклых поверхностей и отрицательными для вогнутых поверхностей. Последний термин актуален только для толстых линз (см. Ниже) со значительной кривизной с обеих сторон.Уравнение справедливо для параксиальных лучей, не слишком далеко от оси симметрии, и предполагает, что окружающая среда имеет показатель преломления, близкий к 1 (как в случае с воздухом).

Обратите внимание, что в литературе используются разные условные обозначения. Например, по общепринятому соглашению радиус второй границы раздела считается положительным, если поверхность вогнутая. Это противоположно принятому выше соглашению.

Тонкие и толстые линзы

Во многих практических случаях линза настолько тонкая, что радиус луча внутри линзы существенно не изменяется.Это часто имеет место для линз со слабой кривизной поверхности (т. Е. С большим радиусом кривизны). Тогда третьим членом в уравнении производителя линз (см. Выше) можно пренебречь, и, отбросив его, можно получить упрощенное уравнение тонкой линзы. В оптике есть много других уравнений, в которых доступны упрощенные версии для тонких линз или которые справедливы только для тонких линз. Критерии тонкости линзы в таких уравнениях могут быть разными.

Толстые линзы часто встречаются, когда требуется большая сила фокусировки, а также для составных линз.Толщина d (расстояние между поверхностями линз, измеренное по оси) также оказывает значительное влияние на фокусное расстояние, что можно увидеть в уравнении производителя линз. Также обратите внимание, что точное определение положения толстой линзы и, следовательно, ее фокусного расстояния неочевидно для толстой линзы, по крайней мере, когда она асимметрична.

Уравнение объектива

Фигура 3: Иллюстрация уравнения линзы.

Если расходящийся (а не коллимированный) луч попадает на фокусирующую линзу, расстояние b от линзы до фокуса становится больше, чем фокусное расстояние f (см. Рисунок 3).Это можно вычислить с помощью уравнения линзы

, где a — расстояние от исходного фокуса до линзы. Это показывает, что b ≈ f , если a >> f , но b> f в противном случае. Это соотношение можно интуитивно понять: для коллимации падающего луча (т. Е. Для устранения расходимости луча) потребуется фокусирующая сила 1/ a , так что только фокусирующая сила 1/ f — 1/ a оставил для фокусировки.

Если a ≤ f , уравнение не может быть выполнено: линза не может фокусировать луч.

Обратите внимание, что уравнение линзы применяется для лучей, предполагая, что параксиальное приближение действительно, т.е. все углы относительно оси луча остаются малыми.

Фокусировка коллимированного пучка

Если коллимированный гауссов пучок с радиусом пучка w ₀ попадает в фокусирующую линзу с фокусным расстоянием f , радиус перетяжки луча (фокус) после линзы может быть рассчитан по уравнению

, где предполагается, что радиус луча в фокусе намного меньше, чем начальный радиус луча w ₀ .(Это условие нарушается для лучей со слишком малым радиусом падения; тогда фокус больше, чем согласно данному уравнению.) Также предполагается, что радиус луча значительно больше длины волны λ, так что параксиальное приближение действительно.

Числовая апертура и f-число объектива

Числовая апертура (NA) фокусирующей или коллимационной линзы определяется как синус угла краевого луча, выходящего из фокальной точки, умноженный на показатель преломления среды, из которой исходит входной луч.ЧА линзы (а не ее фокусное расстояние) — это то, что ограничивает размер перетяжки луча, которая может быть сформирована с помощью этой линзы. Требуются линзы с довольно высокой числовой апертурой (порядка 0,5–0,9), например. для проигрывателей и записывающих устройств с носителями данных, такими как компакт-диски, DVD-диски и диски Blu-ray. В микроскопе NA ограничивает получаемое разрешение изображения.

Обратите внимание, что определение числовой апертуры не основано на фокусном расстоянии для линз или объективов, которые предназначены для отображения с некоторой плоскости объекта на плоскость изображения.Здесь угловой проем рассматривается из точки на плоскости объекта. Подробнее читайте в статье о числовой апертуре.

Линзы

с высокой числовой апертурой также необходимы для коллимирования лазерных лучей, исходящих из малых апертур. Например, это относится к одномодовым лазерным диодам малой мощности. Когда используется линза со слишком низкой числовой апертурой, результирующий коллимированный луч может быть искажен (аберрирован) или даже усечен.

Очевидно, что объектив с высокой числовой апертурой должен быть относительно большим, если он имеет большое фокусное расстояние.

Для объективов фотоаппаратов (фотографических объективов) часто указывается минимальное число f (или диапазон чисел f). Например, объектив с диафрагмой f / 4 — это объектив, у которого максимальная открытая диафрагма (точнее: максимальный входной зрачок) имеет диаметр, равный четверти фокусного расстояния. (Обратите внимание, что фокусным расстоянием является f , но не f-число !) Это означает, что числовая апертура sin (1/4) ≈ 0,247, но спецификация числа f более характерна для фотографических объективов.

Двояковыпуклые, плосковыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые и менисковые линзы

Все фокусирующие линзы, показанные на рисунках выше, двояковыпуклые, т. Е. Выпуклые с обеих сторон. Плоско-выпуклые линзы плоские с одной стороны и выпуклые с другой. Также возможно изготовление двояковыпуклых линз с разным радиусом кривизны с обеих сторон. Точно так же дефокусирующие линзы могут быть двояковогнутыми или плосковогнутыми.

Рисунок 4: Различные типы оптических линз.

Согласно уравнению производителя линз (см. Выше), определенная диоптрическая сила может быть достигнута с помощью линз различной конструкции.Однако они различаются аберрациями (ошибками изображения, см. Ниже). Для визуализации небольшого пятна в пятно равного размера лучше всего подходит симметричная двояковыпуклая линза. Для асимметричного применения, такого как фокусировка коллимирующего луча или коллимация сильно расходящегося луча, плоско-выпуклая линза может быть более подходящей. (Идеальным решением была бы асимметричная линза с оптимизированными радиусами кривизны с обеих сторон.) Он должен быть ориентирован так, чтобы изогнутая поверхность находилась на стороне коллимированного луча.Обе поверхности линз затем участвуют в фокусирующем действии. См. Рисунок 5 с примерами обычно используемых конфигураций. Точно оптимальная конфигурация может, например, слегка отклоняться от плосковыпуклой линзы в случае фокусировки луча, но плосковыпуклое решение обычно достаточно близко.

Фигура 5: Рекомендуемые типы линз для перефокусировки и коллимации. Средний случай для симметричной перефокусировки лучше первого с точки зрения аберраций, но может иметь более высокие потери из-за двух дополнительных оптических поверхностей.

Линзы мениска бывают выпукло-вогнутыми, т. Е. Выпуклыми с одной стороны и вогнутыми с другой. Вклады обеих сторон в диоптрическую силу частично компенсируют друг друга; в целом линза может быть положительной (фокусировка) или отрицательной (расфокусировка). Линзы с положительным мениском могут использоваться для фокусировки луча, но они часто используются только как корректирующие линзы в объективах: их основная функция — корректировать аберрации изображения. Они также полезны для конденсаторов в системах освещения.

Шаровидные линзы имеют форму шара. Точно так же есть стержневые линзы цилиндрической формы.

Двойные линзы изготавливаются путем соединения двух линз, состоящих из разных оптических материалов. Наиболее распространены ахроматических дублетов (см. Ниже).

Существуют также линзы Френеля, которые можно сделать намного тоньше, но вряд ли они могут обеспечить высокие оптические характеристики.

