В фокусе приближения: научный подход
Какие оптические устройства можно использовать для портативных телекамер видеожурналистики и внестудийного видеопроизводства? Как увеличить масштаб изображения? Как расширить угол поля зрения? Нередко эти вопросы возникают у теле- и кинооператоров, ведущих съемку объектов, удаленных на значительное расстояние, или в ограниченном пространстве.
Ведущие фирмы-производители телевизионной оптики — Fujinon и Canon — обязательно включают в свои каталоги информацию об оптических устройствах, значительно расширяющих эксплуатационные возможности операторской техники. К этим устройствам относятся, прежде всего, широкоугольные и длиннофокусные конвертеры, эффектные и широкоугольные насадки, линзы ближней съемки и др. Необходимость применения таких устройств определяется тем, что нельзя в одном объективе телекамеры совместить и широкий угол, и значительное фокусное расстояние, и большой диапазон изменения фокусных расстояний.
Не всегда максимальное фокусное расстояние объектива, наличие встроенного экстендера и механизма макросъемки могут обеспечить требуемый масштаб изображения. Вот тогда-то и возникает необходимость иметь «под рукой» оптические устройства, значительно увеличивающие размер изображения. Что же это за устройства, и каковы их возможности?
1. Телеконвертеры
Под телеконвертером или сокращенно ТК понимается афокальная оптическая насадка, состоящая из первого положительного и второго отрицательного компонентов, каждый из которых выполнен минимум из одной линзы. Увеличение ТК (bТК) всегда больше единицы. ТК устанавливается на переднюю часть оправы объектива телекамеры.
При этом, исходя из известной формулы определения величины изображения (у’ экв = ƒ’об·tgσ), получаем увеличение масштаба изображения в b раз, т.к. у’ = βТК ·ƒ’об ·tgσ где σ — половина угла поля зрения, ƒ’об — фокусное расстояние объектива телекамеры. Геометрическое относительное отверстие объектива при установке ТК сохраняется неизменным, что является значительным преимуществом перед экстендером, при использовании которого относительное отверстие уменьшается пропорционально увеличению экстендера. Эффективное относительное отверстие при использовании ТК несколько уменьшается (≈ на 5÷8%) из-за потерь на отражение и поглощение света в стекле линз ТК. Однако эти потери практически не сказываются на цветопередаче и уровне освещенности.
Для полупрофессиональных телекамер типа AG-455, NV-M9000 и других АО ВНИИТР предлагает
| Обозначение | Увеличение
(кратность) | Масса
(кг) | Габариты
(ØxL), мм | Посадочный
диаметр, мм | Фирма | Страна | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ТК-1,5 | 1,5 | 0,62 | 116×89 | 54-90 | ОАО ВНИИТР | Россия | |
| ТК-1,6 | 1,6 | 0,85 | 116×94 | ||||
| ТК-1,7 | 1,7 | 1,08 | 125×112 | ||||
| TVC + адаптеры | TCV-75B | 1,6 | 1,01 | 125×112 | 75 | Fujinon | Япония |
| TCV-80B | 1,6 | 1,01 | 125×112 | 80 | |||
| 1,6 | 1,03 | 116×88,1 | 85 | ||||
| TCV-90B | 1,6 | 0,96 | 116×87,5 | 90 | |||
| TCV-100B | 1,6 | 1,07 | 120×84,1 | 100 | |||
| T15II + адаптеры | T15II-80II | 1,5 | 1,07 | 120×84,1 | 80 | Canon | |
| T15II-85II | 1,5 | 1,07 | 120×84,1 | 85 | |||
| T15II-90II | 1,5 | 1,07 | 120×84,1 | 90 | |||
| T15II-98II | 1,5 | 1,07 | 120×84,1 | 98 | |||
| T15II-100II | 1,5 | 1,07 | 120×84,1 | 100 | |||
| TA15 | 1,66 | 1 | 120×84,1 | 85 | Angenieux | Франция | |
| TVC-15+адаптеры
A75,A80,A85,A90 | 1,5 | 0,95 | 120×80 | 75,80,85,90 | CTG | Белоруссия | |
реверсивный конвертер РК-0,65х/1,55х с увеличением 1,55х, габаритами Ø70х58 мм и массой 0,35 кг.