Аберрации, вызванные линзами

Объективы вызывают различные типы аберраций (ухудшение качества изображения):

• Большинство линз имеют сферическую поверхность просто потому, что их легче всего изготовить.Однако сферическая поверхность более или менее отклоняется от идеальной, и это приводит к аберрациям изображения (особенно в периферийных областях) или ухудшению качества лазерного луча. Они называются сферическими аберрациями . Асферические линзы (см. Ниже) могут иметь сильно уменьшенные сферические аберрации. Существуют типы линз с формой поверхности, оптимизированной для определенных применений. Подробнее см. Статью о сферических аберрациях.
• Для падения от нормального направления получается астигматизм и кома .Кроме того, линзы обычно имеют кривизну поля : точки фокусировки для падения с разных направлений лежат на кривой, а не на плоскости.
• Кроме того, есть искажения изображения, например в виде бочонка, подушечки для булавок или искажения усов.
• Хроматические аберрации возникают из-за хроматической дисперсии материала, из которого сделана линза. Типичным следствием этого является то, что фокусное расстояние в некоторой степени зависит от длины волны, поэтому белый свет не может быть идеально сфокусирован: компоненты с разными длинами волн фокусируются в разных точках.Ахроматические линзы (см. Ниже) демонстрируют сильно уменьшенные хроматические аберрации.
• Когда лазерный луч со слишком большим радиусом луча попадает на линзу, его профиль луча может быть обрезан по краям. Это может привести к значительным искажениям луча. Такая дифракция на апертуре также возникает в приложениях для получения изображений; конечный размер линзы может ограничивать разрешение изображения оптической системы. Однако качество изображения не обязательно ограничивается дифракцией, если используемые оптические компоненты и оптическая конструкция не очень высокого качества.

Такие ошибки изображения часто можно существенно уменьшить либо оптимизацией отдельных линз, либо подходящим сочетанием нескольких линз. По этой причине, например, фотографические объективы обычно состоят из значительного количества линз.

Асферические линзы

Хотя сферические аберрации можно в значительной степени компенсировать подходящим сочетанием нескольких линз, иногда предпочтительнее использовать асферические линзы , у которых форма поверхности отличается от сферической.Тогда можно получить хорошее качество изображения (с низкими сферическими аберрациями) уже с одной линзой или с меньшим количеством линз в объективе. Однако асферические линзы труднее изготовить и, следовательно, дороже.

Ахроматические линзы

Наиболее распространенный подход к получению ахроматической линзы , то есть линзы с сильно уменьшенными хроматическими аберрациями (см. Выше), заключается в соединении двух линз вместе, которые состоят из разных материалов (см. Правую часть рисунка 4).Например, можно комбинировать стекло короны с низким показателем преломления двояковыпуклой формы с кремневым стеклом с высоким коэффициентом преломления плоско-вогнутой формы, чтобы получить такой ахроматический дублет . Радиусы кривизны на границе раздела рассчитаны для минимальной хроматической дисперсии и, конечно же, должны быть точно одинаковыми.

Цилиндрические и астигматические линзы

Можно иметь кривизну поверхности линзы, например, только в горизонтальном направлении, но не в вертикальном направлении.Эта цилиндрическая линза затем будет фокусироваться или расфокусироваться только в горизонтальном направлении, не влияя на кривизну волнового фронта в вертикальном направлении.

Цилиндрические линзы могут использоваться для получения фокуса луча эллиптической формы или для создания или компенсации астигматизма луча или оптической системы.

Если имеется искривление в обоих направлениях, но не одинаковой силы, то используется астигматическая линза . Его можно использовать, например, для коррекции зрения.

Инфракрасные линзы

В ближнем инфракрасном диапазоне для изготовления линз вполне можно использовать традиционные диэлектрические материалы. Однако для более длинных волн в среднем инфракрасном диапазоне необходимо использовать специальные материалы для инфракрасной оптики. Например, можно использовать полупроводники, такие как кремний и германий.

Многоэлементные линзы

Во многих ситуациях сложно достичь различных целей, касающихся таких свойств, как минимизация аберраций с помощью одной линзы. Тогда может быть лучше использовать многоэлементные линзы, т.е.е., комбинации линз. Особенно часто используются двойные линзы (состоящие из двух линз) и тройные (с тремя линзами), но есть устройства, содержащие еще больше линз. Большинство из них можно назвать объективами, например фотографическими объективами или проекционными объективами. (В предыдущем абзаце уже упоминались ахроматические дублеты.)

Одиночные линзы могут быть скреплены вместе или установлены с некоторым воздушным зазором между ними ( систем линз с воздушным зазором ).В любом случае, многоэлементный объектив используется как один оптический элемент, например как фотографический объектив.

Производство линз

Линзы часто изготавливаются из готовых заготовок для линз , которые несколько больше. Используя подходящие методы шлифовки и полировки, можно удалить часть материала, чтобы получить окончательно необходимую форму и качество поверхности. Наконец, часто наносят антибликовое покрытие.

После процесса, а часто и во время процесса изготовления, сложные методы оптической характеризации (например,г. с интерферометрами) может применяться для контроля ошибок изготовления, которые могут, например, приводят к ошибкам волнового фронта.

Покрытия для поверхностей линз

Многие линзы имеют антибликовое покрытие на своей поверхности, которое существенно снижает отражения, вызванные изменением показателя преломления на поверхности. Однако обратите внимание, что это работает только в ограниченном диапазоне длин волн. Существует компромисс между сильным подавлением отражений и широкой полосой пропускания.

Есть также износостойких покрытий , делающих линзы более прочными.

Типы линз в зависимости от области применения и оптических функций

Оптические линзы и системы линз также часто называют в соответствии с их оптической функцией в приборе. Примеры таких терминов:

• Офтальмологические линзы используются для коррекции зрения, компенсации таких нарушений зрения, как миопия, дальнозоркость и астигматизм.
• Фокусирующие линзы используются, например, для фокусировки лазерных лучей. В частности, для больших пучков с ограничением дифракции, сфокусированных линзами с высокой числовой апертурой, достигаемые размеры фокального пятна могут быть очень маленькими (потенциально с радиусом перетяжки пучка менее 1 мкм).
• Коллимационные линзы используются для коллимации световых лучей.
• Сканирующие линзы (например, в форме линз f – theta и телецентрических линз) необходимы для сканирования направлений луча, например в лазерной обработке материалов и лазерных дисплеях.
• Конденсаторы как-то кондиционируют свет освещения, например в проекторе.
• Объективы получают свет от какого-либо объекта в системе визуализации. В частности, это могут быть фотографические объективы, объективы телескопов, объективы микроскопов и т. Д.Некоторые объективы используются в сочетании с фотографическими объективами, например для превращения объектива в макрообъектив (рисунок 6).
• Полевые линзы используются для увеличения поля зрения, например, телескопов.
Линзы
• также могут использоваться для формирования мод в лазерных резонаторах, хотя изогнутые зеркала чаще используются для этой цели.

Недостатками линз по сравнению с изогнутыми зеркалами являются потери на отражение и хроматические аберрации. С другой стороны, они позволяют точную фокусировку без астигматизма.Такие соображения также актуальны, например, при использовании линз (или зеркал) для фокусировки ультракоротких импульсов света.

Фигура 6: Фотографический макрообъектив для комбинации со стандартным объективом.

Стандартные линзы и нестандартные линзы

Поскольку у объективов относительно мало основных параметров (фокусное расстояние, числовая апертура, подходящий диапазон длин волн), часто используются стандартные линзы, многие из которых доступны на складе. Однако можно также получить индивидуальные линзы, изготовленные в соответствии с заданными спецификациями.Например, таким образом можно получить линзы не только с необычными оптическими характеристиками (например, асферические линзы), но также с особыми геометрическими характеристиками, оптическими материалами и т. Д.

Специальные линзы

Есть какие-то специальные линзы с необычными свойствами. Например, аксиконы, имеющие поверхность конической формы, иногда рассматриваются как специальные линзы.

Поставщики

Справочник покупателя RP Photonics содержит информацию о 212 поставщиках линз.Среди них:

Laserton

Laseron предлагает различные типы линз, включая плоско-выпуклые, плосковогнутые, двояковыпуклые, двояковогнутые, менисковые, шаровые, ахроматические и цилиндрические линзы.

Shanghai Optics

Shanghai Optics специализируется на изготовлении индивидуальных линз для всех областей применения, от прототипа до серийного производства.

Universe Kogaku

Universe Kogaku предлагает широкий спектр линз для различных областей применения:

• CCD-линзы и сборки CMOS-объективов для настольных и миниатюрных камер медицинские системы, высокоскоростная визуализация, машинное и роботизированное зрение, автомобильные линзы и линзы для сельскохозяйственных дронов
• линзы для безопасности и наблюдения
• линзы для метрологии
• линзы для диодных лазерных коллиматоров, CD- и DVD-плееры, лазерные указки, лазерные уровни, лазерные системы контроля поверхности и оборудование для позиционирования и измерения
• линзы высокого разрешения для машинного зрения, контрольно-измерительной аппаратуры, инспекций и приложений, чувствительных к вибрации
• линзы для визуализации и узлы линз со штрих-кодом
• медицинские объективы для визуализации в сборе
• объективы и окуляры микроскопа, фотографические линзы
• УФ линза как semblies

У нас есть много готовых решений, но мы также предлагаем индивидуальные разработки.

Perkins Precision Developments

PPD производит индивидуальные высокоточные оптические компоненты, включая сферические линзы, узлы линз и подложки сферических зеркал для обработки изображений, машинного зрения и применения высокоэнергетических лазеров от ультрафиолета (УФ) до среднего инфракрасного (MIR). Также предлагаем линзы цилиндрической формы. Доступна оптика с покрытием и без покрытия диаметром от 2 мм до> 8 дюймов и из широкого диапазона материалов, включая плавленый кварц, инфразил, N-BK7, YAG, SF11 и другие стекла с высоким коэффициентом преломления.Если ваш радиус кривизны еще не определен, свяжитесь с нами для получения информации о существующем производственном оборудовании и испытательных пластинах или отправьте нам свои проектные спецификации для получения полностью индивидуализированного объектива или зеркала.

Антиотражающие покрытия с малыми потерями, напыленными ионно-лучевым напылением (AR) с коэффициентом отражения менее 0,1% на поверхность, и покрытия с низким поглощением и высоким коэффициентом отражения доступны на линзах PPD или могут быть нанесены на подложки, поставляемые заказчиком. PPD использует только технологию нанесения тонких пленок IBS, потому что это повторяемый процесс, в результате которого получаются долговечные, стабильные и легко очищаемые покрытия.

DPM Photonics

DPM Photonics предлагает прецизионные линзы для коллимирования выходной мощности волоконных устройств большой мощности. Также мы продаем фокусирующие линзы.

Модель 02-014-1 представляет собой многоэлементную линзу с воздушным зазором, спроектированную на компьютере, которая ограничена дифракцией при использовании с волокнами с диаметром сердцевины до 1200 микрон. Рабочая длина волны 1064 нм. Модель 02-014 повторно отображает излучающую поверхность волокна с увеличением 0,67. Размеры сфокусированного пятна значительно меньше тех, которые достигаются с помощью одноэлементных линз, используемых в аналогичной конфигурации коллимации / фокусировки.Все оптические элементы изготовлены из стекол с высокой устойчивостью к лазерным повреждениям и имеют антибликовое покрытие, снижающее коэффициент отражения на поверхность до 0,13%. Рабочее расстояние между линзой и мишенью достаточно велико, чтобы можно было использовать газовое сопло для улучшения процесса резки или сварки и предотвращения осаждения мусора на поверхности линзы.

OPTOMAN

Линзы OPTOMAN с просветляющим покрытием оптимизированы для приложений с высокой мощностью лазера. Эти линзы могут использоваться для внутрирезонаторных, многокВт непрерывных и сверхбыстрых импульсов.Напыленные антибликовые покрытия имеют коэффициент отражения на поверхность до R <0,01%.

Knight Optical

Вне зависимости от области применения у нас есть широкий ассортимент стандартных и изготовленных на заказ линз для устройств, работающих в ультрафиолетовом (УФ), видимом, ближнем инфракрасном (NIR) и инфракрасном (ИК) диапазонах. От асферических линз, линз с шариком и полушариком, барабана и полубарабан до двояковыпуклых, вогнутых, цилиндрических линз »> цилиндрических линз — наше портфолио линз удовлетворяет ряд требований проектов.

Intrinsic Crystal Technology

Лазерные линзы, поставляемые Intrinsic Crystal, в основном используются для систем сканирования, освещения, формирования изображений или резки. Их можно использовать для формирования лазера, расширителей пучка, сумматоров пучка, полевых линз, зеркал гальванометров и светоделителей. Доступные оптические материалы: кварц, стекло BK7, ZnSe, фторид кальция, монокристаллический кремний, сапфир, ZK7 и другие.

Artifex Engineering

Artifex Engineering предлагает индивидуальные оптические линзы, такие как ахроматические или цилиндрические линзы, практически для любого применения в УФ- и ИК-спектрах.По запросу могут быть выполнены особые требования, такие как сегментирование и окраска краев в черный цвет. Посетите нашу страницу продукта для получения дополнительной информации. Мы с нетерпением ждем вашего запроса.

Edmund Optics

Edmund Optics предлагает самый большой в мире инвентарь готовых оптических компонентов, который включает широкий выбор стандартных оптических линз, таких как ахроматические линзы или асферические линзы. Многие линзы Edmund Optics предлагаются с различными вариантами покрытия для ультрафиолетового (УФ), видимого или инфракрасного (ИК) спектра.

EKSMA OPTICS

EKSMA Optics предлагает стандартные плоско-выпуклые, плосковогнутые, двояковыпуклые, двояковогнутые, цилиндрические линзы и комплекты линз из оптических материалов BK7, UVFS или CaF ₂ . EKSMA Optics также имеет большой опыт производства оптических линз на заказ из множества других оптических материалов. Линзы индивидуальной конструкции могут быть изготовлены на нашем заводе для полировки линз с ЧПУ, а затем покрыты покрытием для вашего применения.

AMS Technologies

AMS Technologies предлагает широкий ассортимент оптических линз, изготовленных из высококачественного оптического стекла, а также кристаллов и других оптических материалов:

• сферических линз различных размеров и форм (плосковыпуклые, плосковогнутые, двояковыпуклые, двояковогнутые, менисковые, без покрытия или с просветляющим покрытием, для УФ, видимого и инфракрасного света
• асферические линзы из формованного стекла с исключительным соотношением цена / качество, для видимого и инфракрасного диапазонов волн, как стандартные модели, в стандартном исполнении сборки или как коллимирующие асферические линзы
• Асферические линзы большего диаметра, отполированные на станке с ЧПУ, с различными покрытиями
• цилиндрические линзы, плосковыпуклые, плоско-вогнутые или стержневые, размеры от 2 до 250 мм, плюс двойные и тройные
• индивидуальные оптические линзы, точно соответствующие вашим требованиям, доступны по запросу

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии.Если они будут приняты автором, они будут отображаться над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: линзы с градиентным индексом, цилиндрические линзы, сканирующие линзы, объективы, шаровые линзы, линзы Френеля, фокусное расстояние, преломление, числовая апертура, нестандартная оптика, антибликовые покрытия, астигматизм, изображение с линзой, хроматические аберрации, ахроматические оптика, сферические аберрации, асферическая оптика, тепловое линзирование
и другие товары в категориях общая оптика, фотонные устройства

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети: Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о линзах  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt = "article">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/lenses.html 
, статья «Линзы» в энциклопедии RP Photonics]  

Boddeker’s Optics страницы

Ch 27 Оптика и Глаз

световых проходов через роговицу человеческого глаза и фокусируется линзой на сетчатке.Цилиарные мышцы меняют форму хрусталика. Глаз производит реальное перевернутое изображение на сетчатке. Почему все не выглядит перевернутым нас? Ближайшая точка ближайшая точка к глазу, на которую объектив может сфокусироваться ≈ 25 см от глаз (меняется с возрастом) Дальняя точка самая дальняя точка, на которой глаз может сфокусироваться; должно быть бесконечно далеко

Самый простой фотоаппарат состоит из объектива и пленки в тёмном ящике Объектив фотоаппарата не может менять форму; он приближается к фильму или отдаляется от него в чтобы сосредоточиться. Число f характеризует размер проема: Комбинация числа f и выдержки определяет количество света, которое достигает фильм.