Особенностью конвертера РК-0,65х/1,55х является возможность не только увеличивать масштаб изображения, но и увеличивать поле зрения почти до 100° при установке конвертера в противоположном положении на объектив телекамеры.
Телеконвертеры комплектуются либо адаптерами, либо переходными кольцами, обеспечивающими жесткую установку ТК на объективы телекамер. Телеконвертер фирмы Canon без адаптера. Телеконвертеры АО ВНИИТР выпускаются в комплекте с переходными кольцами. Поскольку на практике чаще всего нет необходимости использовать при съемке с ТК весь диапазон фокусных расстояний объектива (требуется только ƒ’
В этом случае эффект круглого отверстия отсутствует, а изображение заполняет ве! сь формат мишени телекамеры. Корпус оправы ТК выполняется либо из двух объединяемых резьбой оправ, либо в виде единой оправы, причем каждая конструкция имеет свои достоинства и свои недостатки. Единый корпус оправы обеспечивает более точную центровку линзовых компонентов, но требует выполнения индивидуальной комплектовки линз по толщинам и воздушным промежуткам с подрезкой технологического припуска промежуточного кольца. Составной корпус оправы ТК удобен при юстировке афокальности (не требуется комплектовка и подрезка промежуточного кольца) благодаря регулировке по резьбе воздушного промежутка между линзовыми компонентами. Но центрировка в этом случае менее точна и масса ТК несколько возрастает. Минимальная дистанция съемки S minТК эквивалентной системы (ТК + объектив) возрастает и определяется по формуле SminТК = β2ТК·Smin об , где Smin об — минимальная дистанция объектива телекамеры.
2. Сменные экстендеры
Сменный экстендер (СЭ) представляет собой оптическую насадку с отрицательной оптической силой, состоящую из двух и более линз; СЭ устанавливается на задний компонент объектива телекамеры. Крепление СЭ к объективу — байонетное. Эквивалентное фокусное расстояние объектива со сменньм экстендером равняется ƒ’
Минимальная дистанция при съемке с экстендером сохраняется, что является преимуществом по сравнению с ТК.
Выпускаемые японскими фирмами Fujinon и Canon сменные экстендеры имеют двукратное увеличение и, как встроенные экстендеры, в отличие от телеконвертеров снижают светосилу объектива телекамеры пропорционально квадрату увеличения применяемого экстендера. Кроме того, СЭ менее универсальны в части установки на объектив, чем телеконвертеры. Как положительное качество СЭ можно отметить его малые габариты и массу. Что применять — сменный экстендер или телеконвертер, а, может быть, использовать их совместно — определяется конкретным заданием, стоящим перед телеоператором.
3. Линзы ближней съемки
Линзы ближней съемки (ЛБС или Clouse-Up Lens) представляют собой однолинзовые плосковыпуклые насадки, обращенные плоской поверхностью линзы к объекту съемки. Этим достигается более высокое качество изображения, чем при установке ЛБС наоборот. Применяют ЛБС, в основном, в научных и медицинских целях, а также в популярных передачах о природе при съемках мелких деталей и объектов.
В настоящее время выпускаются ЛБС с фокусным расстоянием от 0,4 м до 1,3 м. АО ВНИИТР производит ЛБС с ƒ’ = 400мм; 800мм; 1300мм.
Эффективность применения ЛБС наглядно демонстрируется таблицами 2, 3. Так из таблицы 2 следует, что при использовании ЛБС с ƒ’ = 800 мм и ƒ’ = 1300 мм увеличение объекта съемки возрастает от 1,5х до 2,2х , а по сравнению с макросъемкой — в 2,7x
Однако нужно отметить, что при ƒ’ЛБС<400 мм качество изображения снимаемого объекта ухудшается (особенно по полю).Преимущество применения ЛБС перед режимом «макро» состоит также в возможности плавного выполнения эффекта «отъезда-наезда» При макросъемке без ЛБС объектив устанавливается на минимальное фокусное расстояние и переход на другое фокусное расстояние исключен, т.е. эффект «отъезда-наезда» в режиме «макро» невозможен. Опуская промежуточные математические выкладки, приведем приближенные формулы, по которым определяются минимальная дистанция съемки, величина объекта съемки и другие величины при использовании ЛБС.
DЛБС = D*ƒ’ЛБС / D+ƒ’ЛБС ( 1 )
β ЛБС ∞ = ƒ’об / ƒ’ЛБС ( 2 )
β ЛБС,D = D / ƒ’ЛБС +1 ( 3 )
| Тип объектива | A16x9RM / ERM / MD | A15x8EVM / ERD | A20x8EVM / ERD | J15ax8BIRS / JAS | YJ17x9.5BKRS | |||||
| Тип ЛБС | ECL8077 | ECL8082 | ECL8095 | 82CL-UP800H | 82CL-UP1300H | 82CL-UP800H | 82CL-UP1300H | |||
| Ф
о к у с и р о в к а | Dmin об без ЛБС | Р
а з м е р о б ъ е к т а , м м | 51×38 | 45×33 | 44×33 | 44×33 | 48×36 | |||
| ЛБС | Dоб=oo | 49×37 | 59×44 | 44×33 | 58×43 | 94×71 | 43×32 | 70×52 | ||
| Dmin об | 24×18 | 25×19 | 21×16 | 24×18 | 29×22 | 22×16 | 28×20 | |||
| βЛБС к Dmin об, крат | 2,1 | 1,7 | 2,1 | 1,8 | 1,5 | 2,2 | 1,8 | |||
| fЛБС, мм | 800 | 800 | 1300 | 800 | 1300 | |||||
| Фирма | Fujinon | Canon | ||||||||
(*)
Размер объекта съемки определяется для максимального фокусного расстояния объектива.
| Тип объектива | J14a x 8S BIRS | ||||
| Тип ЛБС | 82CL-UP800H | 82CL-UP1300H | |||
| Ф
о к у с и р о в к а | Dmin=0,8 без ЛБС | Р
а з м е р о б ъ е к т а , м м | 55×41 | ||
| ЛБС | Dоб=oo | 59×44 | 96×72 | ||
| Dоб=0,8 | 27×20 | 34×25 | |||
| Макро | Dmin об=0,05 | 92×68 | |||
| fЛБС, мм | 800 | 1300 | |||
βЛБС крат. к макро объектива | 3,4 | 2,7 | |||
β об,D = ƒ’об / D ( 4 )
β экв,D = β ЛБС,D*β об = (D / ƒ’ЛБС+1)* ƒ’об / D ( 5 )
Y = -Y’ / β экв ( 6 )
D ЛБС, β ЛБС ∞ β ЛБС, D , ƒ’ЛБС — дистанция съемки, увеличение для значений шкалы ∞, D и фокусное расстояние ЛБС; D — дистанция по шкале объектива;
β об,D , ƒ’об — увеличение объектива при дистанции D и фокусное расстояние объектива;
β экв, — эквивалентное увеличение системы ЛБС+ объектив телекамеры;
Y , Y’; — размеры объекта съемки и его изображения на мишени передающей трубки или матрицы ПЗС.
Приведенные выше формулы (1 — 6) получены из условий, что фокусное расстояние совместной системы ЛБС + объектив телекамеры и воздушный промежуток между ЛБС и передней линзой объектива малы по сравнению с дистанцией съемки и ими можно пренебречь.