Комбинированные линзы и корректирующая оптика

В двухобъективном системе изображение, создаваемое первой линзой, служит объектом для вторая линза. Чтобы найти изображение, сформированное комбинацией линз, рассмотрим каждую линзу по очереди, начиная с ближайшим к объекту. Всего Увеличение — это произведение увеличения каждой линзы.

Близорукий у человека есть дальняя точка, которая находится на конечном расстоянии от линзы слишком много внимания; объекты, находящиеся дальше, будут выглядеть размытыми. Очки бытовые по сути, рассеивающая линза, которая формирует изображение удаленного объекта на дальняя точка. Сила Корректирующие линзы обычно обозначаются как сила преломления, которая является обратной фокусного расстояния, измеренного в 1 / м или диоптриях. Сила преломления = 1 / f

Пример Расслабленные глаза пациента имеют преломляющую силу 48.5 диоптрий. (а) Это пациент близорукий или дальнозоркий? (b) Поскольку это пациент близорук, найдите дальнюю точку. (Относитесь к глазу как к однообъективная система с сетчаткой на расстоянии 2,40 см от линзы.)

(а) рядом зрячие люди любят видеть вдаль, поэтому рассчитывают рефракционные мощность для очень удаленных объектов. 1 / f = 1 / d i + 1 / д или 1 / f = 1/0.024 + 1 / ∞ 1 / ж = +41,7 диоптрии Поскольку это меньше заданной преломляющей способности, мы знаем, что этот человек близорук.

(б) 1 / f = 1 / d i + 1 / д o 48,5 = 1 / 0,024 + 1 / д или д о = 14,6 см

Дальновидный -> не может сфокусироваться на близких объектах ближайшая точка слишком далеко. Объектив не достаточно фокусировки А сходящийся Объектив дополнительно фокусирует изображение и перемещает изображение за пределы ближней точки.

Пример A дальновидный человек использует очки с преломляющей силой 3,4 диоптрии. Очки носится на расстоянии 2,5 см от глаз. Что это за люди рядом, когда они не носят очки? (б) Какая требуется сила преломления для контактов?

Ключевое допущение: Ближайшая точка обычно корректируется на 25 см от глаз (не хрусталик).

1 / f = 1 / d i + 1 / д или 3,4 = 1 / д i + 1 / (. 25-.025) д я = -0,957 метра (от объектива) N = 95,7 см + 2,5 в см N = 98,2 см

(б) 1 / f = 1 / d i + 1 / д или 1 / f = -1 / .982 + 1 / (. 25) 1 / f = +2,98 диоптрии

Увеличительное стекло

А увеличительное стекло стекло (выпуклая линза) приближает ближнюю точку к глазу.

А увеличительное стекло стекло с фокусным расстоянием 20 см помещается в 15 см правее стрелки. Где изображение? 1 / f = 1 / d или + 1 / д и 1/20 = 1 / 15 + 1 / д и д я = -60 см

Объект в фокусной точке загар θ = h o / N (когда θ маленький; тангенс θ ≈ θ) θ = h o / N

Теперь установите собирающую линзу с фокусным расстоянием меньше N очень близко к глазу и поместите объект в фокус линзы.(ж 1 / f = 1 / d или + 1 / д и 1 / f = 1 / f + 1 / d i д я = бесконечность

Это дает объект большего углового размера. загар θ = h o / f θ = h o / f M = h i / ч o = θ / θ M = h o / ф / ч o / N M = N / f

Изображение в ближней точке В этом случае увеличение увеличивается до максимума, если изображение находится в ближней точке

1 / f = 1 / d или + 1 / д и 1 / f = 1 / d или — 1 / № (отрицательно, потому что на той же стороне, что и объект) d o = е н / (н + ж) M ≈ d i / д или M ≈ N / [f N / (N + f)] М = 1 + н / ж

Микроскоп

м объектив линза = h i / h o м объектив линза ≈ — d i / d o = — d o / f объектив

Если объект помещается рядом с фокусной точкой линзы объектива, затем Изображение Линза объектива формируется в фокусе окуляра. , который, в свою очередь, формирует изображение окуляра на бесконечности.

м окуляр = N / f окуляр (это уравнение получено выше объекта в фокусной точке)

Так увеличение микроскопа м = (м объектив линза ) (окуляр м ) м = (-d o / Объектив f ) (окуляр н / ф )

Телескопы

M = h i / ч o = θ / θ M = h o / f глаз / h o / f obj Объектив M = f линза / f окуляр ПОЧЕМУ ??? Пример с Объектив 1 / f = 1 / ∞ + 1 / d изображение и изображение формы в координационном центреthus f = d изображение

Объект находится в бесконечности И нужен самый большой объектив возможного (собирать свет)

Пример Кассегрен В астрономическом телескопе для формирования изображения используются два зеркала.Чем больше Зеркало объектива (вогнутое) имеет фокусное расстояние 50,0 см. Небольшая выпуклая Вторичное зеркало устанавливается на 43,0 см перед основным. Свет отражается от вторичной обмотки через отверстие в центре первичной обмотки, тем самым формируя реальное изображение на расстоянии 8,00 см за главным зеркалом. Что радиус кривизны вторичного зеркала?

Поскольку лучи исходят из бесконечности, изображение появляется на фокусное расстояние или 50 см, что на 7 см больше, чем у 2 nd зеркало.Таким образом, объект для зеркала 2 и находится на 7 см позади зеркала 2 и . зеркало.

1 / ф 2 = 1 / d o + 1 / d i 1 / ф 2 = 1 / -7 + 1 / (43 + 8) ф 2 = -8,11 см

Зеркала: R = -2f R = -2 (-8,11) R = 16,2 см

Пример У нас есть горит стрелка на 22.5 см и выпуклая линза (фокусное расстояние 5 см) на 12,5 см. и зеркало на 0 см. Где формируется финальное изображение и какой увеличение?

1 / f = 1 / o + 1 / i 1/5 = 1/10 + 1 / i 2/10 = 1/10 + 1 / я 1/10 = 1 / я я = 10 см на расстоянии 2,5 см от зеркала

Теперь проведем трассировку лучей.Поместите виртуального человека где-нибудь за изображением (являющимся объектом для зеркала) И используя закон отражения (угол падения = угол выхода) Посмотрите на красную (от объекта) и зеленую линии (от человека). Они равны нормали, сформированной на поверхности зеркала.

Изображение с зеркала расположено 2.5 см за зеркалом. Это объект для последнего изображения через линзу. 1 / f = 1 / o + 1 / i 1/5 = 1 / (12,5 — -2,5) + 1 / i 1/5 = 1/15 + 1 / i я = 7,5 в см , что дает конечное положение на расстоянии 20 см от зеркала. как всегда положительное расстояние изображения означает, что изображение находится на ПРОТИВОПОЛОЖНАЯ сторона объектива.

Аберрации объектива

Сферический аберрация возникает, когда свет, падающий на линзу далеко от оси, не сфокусируйтесь правильно. Это может быть исправлено точной шлифовкой линзы, несферическая форма.