В заключение следует подчеркнуть, что применение оптических устройств для одних и тех же условий съемки может быть различным. Это в немалой степени определяется опытом работы оператора, его привычками и «привязанностями» к определенному виду устройств, что, в конечном счете, и создает индивидуальность телепередачи. И все-таки у каждого оптического устройства существуют свои основные достоинства, которые необходимо выделить и учитывать при проведении съемки. Итак,
- Телеконвертер
Увеличение фокусного расстояния без изменения относительного отверстия объектива телекамеры. - Линза ближней съемки
Увеличение масштаба изображения мелких объектов с возможностью выполнения эффекта «отъезда-наезда» - Сменный экстендер
Увеличение диапазона фокусных расстояний при малых габаритах и массе оптического устройства.
В.И.Савоскин
Литература:
- Проспекты фирмы Fujinon, Canon, Angenieux за 1997 г.
- Каталог по ТВ оптике фирмы Canon за 1992 г.
© Информационный бюллетень: Телерадиовещание. Вып. 2. М.: ОАО ВНИИТР, 1998.
Публикуется с разрешения автора и редакции Информационного бюллетеня ВНИИТР
© Html-верстка — D&K Corp.
Назад в раздел
Из металинзы и искусственной мышцы сделали «искусственный глаз»
Американские физики разработали металинзу, фокусное расстояние которой можно варьировать с помощью искусственных мышц. Механизм работы устройства аналогичен принципу работы человеческого глаза, в котором оптическая сила линзы меняется за счет ее сжатия и растяжения. Однако, в отличие от глаза, в предложенном устройстве можно одновременно с изменением фокусного расстояния корректировать астигматизм и возможный сдвиг изображения, сообщают ученые в статье в Science Advances.
Хрусталик человеческого глаза устроен таким образом, что с помощью цилиарной мышцы можно менять его кривизну.
С помощью напряжения или расслабления мышцы радиус кривизны передней и задней поверхностей хрусталика можно менять от 5 до 10 миллиметров. За счет этого меняется и его фокусное расстояние: так, с помощью аккомодации оптическую силу хрусталика можно менять примерно от 19 до 33 диоптрий.
Американские физики из Гарвардского университета под руководством Дэвида Кларка (David R. Clarke) и Федерико Капассо (Federico Capasso) разработали искусственную оптическую систему, в которой фокусное расстояние можно менять аналогичным образом с помощью внешнего механического воздействия. В качестве основного элемента устройства ученые предложили использовать металинзы — периодический плоский массив наноструктур, расстояния между которыми меньше длины волны.
Оптические свойства металинз зависят не столько от вещества, из которого состоят наночастицы, сколько от их формы и расстояния между ними. Поэтому оптические параметры этой системы ученые предложили менять, варьируя как раз расстояния между наночастицами, из которых состоит металинза.
При этом, кроме изменения оптической силы, ученые предлагают способ динамической коррекции аберраций в такой системе. Это можно сделать, управляя в такой системе астигматизмом (искажением изображения за счет отличий преломления падающего пучка свет в его различных сечениях) и возможным сдвигом изображения.
Предложенная учеными геометрия металинзы представляла собой массив колонн диаметром от 810 до 990 нанометров и высотой 950 нанометров, расположенных по концентрическим окружностям на расстоянии 650 друг от друга. Фокусное расстояние такой металинзы диаметром 6 миллиметров составляет 50 миллиметров, при этом в отличие от хрусталика глаза, это линза — плоская, и ее действительная кривизна при изменении фокусного расстояния не изменяется.
Толщина устройства составила всего 30 микрометров, а управлять его оптическими свойствами авторы работы предложли с помощью искусственной мышцы — электромеханического устройства, которое помещалось вокруг линзы и состояло из упругого диэлектрического полимера и нескольких прозрачных электродов.
Подавая нужное напряжение на электроды, металинзу можно было сжимать или растягивать (или только в одном направлении, или одновременно по двум) и изменять таким образом ее форму и расстояние между элементами. Это приводило в свою очередь к изменению ее фокусного расстояния позволяло корректировать оптические дефекты изображения.
Управление оптическими параметрами системы таким образом толщиной всего в пару десятков микромтеров осуществляется исключительно с помощью электрических сигналов. По утверждению авторов исследования, такое устройство позволяет одновременно осуществлять изменение фокусного расстояния и проводить процедуры корректировки аберраций с помощью настройки астигматизма и сдвига изображения. Раньше подобное совмещение настройки и корректировки изображений было доступно только для электронных приборов, но не оптических. При этом, в отличие от традиционных оптических систем, предложенное устройство не требует перемещения линзы вдоль оптической оси.
По словам ученых, разработанные ими плоские оптические системы с возможностью изменения фокуса, увеличения изображений, а также с известным механизмом коррекции оптических аберраций, могут быть использованы в мобильных устройствах, оптических микроскопах, очках или оборудовании для виртуальной реальности.
Изменяя геометрию массивов наноэлементов, из которых состоит плоская металинза, можно менять не только ее фокусное расстояние, но и, например, направление излучения после прохождения сквозь линзу. При этом в каждой точке направление можно менять независимо друг от друга. Стоит отметить, что работают такие линзы во всем видимом диапазоне не хуже традиционных оптических устройств.
Фото: A. She et al./ Science Advences, 2018
4.6: Несколько оптических устройств — Physics LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 18464
- Том Вайдеман
- Калифорнийский университет, Дэвис
Изображение становится объектом
В предыдущем разделе мы построили линзу из двух последовательных сферических преломлений.
Трюк, который мы использовали для получения уравнения производителя линз, можно распространить на множество других приложений. Действительно, каждый раз, когда на свет воздействуют более чем одно оптическое устройство на пути от объекта к наблюдателю, изображение, полученное от первого оптического устройства на пути, фактически является источником для второго оптического устройства. Затем местоположение этого первого изображения можно использовать для вычисления расстояния до «объекта» для второго устройства. Как обычно, лучший способ визуализировать физическую основу этого предположения — подумать о том, что происходит со световыми волнами, когда они выходят из исходного объекта, на которые воздействует первое устройство (которым может быть зеркало, линза или даже только один поверхностный интерфейс между двумя средами) и в конечном итоге сходится к изображению.
Рисунок 4.6.1 – Изображение становится объектом
Предупреждение
Ясно, что «изображение становится объектом» не означает, что элемент внезапно материализуется в пустом пространстве! Скорее, по мере того, как свет проходит мимо точки схождения, возникающие волны неотличимы от световых волн, покидающих реальный объект, а это означает, что изображение может впоследствии использоваться в качестве «объекта» для дальнейших приключений этого света, таких как прохождение.
через линзу или отражение от зеркала.
Следует отметить, что изображение-используемое-как-объект имеет важное отличие от реального объекта. Свет, выходящий из кончика стрелки реального объекта, распространяется во всех направлениях. Свет, покидающий изображение, может быть только светом, идущим от исходного объекта и измененным оптическим устройством. Это ограничивает исходящий свет изображения определенным конусом. На рисунке выше оптическое устройство явно представляет собой собирающую линзу, а конус света, выходящий из изображения, представляет собой область, в которой можно смотреть на объект 9.0050 через линзу . Если не смотреть через линзу, конечно, этого изображения не увидеть.
Пример \(\PageIndex{1}\)
Сосуд, дно которого представляет собой плоское зеркало, содержит воду глубиной \(30,0 см\). Кто-то смотрит в контейнер на свое отражение с высоты \(50,0 см\) от поверхности воды. Найдите, насколько далеко изображение, которое они видят, от их настоящего лица.
Показатель преломления воды 1,33.
- Решение
Эта задача включает в себя дополнительный уровень мышления, который еще не был представлен в этом тексте, но который сыграет важную роль позже, поэтому не расстраивайтесь, если эта задача показалась вам особенно сложной. Чтобы увидеть, как это работает, нужно проследить, что происходит со светом и что является «кажущимся» источником света каждый раз, когда свет претерпевает изменения (отражение или преломление). Мы будем отслеживать, где находятся изображения и объекты на протяжении всего расчета, поэтому не нужно будет отслеживать знаки значений (мы будем использовать абсолютные значения).