Хроматический аберрация возникает, когда свет разных цветов фокусируется в разных точках.

Хроматический аберрацию можно уменьшить, комбинируя две или более линз, которые имеют тенденцию устраняют аберрации друг друга. Это отлично работает только для сингла длина волны

Другие оптические инструменты | Безграничная физика

Увеличительное стекло

Увеличительное стекло — это выпуклая линза, которая позволяет наблюдателю видеть увеличенное изображение наблюдаемого объекта.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Увеличение увеличительного стекла зависит от того, где оно расположено между глазом пользователя и просматриваемым объектом, а также от общего расстояния между глазом и объектом.
• Сила увеличения — это соотношение размеров изображений, формируемых на сетчатке пользователя с линзой и без нее.
• Наибольшая сила увеличения достигается, если поднести линзу очень близко к глазу и совместить движение глаза и линзы для получения наилучшего фокуса.

Ключевые термины

• линза : объект, обычно сделанный из стекла, который фокусирует или расфокусирует проходящий через него свет
• диоптрия : единица измерения силы линзы или зеркала, равная обратной величине его фокусного расстояния в метрах. Близорукость диагностируется и измеряется в диоптриях
• выпуклый : изогнутый или изогнутый наружу, как внешняя сторона чаши, сферы или круга

Увеличительное стекло — это выпуклая линза, которая позволяет наблюдателю видеть увеличенное изображение наблюдаемого объекта.Объектив обычно устанавливается в оправу с ручкой, как показано ниже.

Увеличительное стекло : Увеличительное стекло — это выпуклая линза, которая позволяет наблюдателю видеть увеличенное изображение наблюдаемого объекта.

Увеличение лупы зависит от того, где находится инструмент между глазом пользователя и просматриваемым объектом, а также от общего расстояния между глазом и объектом. Сила увеличения — это соотношение размеров изображений, сформированных на сетчатке глаза пользователя с увеличительным стеклом и без него.Когда линза не используется, пользователь обычно приближает объект как можно ближе к глазу, не делая его размытым. (Эта точка, известная как ближайшая точка, меняется с возрастом. У маленького ребенка расстояние до него может составлять всего пять сантиметров, а у пожилого человека расстояние может достигать одного или двух метров.) Лупы обычно характеризуются используя «стандартное» значение 0,25 м.

Наивысшая сила увеличения достигается при очень близком расположении линзы к глазу и одновременном перемещении глаза и линзы для получения наилучшего фокуса.При таком использовании линзы силу увеличения можно определить по следующей формуле:

[латекс] \ text {MP} _ {0} = \ frac {1} {4} \ cdot \ Phi +1 [/ latex]

, где [латекс] \ Phi [/ latex] = оптическая сила. Если поднести увеличительное стекло к объекту и отвести глаз, сила увеличения приблизительно равна:

[латекс] \ text {MP} _ {0} = \ frac {1} {4} \ cdot \ Phi [/ latex]

Типичные увеличительные стекла имеют фокусное расстояние 25 см и оптическую силу четыре диоптрии.Этот тип стекла будет продаваться как двукратная лупа, но обычный наблюдатель увидит от одного до двухкратного увеличения в зависимости от положения линзы.

Самым ранним свидетельством наличия увеличительного устройства была «линза» Аристофана 424 г. до н.э., стеклянный шар, наполненный водой. (Сенека писал, что его можно использовать для чтения букв, «независимо от того, насколько они маленькие или тусклые».) Роджер Бэкон описал свойства луп в 13 веке, и очки также были разработаны в Италии 13 века.

Камера

Камеры

— это оптические устройства, которые позволяют пользователю записывать изображение объекта на фотобумаге или в цифровом виде.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Камеры работают аналогично человеческому глазу. Радужная оболочка похожа на линзу; зрачок похож на диафрагму; а веко похоже на шторку.
• Фотокамеры — это современная эволюция камеры-обскуры.Камера-обскура была устройством, используемым для проецирования изображений.
• Самая важная часть фотоаппарата — это объектив, который позволяет увеличивать и фокусировать изображение. Это можно сделать вручную на некоторых камерах и автоматически на более новых камерах.
• Кинокамеры работают, делая много снимков каждую секунду, а затем очень быстро показывая каждое изображение, чтобы создать эффект движения изображений. Отсюда и название «кино».

Ключевые термины

• выдержка : Продолжительность времени, в течение которого затвор камеры остается открытым при экспонировании фотопленки или другого светочувствительного материала свету с целью записи изображения

Что такое камера?

Камера — это устройство, позволяющее записывать изображения на пленку или в цифровом виде.Камеры могут записывать как изображения, так и фильмы; сами фильмы получили свое название от движущихся картинок. Слово камера происходит от латинского словосочетания camera obscura , что означает «темная камера». «Камера-обскура была одним из первых инструментов для проецирования изображений со слайдов. Камера, которую вы используете сегодня, — это эволюция камеры-обскуры.

Камера обычно состоит из отверстия или апертуры, которая позволяет свету проникать в полость, и поверхности, которая фиксирует свет на другом конце.В 20-м — ^{-м —} -м веках эти изображения будут храниться на фотобумаге, которую затем нужно было проявить, но сейчас большинство фотоаппаратов хранят изображения в цифровом виде.

Как работает камера?

Камеры

имеют множество компонентов, которые позволяют им работать. Давайте посмотрим на них по очереди.

Объектив

Линза камеры позволяет свету попадать в камеру и обычно имеет выпуклую форму. Есть много типов объективов, которые можно использовать, каждый для своего типа фотографии.Есть объективы для крупного плана, для спорта, для архитектуры и для портрета.

Две основные характеристики объектива — это фокусное расстояние и диафрагма. Фокусное расстояние определяет увеличение изображения, а диафрагма контролирует интенсивность света. Число f на фотоаппарате определяет выдержку. Это скорость, с которой затвор, который действует как его «веко», открывается и закрывается. Чем больше диафрагма, тем меньше должно быть f-число, чтобы заслонка открывалась и закрывалась полностью.Время, необходимое для открытия и закрытия затвора, называется выдержкой. показывает пример двух линз одинакового размера, но с разной апертурой.

Фокус

Некоторые камеры имеют фиксированный фокус, и в фокусе будут только объекты определенного размера, находящиеся на определенном расстоянии от камеры. Другие камеры позволяют вручную или автоматически настраивать фокус. показывает снимок, сделанный камерой с ручной фокусировкой; это позволяет пользователю определять, какие объекты будут в фокусе, а какие нет.Диапазон расстояний, на котором объекты выглядят резкими и четкими, называется глубиной резкости.

Экспозиция

Диафрагма регулирует интенсивность света, попадающего в камеру, а затвор регулирует экспозицию — количество времени, в течение которого свет попадает в камеру.

Затвор

Затвор — это то, что открывается и закрывается, пропуская свет через апертуру. Скорость, с которой он открывается и закрывается, называется f-числом. Для большей диафрагмы число f обычно мало для короткой выдержки.Для меньшей диафрагмы число f больше, что позволяет использовать более длинную выдержку.

Составной микроскоп

Составной микроскоп состоит из двух выпуклых линз; первая, окулярная линза, находится близко к глазу, а вторая — линза объектива.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• В составном микроскопе используется несколько линз для создания увеличенного изображения, которое легче увидеть человеческому глазу; это связано с тем, что конечное изображение находится дальше от наблюдателя, и поэтому глаз более расслаблен при просмотре изображения.
• Объект расположен сразу за фокусным расстоянием линзы объектива. Увеличенное изображение затем захватывается линзой объектива, которая действует как объект для линзы окуляра. Окулярная линза находится ближе к новому изображению, чем ее фокусное расстояние, поэтому она действует как увеличительное стекло.
• Поскольку конечное изображение просто кратно размеру первого изображения, окончательное увеличение является произведением обоих увеличений каждой линзы.