Сначала свет покидает лицо человека, направляясь к зеркалу. Мы знаем, что зеркало будет возвращать свет точно симметрично тому, как он попал в зеркало, но видимый источник света для зеркала расположен не там, где находится лицо человека, потому что вода преломляет свет перед ним.
подходит к зеркалу. Поэтому нам нужно вычислить расстояние от поверхности воды, на котором лицо кажется равным согласно зеркалу. По сути, положение изображения, создаваемого светом, переходящим из воздуха в воду, становится положением предмета для зеркала. Свет исходит из воздуха (\(n=1\) в воду, поэтому согласно зеркалу изображение лица находится дальше от поверхности воды, чем реальное лицо: \[s’=\dfrac{1.33}{1}\left(50.0cm\right) = 66.5cm\nonnumber \]
«Расстояние объекта» до зеркала равно кажущемуся расстоянию от лица до поверхности воды плюс глубина воды:
\[s=66,5 см+30,0 см = 96,5 см\без номера \]
Теперь, когда свет отражается, он ведет себя так, как будто исходит с другой стороны зеркала, делая видимый источник света на расстоянии \(96,5 см + 30,0 см = 126,5 см\) от поверхности воды.
Этот свет проходит обратно через поверхность воды и преломляется в воздухе, что означает, что видимый источник света для человека, наблюдающего за ним, находится ближе к поверхности воды, чем \(126,5 см\), вычисленное выше:
\[s’=\dfrac{1}{1,33}\влево(126,5 см\вправо) = 95,1 см\номер\]
Это расстояние от поверхности воды до изображения, которое видит человек.
Прибавив это к расстоянию лица от воды, мы получим ответ – расстояние между лицом и его изображением: \(145см\). Если бы воды не было, то, поскольку она находится в \(80,0 см\) от зеркала, изображение лица было бы на противоположной стороне зеркала, \(160 см\) от лица. Таким образом, присутствие воды приближает изображение.
подходит к зеркалу. Поэтому нам нужно вычислить расстояние от поверхности воды, на котором лицо кажется равным согласно зеркалу. По сути, положение изображения, создаваемого светом, переходящим из воздуха в воду, становится положением предмета для зеркала. Свет исходит из воздуха (\(n=1\) в воду, поэтому согласно зеркалу изображение лица находится дальше от поверхности воды, чем реальное лицо: 
Прибавив это к расстоянию лица от воды, мы получим ответ – расстояние между лицом и его изображением: \(145см\). Пример \(\PageIndex{2}\)
Рассеивающая линза помещается перед плоским зеркалом, как показано на рисунке справа. Расстояние между объективом и зеркалом в точности равно величине фокусного расстояния объектива, которое равно \(-1,32 м\). Объект расположен в два раза больше этого расстояния (\(2,64 м\)) по другую сторону линзы (см. схему ниже).
- Найдите положение изображения, которое видит глаз A (который смотрит в зеркало). Выразите свой ответ в виде расстояния, измеренного от зеркала, и укажите, с какой стороны зеркала появляется изображение (слева или справа).
- Найдите боковое увеличение (относительно исходного объекта) изображения, видимого глазом A . Укажите, является ли изображение прямым или перевернутым.
- Повторите (a) и (b) для изображения, видимого глазом B (который смотрит через линзу в зеркало).
- Раствор
а. Расстояние до объекта положительное, поэтому оно в \(–2\) раза больше фокусного расстояния рассеивающей линзы с отрицательным фокусным расстоянием. Подставив это в уравнение линзы, мы получим позицию первого изображения:
.\[\dfrac{1}{-2f} + \dfrac{1}{s’} = \dfrac{1}{f} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; s’ = \frac{2}{3}f\nonumber\]
Расстояние до изображения имеет тот же знак, что и фокусное расстояние, поэтому оно отрицательное, помещая его с левой стороны объектива. Это изображение становится объектом следующего этапа — отражения от плоского зеркала. Расстояние от этого нового объекта до плоского зеркала равно расстоянию до линзы (помните, что она находится слева от линзы) плюс расстояние между линзой и зеркалом, которое принимается за фокусное расстояние.
Следовательно, расстояние от первого изображения до зеркала равно: \[s = \frac{5}{3}f\nonnumber\]
Изображение, формируемое плоским зеркалом, находится позади него точно на таком же расстоянии, как и объект перед ним, поэтому изображение, наблюдаемое глазом А, находится на \(\frac{5}{3}f\) позади зеркала. Подстановка f дает результат: изображение, видимое глазом А, находится \(2,2 м\) справа от зеркала.
б. Единственное боковое увеличение исходит от линзы, потому что плоские зеркала не дают бокового увеличения (т. е. \(M = +1\). Это легко вычислить:
\[M=-\dfrac{s’}{s} = -\dfrac{\frac{2}{3}f}{-2f} = +\dfrac{1}{3}\nonumber\]
Положительное значение указывает на то, что оно прямое, а плоские зеркала не инвертируют изображения, поэтому изображение, видимое глазом А, прямое.
в. Мы используем результат для глаза А, так как изображение для предыдущего преломления и отражения становится объектом для второго преломления.
Расстояние отраженного изображения от линзы равно расстоянию, которое оно находится за зеркалом, плюс фокусное расстояние линзы (поскольку это расстояние между линзой и зеркалом). Обратите внимание, что расстояние до объекта положительное, а фокусное расстояние отрицательное, поэтому нам нужно включить знак минус, как и раньше. Используя это значение и уравнение для линзы, можно получить положение изображения, видимого глазом B, относительно линзы: \[\dfrac{1}{-\frac{8}{3}f} + \dfrac{1}{s’} = \dfrac{1}{f}\;\;\;\Rightarrow\; \;\; s’ =\frac{8}{11}f \nonumber\]
Это расстояние от линзы, поэтому расстояние от зеркала равно \(\frac{3}{11}f = 0,36 м\) слева от зеркала. Боковое увеличение является произведением трех поперечных увеличений (второе — это увеличение плоского зеркала, равное всего 1), поэтому нам просто нужно рассчитать окончательное боковое увеличение:
\[M_3 = -\dfrac{s’}{s} = -\dfrac{\frac{8}{11}f}{-\frac{8}{3}f} = +\dfrac{3} {11}\;\;\;\Стрелка вправо\;\;\; M=M_1 M_2 M_3 = \left(+\dfrac{1}{3}\right)\left(+1\right)\left(+\dfrac{3}{11}\right) = +\dfrac{1 }{11}\номер\]
Увеличение положительное и меньше 1, что означает, что конечное изображение является вертикальным и уменьшенным.
Следовательно, расстояние от первого изображения до зеркала равно: 
Расстояние отраженного изображения от линзы равно расстоянию, которое оно находится за зеркалом, плюс фокусное расстояние линзы (поскольку это расстояние между линзой и зеркалом). Обратите внимание, что расстояние до объекта положительное, а фокусное расстояние отрицательное, поэтому нам нужно включить знак минус, как и раньше. Используя это значение и уравнение для линзы, можно получить положение изображения, видимого глазом B, относительно линзы: 
Виртуальные объекты
Еще одна вещь, которая возникла при выводе уравнения производителя линз, — это возможность того, что свет может пройти через вторую поверхность, прежде чем он сможет сойтись благодаря первой поверхности. То же самое может произойти с двумя устройствами. Кажется, это вызывает проблему с идеей изображения первого оптического устройства как объекта для следующего оптического устройства, но математически мы обходим это, задавая расстояние до объекта для второго устройства отрицательным значением в соответствии с нашими соглашениями о знаках. . Хотя эта математика делает свое дело и отлично работает для уравнения производителя линз, она почему-то не так удовлетворяет, как наблюдение за тем, как это работает с трассировкой луча. Хотя это немного сложно сделать, это также может быть достигнуто. Вот метод:
- Игнорируйте второе устройство и используйте пару основных лучей для исходного объекта и первое оптическое устройство, чтобы найти изображение первого устройства.