Ключевые термины

• хроматическая аберрация : оптическая аберрация, при которой изображение имеет цветные полосы, вызванные дифференциальным преломлением света с разной длиной волны

Составной микроскоп использует несколько линз для увеличения изображения для наблюдателя.Он состоит из двух выпуклых линз: первая, окулярная, расположена близко к глазу; второй — линза объектива.

Составные микроскопы намного больше, тяжелее и дороже простых микроскопов из-за наличия нескольких линз. Преимущества этих микроскопов, благодаря множеству линз, заключаются в уменьшенных хроматических аберрациях и сменных линзах объектива для регулировки увеличения.

показывает схему составного микроскопа, состоящего из двух выпуклых линз. Первая линза называется линзой объектива и находится ближе всего к наблюдаемому объекту.Расстояние между объектом и линзой объектива немного больше фокусного расстояния, f ₀ . Линза объектива создает увеличенное изображение объекта, которое затем действует как объект для второй линзы. Вторая или окулярная линза — это окуляр. Расстояние между линзой объектива и линзой окуляра немного меньше фокусного расстояния линзы окуляра, f _e . Это заставляет окулярную линзу действовать как увеличительное стекло для первого изображения и делать его еще больше.Поскольку конечное изображение перевернуто, оно находится дальше от глаза наблюдателя и, следовательно, его намного легче просматривать.

Схема составного микроскопа : На этой схеме показана установка зеркал, которые позволяют увеличивать изображения.

Поскольку каждая линза дает увеличение, которое умножает высоту изображения, общее увеличение является произведением отдельных увеличений. Уравнение для его расчета выглядит следующим образом:

[латекс] \ text {m} = \ text {m} _ \ text {o} \ text {m} _ \ text {e} [/ latex]

, где m — общее увеличение, m _o — увеличение линзы объектива, m _e — увеличение линзы окуляра.

Телескоп

Телескоп помогает в наблюдении за удаленными объектами, собирая электромагнитное излучение, например, видимый свет.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• До изобретения зеркал с серебряной опорой преломляющие зеркала были стандартом для использования в телескопах. Это было из-за очень агрессивной природы металлов, используемых в старых зеркалах. С тех пор отражающие зеркала заменили преломляющие зеркала в астрономии.
• Существует три основных типа оптических телескопов: рефракционные, отражающие и катадиоптрические.
• В преломляющих телескопах, таких как изобретенный Галилео, используются линза объектива и окуляр. Изображение фокусируется в фокусной точке и позволяет наблюдателю видеть более яркое и крупное изображение, чем он видел бы своим глазом.
• Отражающие телескопы используют изогнутые зеркала, которые отражают свет для формирования изображения. Иногда вторичное зеркало перенаправляет изображение в окуляр.В других случаях изображение регистрируется датчиком и просматривается на экране компьютера.
• Телескопы Catadioptric объединяют зеркала и линзы для формирования изображения. Эта система имеет большую степень исправления ошибок, чем другие типы телескопов. Комбинация отражающих и преломляющих элементов позволяет каждому элементу исправлять ошибки, сделанные другим.

Ключевые термины

• хроматическая аберрация : оптическая аберрация, при которой изображение имеет цветные полосы, вызванные дифференциальным преломлением света с разной длиной волны
• сферическая аберрация : тип аберрации линзы, вызывающий размытость, особенно вдали от центра линзы
• ахроматический : без цвета; пропускающий свет без искажений, связанных с цветом

Телескоп помогает в наблюдении за удаленными объектами, собирая электромагнитное излучение, такое как рентгеновские лучи, видимый свет, инфракрасные и субмиллиметровые лучи.Первые телескопы были изобретены в Нидерландах в 1600-х годах и использовали стеклянные линзы. Вскоре после этого люди начали строить их, используя зеркала, и назвали их отражающими телескопами.

История

Первым телескопом был телескоп-рефрактор, изготовленный в 1608 году мастерами по изготовлению очков в Нидерландах. В 1610 году Галилей усовершенствовал свою собственную конструкцию. После изобретения преломляющего телескопа люди начали исследовать идею телескопа с зеркалами. Потенциальные преимущества использования зеркал вместо линз заключаются в уменьшении сферических аберраций и устранении хроматических аберраций.В 1668 году Ньютон построил первый практический телескоп-рефлектор. С изобретением ахроматических линз в 1733 году цветовые аберрации были частично скорректированы, и можно было построить более короткие и более функциональные преломляющие телескопы. Отражающие телескопы были непрактичны из-за очень агрессивных металлов, используемых для изготовления зеркал, до появления стеклянных зеркал с серебряным покрытием в 1857 году.

Типы телескопов

Рефракционные телескопы

Схема кеплеровского рефракторного телескопа : Все преломляющие телескопы используют одни и те же принципы.Комбинация линзы объектива 1 и некоторого типа окуляра 2 используется для сбора большего количества света, чем человеческий глаз может собрать самостоятельно, фокусировки его 5 и представления зрителю более яркого, четкого и увеличенного виртуального изображения 6

На рисунке выше изображен рефракторный телескоп. Линза объектива (точка 1) и окуляр (точка 2) собирают больше света, чем человеческий глаз может собрать сам по себе. Изображение сфокусировано в точке 5, а наблюдателю показано более яркое увеличенное виртуальное изображение в точке 6.Линза объектива преломляет или изгибает свет. Это заставляет параллельные лучи сходиться в фокальной точке, а те, которые не параллельны, сходятся в фокальной плоскости.

Отражающие телескопы

Отражающие телескопы, такие как показанный на рисунке, используют одно или комбинацию изогнутых зеркал, которые отражают свет для формирования изображения. Они позволяют наблюдателю видеть объекты очень большого диаметра и являются основным типом телескопов, используемых в астрономии. Наблюдаемый объект отражается изогнутым главным зеркалом на фокальную плоскость.(Расстояние от зеркала до фокальной плоскости называется фокусным расстоянием.) Здесь может быть расположен датчик для записи изображения, или может быть добавлено вторичное зеркало для перенаправления света на окуляр.

Катадиоптрические телескопы

Катадиоптрические телескопы, такие как тот, который показан на рисунке, объединяют зеркала и линзы для формирования изображения. Эта система имеет большую степень исправления ошибок, чем другие типы телескопов. Комбинация отражающих и преломляющих элементов позволяет каждому элементу исправлять ошибки, сделанные другим.

Рентгеновская дифракция

Принцип дифракции применяется для регистрации интерференции на субатомном уровне при исследовании рентгеновской кристаллографии.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Дифракция — это то, что происходит, когда волны встречаются с неровностями на поверхности или объекте и заставляют интерферировать друг с другом конструктивно или деструктивно.
• Закон Брэгга относится к применению законов дифракции в кристаллографии для получения точных изображений структур решетки в атомах.
• Рентгеновский дифрактометр — это устройство, используемое для сканирования объекта путем воздействия на него волны и регистрации интерференции, с которой он сталкивается.
• Большинство XRD оснащены щелью Соллера, которая действует как поляризатор для падающего луча. Он гарантирует, что регистрируемый падающий луч идеально параллелен анализируемому объекту.

Ключевые термины

• конструктивная интерференция : Возникает, когда волны интерферируют друг с другом от гребня к гребню, и волны точно совпадают по фазе друг с другом.
• кристаллография : Экспериментальная наука об определении расположения атомов в твердых телах.
• деструктивная интерференция : Возникает, когда волны интерферируют друг с другом от пика до впадины (от пика до впадины) и точно не совпадают по фазе друг с другом.

Дифракция рентгеновских лучей была открыта Максом фон Лауэ, который получил Нобелевскую премию по физике в 1914 году за математическую оценку наблюдаемых картин дифракции рентгеновских лучей.

Дифракция — это неоднородность, возникающая при столкновении волн с объектом.Скорее всего, вы наблюдали эффект дифракции, глядя на нижнюю часть компакт-диска или DVD. Появившийся радужный узор является результатом того, что свету мешают ямы и он попадает на диск, на котором хранятся данные. показывает этот эффект. Дифракция может происходить с любым типом волн, не только с видимыми световыми волнами.

Дифракция Брэгга

В рентгеновской кристаллографии термин дифракция — это брэгговская дифракция, то есть рассеяние волн на кристаллической структуре.Уильям Лоуренс Брэгг сформулировал уравнение закона Брэгга, которое связывает длину волны с углом падения и шагом решетки. См. Диаграмму следующего уравнения: [latex] \ text {n} \ lambda = 2 \ text {d} \ sin (\ theta) [/ latex]

• n — числовая константа, известная как порядок дифрагированного луча
• λ — длина волны
• d — расстояние между плоскостями решетки
• θ — угол дифрагированной волны

Волны будут испытывать либо конструктивную интерференцию, либо разрушительную интерференцию.Точно так же рентгеновский луч, который дифрагирует от кристалла, будет иметь некоторые части, которые имеют более высокую энергию, а другие, которые теряют энергию. Это зависит от длины волны и шага решетки.

Рентгеновский дифрактометр

В XRD-аппарате в качестве источника рентгеновского излучения используется металлическая медь. Дифрактограммы записываются в течение длительного периода времени, поэтому очень важно, чтобы интенсивность луча оставалась постоянной. Раньше для записи данных использовалась пленка, но это было неудобно, потому что ее приходилось часто менять.Теперь аппараты XRD оснащены полупроводниковыми детекторами. Эти аппараты XRD записывают изображения двумя способами: непрерывное сканирование или пошаговое сканирование. При непрерывном сканировании детектор совершает круговые движения вокруг объекта, в то время как рентгеновский луч постоянно попадает в детектор. Импульсы энергии отложены в зависимости от угла дифракции. Метод пошагового сканирования — более популярный метод. Это намного эффективнее, чем непрерывное сканирование. В этом методе детектор собирает данные под одним фиксированным углом за раз.Для обеспечения непрерывности падающего луча аппараты XRD оснащены щелью Соллера. Он действует как поляризованные солнцезащитные очки, собирая случайные рентгеновские лучи в стопку аккуратно расположенных волн, параллельных плоскости детектора.

Рентген и компьютерная томография

Радиография использует рентгеновские лучи для просмотра материала, который не может быть виден человеческим глазом, путем выявления областей разной плотности и состава.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• При рентгенографии используются рентгеновские лучи для получения снимков материалов, находящихся в невидимом объекте.Они пропускают рентгеновские лучи через объект и собирают лучи на пленке или детекторе с другой стороны. Часть лучей поглощается более плотными материалами, и именно так создается изображение.
• Рентгеновские снимки позволяют получать изображения всех материалов внутри объекта, наложенных друг на друга.
• Традиционные наложенные изображения могут быть полезны для ряда приложений, но компьютерная томография позволяет наблюдателю видеть только желаемые участки материала.
• Современные компьютерные томограммы могут даже взять все срезы или слои и упорядочить их в трехмерное представление объекта.

Ключевые термины

• рентгенография : использование рентгеновских лучей для просмотра неоднородного материала, такого как человеческое тело.
• томограф : визуализация по сечениям или сечениям.
• наложено : Расположен на чем-то или над чем-то еще, особенно в слоях

Обзор

Рентгеновское изображение, или радиография, использовало рентгеновские лучи для просмотра материала внутри тела, который не может быть виден человеческим глазом, путем выявления областей разной плотности и состава.Компьютерная томография использует компьютер для получения этой информации и создания трехмерных изображений.

Рентгеновская визуализация

Рентгеновские снимки создаются путем проецирования пучка рентгеновских лучей на объект, в медицинских случаях — часть человеческого тела. В зависимости от физических свойств объекта (плотности и состава) некоторые рентгеновские лучи могут частично поглощаться. Часть лучей, которая не поглощается, затем проходит через объект и регистрируется пленкой или детектором, как в фотоаппарате.Это дает наблюдателю двухмерное представление всех компонентов этого объекта, наложенных друг на друга. показывает изображение человеческого локтя.

Рентгенография : Рентгенография колена на современном рентгеновском аппарате.

Томография

Томография относится к визуализации по сечениям или сечениям. демонстрирует эту концепцию. Трехмерное изображение разбито на разделы. (S ₁ ) показывает разрез слева, а (S ₂ ) показывает разрез справа.

КТ

КТ или компьютерная томография используют комбинацию рентгеновской радиографии и томографии для получения срезов участков человеческого тела. Врачи могут проанализировать эту область и, исходя из способности материала блокировать рентгеновский луч, лучше понять материал. показывает компьютерную томографию человеческого мозга. Врачи могут сопоставить изображения с известными свойствами одного и того же материала и определить, есть ли какие-либо несоответствия или проблемы. Хотя обычно эти отсканированные изображения показаны как на рисунке, записанную информацию можно использовать для создания трехмерного изображения области.показывает трехмерное изображение мозга, полученное с помощью компьютерной томографии.

Специализированные микроскопы и контрастные вещества

Микроскопы — это инструменты, позволяющие человеческому глазу видеть объекты, которые в противном случае были бы слишком маленькими.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Для лучшего разрешения важно, чтобы между изображением и фоном был большой контраст.
• Микроскопы классифицируются по тому, что взаимодействует с объектом, например, свет или электроны.Они также классифицируются по тому, снимают ли они изображения путем сканирования по частям или путем одновременной съемки всего объекта.
• Некоторыми распространенными типами специальных микроскопов являются сканирующие электронные микроскопы (SEM), просвечивающие электронные микроскопы (TEM), оба из которых являются электронными микроскопами, и атомно-силовые микроскопы (ATM), которые являются сканирующими зондовыми микроскопами.

Ключевые термины

• контраст : разница в освещенности, яркости и / или оттенке между двумя цветами, которая делает их более или менее различимыми

Микроскопы — это инструменты, позволяющие человеческому глазу видеть объекты, которые в противном случае были бы слишком маленькими.Существует много типов микроскопов: оптические микроскопы, просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы и сканирующие зондовые микроскопы.

Классы микроскопов

Один из способов группировки микроскопов основан на том, как изображение создается с помощью микроскопа. Вот три способа классификации микроскопов:

1.) Световые или фотонные — микроскопы оптические

2.) Электроны — электронные микроскопы

3.) Зондовые — сканирующие зондовые микроскопы.

Микроскопы

также можно классифицировать в зависимости от того, анализируют ли они образец путем сканирования одной точки (сканирующие электронные микроскопы) или путем одновременного анализа всего образца (просвечивающие электронные микроскопы).

Типы микроскопов

• В оптических микроскопах, чем лучше контраст между изображением и поверхностью, на которой он просматривается, тем лучше будет разрешение для зрителя. Есть много методов освещения для улучшения контраста.Эти методы включают «темное поле» и «светлое поле». При использовании техники темного поля свет рассеивается объектом, и изображение появляется наблюдателю на темном фоне. В технике светлого поля объект освещается снизу, чтобы увеличить контраст изображения, видимого зрителям.
• Просвечивающий электронный микроскоп: ТЕМ пропускает электроны через образец и позволяет людям видеть объекты, которые обычно не видны невооруженным глазом. Пучок электронов проходит через ультратонкий образец, взаимодействуя с образцом, когда он проходит через него.Это взаимодействие формирует изображение, которое увеличивается и фокусируется на устройстве обработки изображений.
• Сканирующие электронные микроскопы: называемые SEM, эти микроскопы изучают поверхность объектов, сканируя их тонким электронным лучом. Электронный луч микроскопа взаимодействует с электронами в образце и генерирует сигналы, которые можно обнаружить и получить информацию о топографии и составе.
• Атомно-силовая микроскопия: АСМ представляет собой сканирующую зондовую микроскопию с очень высоким разрешением и является одним из передовых инструментов для получения изображений в наномасштабе.Механический зонд ощущает поверхность кантилевером с острым концом. Затем измеряется отклонение наконечника с помощью лазерного пятна, которое отражается от поверхности кантилевера.

Пределы разрешения и круговые температуры

В оптической визуализации существует фундаментальный предел разрешающей способности любой оптической системы, обусловленный дифракцией.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Поскольку эффекты дифракции становятся наиболее заметными для волн, длина волны которых примерно равна размерам дифрагирующих объектов, длина волны луча формирования изображения устанавливает фундаментальный предел разрешающей способности любой оптической системы.
• Предел дифракции Аббе для микроскопа задается как [латекс] \ text {d} = \ frac {\ lambda} {2 (\ text {n} \ sin {\ theta})} [/ latex].
• Поскольку дифракционный предел пропорционален длине волны, для увеличения разрешения можно использовать более короткие длины волн, например УФ и рентгеновские микроскопы.

Ключевые термины

• дифракция : изгиб волны вокруг краев отверстия или препятствия.
• наноструктура : Любая искусственно созданная структура, имеющая шкалу от молекулярной до микроскопической.
• апертура : диаметр апертуры, ограничивающей ширину светового пути через всю систему. Для телескопа это диаметр линзы объектива (например, у телескопа может быть апертура 100 см).

Разрешение оптической системы визуализации (например, микроскопа, телескопа или камеры) может быть ограничено такими факторами, как дефекты линз или несовпадение. Однако существует фундаментальный максимум разрешения любой оптической системы, связанный с дифракцией (волновой природой света).Оптическая система, способная создавать изображения с угловым разрешением, равным теоретическому пределу прибора, называется дифракционно ограниченной.

Для телескопов с круглыми апертурами размер наименьшего элемента изображения, ограниченного дифракцией, равен размеру диска Эйри, как показано на рисунке. По мере уменьшения размера апертуры в линзе дифракция увеличивается, и от дифракции становятся более заметными. Точно так же, когда отображаемые объекты становятся меньше, дифракционные особенности начинают размывать границы объекта.Поскольку эффекты дифракции становятся наиболее заметными для волн, длина волны которых примерно равна размерам дифрагирующих объектов, длина волны луча изображения устанавливает фундаментальный предел разрешающей способности любой оптической системы.

Airy Disk : Компьютерное изображение диска Эйри. Интенсивность серой шкалы была скорректирована для увеличения яркости внешних колец узора Эйри.

Предел дифракции Аббе для микроскопа

Наблюдение субволновых структур с помощью микроскопов затруднено из-за дифракционного предела Аббе.В 1873 году Эрнст Аббе обнаружил, что свет с длиной волны λ, распространяющийся в среде с показателем преломления n, не может сходиться к пятну с радиусом меньше:

[латекс] \ text {d} = \ frac {\ lambda} {2 (\ text {n} \ sin {\ theta})} [/ latex].

Знаменатель [латекс] \ text {n} \ sin {\ theta} [/ latex] называется числовой апертурой и может достигать 1,4 в современной оптике, следовательно, предел Аббе примерно равен d = λ / 2. При зеленом свете около 500 нм предел Аббе составляет 250 нм, что является большим по сравнению с большинством наноструктур или биологических клеток с размерами порядка 1 мкм и внутренними органеллами, которые намного меньше.Используя луч 500 нм, вы не можете (в принципе) разрешить какие-либо детали размером менее 250 нм.

Улучшение разрешения

Для увеличения разрешения можно использовать более короткие длины волн, например ультрафиолетовые и рентгеновские микроскопы. Эти методы обеспечивают лучшее разрешение, но являются дорогостоящими, страдают отсутствием контраста в биологических образцах и могут повредить образец. Существуют методы получения изображений с более высоким разрешением, чем позволяет простое использование дифракционной оптики.Хотя эти методы улучшают некоторые аспекты разрешения, они обычно влекут за собой огромное увеличение стоимости и сложности. Обычно этот метод подходит только для небольшого набора проблем с визуализацией.

Аберрации

Аберрация или искажение — это неспособность лучей сходиться в одном фокусе из-за ограничений или дефектов линзы или зеркала.

Цели обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Существует много типов аберраций, включая хроматические, сферические, коматические, астигматизм и бочкообразные искажения.
• Хроматические аберрации возникают из-за того, что линзы имеют разные показатели преломления для разных длин волн и, следовательно, цветов. Эти аберрации возникают прямо по краям изображения между светлыми и темными участками изображения.
• Зеркала не имеют хроматических аберраций, потому что они зависят не от показателя преломления, а от показателя отражения, который не зависит от длины волны.
• Коматические аберрации возникают из-за несовершенства линз и приводят к смещению точечного источника по центру.Из-за этого изображения могут выглядеть грушевидными или иметь хвосты, как в случае с кометами.

Ключевые термины

• искажение : (оптика) аберрация, вызывающая изменение увеличения в поле зрения.
• преломление : изменение направления светового луча, когда он проходит через различные изменения материи.
• аберрация : Схождение в разных фокусах линзой или зеркалом лучей света, исходящих из одной и той же точки, или отклонение таких лучей от одного фокуса; дефект в механизме фокусировки, препятствующий намеченной точке фокусировки.

Основы аберраций

Аберрация — это неспособность лучей сходиться в одном фокусе из-за ограничений или дефектов линзы или зеркала. По сути, аберрация — это искажение изображения из-за того, что линзы никогда не будут вести себя точно так, как они были смоделированы. Типы аберраций зависят от размера, состава материала, толщины линзы или положения объекта.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация, также называемая ахроматизмом или хроматическим искажением, — это искажение цветов.Эта аберрация возникает, когда объектив не может сфокусировать все цвета на одной и той же точке схождения. Это происходит потому, что линзы имеют разный показатель преломления для разных длин волн света. Показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны. Эти аберрации или искажения возникают на краях цветовых границ между яркими и темными областями изображения. Поскольку показатель преломления линз зависит от цвета или длины волны, изображения создаются в разных местах и ​​с разным увеличением для разных цветов.показывает хроматическую аберрацию для одиночной выпуклой линзы. Поскольку фиолетовые лучи имеют более высокий показатель преломления, чем красные, они больше изгибаются и фокусируются близко к линзе. показывает систему с двумя линзами, в которой используется расходящаяся линза, чтобы частично исправить это, но это практически невозможно сделать полностью.

Закон отражения не зависит от длины волны, поэтому у зеркал нет этой проблемы. Вот почему зеркала выгодно использовать в телескопах и других оптических системах.

Comatic Aberration

Коматическая аберрация, или кома, возникает, когда объект смещен по центру.Различные части линзы зеркала не преломляют и не отражают изображение в одну и ту же точку, как показано на. Они также могут быть результатом несовершенства линзы или другого компонента и приводить к смещению относительно оси точечных источников. Эти аберрации могут привести к тому, что предметы будут иметь грушевидную форму. Они также могут привести к тому, что звезды будут выглядеть искаженными или иметь хвосты, как в случае с кометами.

Другие отклонения

Сферические аберрации — это форма аберрации, когда лучи, сходящиеся от внешних краев линзы, сходятся к фокусу, расположенному ближе к линзе, а лучи, находящиеся ближе к оси, фокусируются дальше.Астигматизм также является формой аберрации линз глаз, когда лучи, распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях, имеют разные фокусы.