- Имейте в виду, что это не единственные два луча, которые мы можем нарисовать от объекта. Все лучи, покидающие объект, сходятся к первому изображению, даже если свет на самом деле туда не попадает. Из всех этих лучей выберите два, которые начинаются на первом устройстве и являются основными лучами для второго устройства . Обратите внимание, что один из них может быть главным лучом первого устройства (тот, который выходит параллельно оптической оси), а другие — нет.
- Используйте два из этих основных лучей второго устройства, чтобы нарисовать лучи, которые сходятся в конечном изображении.
Хитрость здесь в том, что виртуальный объект не является источником лучей для второго устройства, а скорее является целью лучей, выходящих из первого устройства до того, как они достигнут второго устройства. Давайте посмотрим на пример того, как это будет работать для двух собирающих линз, где реальное изображение первой собирающей линзы оказывается позади второй.
Рисунок 4.6.2 – Трассировка лучей с виртуальным объектом Мы просто выбрали два, которые удобно оказались главными лучами для второй линзы.
Наложение тонких линз (снова)
В разделе 4.5 мы использовали формулу изготовления линз, чтобы сделать вывод, что несколько тонких линз, помещенных задними сторонами друг к другу, дают одну линзу с диоптрийной силой, которая представляет собой сумму диоптрийных сил отдельных линз. линзы (уравнение 4.5.4). Здесь мы покажем, что это же уравнение следует из идеи «первое изображение становится вторым объектом». Начнем с двух линз (ради этого обсуждения мы будем использовать собирающие линзы, но это не обязательно), которые разделены большим расстоянием \(l\). Определим «общее фокусное расстояние» \(f_{tot}\) как расстояние от первой линзы до изображения параллельных лучей после второй линзы.
Рисунок 4.6.3a – Вывод формулы суммирования линз первая линза (достаточно одной точки, чтобы получить искомые расстояния, стрелка не нужна).
Согласно уравнению тонкой линзы, это приведет к тому, что точка изображения окажется в фокусе первой линзы.
Рисунок 4.6.3b – Получение формулы суммирования линз объектив.
Рисунок 4.6.3c – Вывод формулы укладки линз \) по остальным переменным:
\[\слева. \begin{array}{l} f_{tot} = \dfrac{1}{s_2} + \dfrac{1}{s_2′} + \dfrac{1}{f_2} \\ s_2 = L-f_1 \\ s_2 ‘ = f_{tot} — L \end{array} \right\}\;\;\; \dfrac{1}{L-f_1} + \dfrac{1}{f_{tot}-L} = \dfrac{1}{f_2}\]
Теперь, чтобы получить результат сложенной тонкой линзы, все, что нам нужно нужно взять предел, при котором расстояние между линзами стремится к нулю (\(L\стрелка вправо 0\)), и, конечно же, уравнение 4.5.4 является результатом.
Эта страница под заголовком 4.6: Multiple Optical Devices распространяется под лицензией CC BY-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Томом Вайдеманом непосредственно на платформе LibreTexts.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Том Вайдеман
- Лицензия
- CC BY-SA
- Версия лицензии
- 4,0
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- источник@родной
«Металлинза» меняет свое фокусное расстояние без использования каких-либо движущихся частей
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали перестраиваемую «линзу», которая может регулировать свое фокусное расстояние без изменения своего положения или формы или перемещения каких-либо компонентов.
Линза (называемая металинза) сделана не из стекла, как большинство оптики, а из прозрачного «фазоизменяющего» материала. Он перестраивает свою атомную структуру при нагревании, чтобы изменить способ взаимодействия со светом.
Исследователи выгравировали на поверхности материала точно структурированные структуры, которые действуют как «метаповерхность» для преломления или отражения света. При изменении свойств материала соответственно изменяются и оптические характеристики его поверхности. С «металинзой» Массачусетского технологического института метаповерхность фокусирует свет для создания четких изображений объектов на определенном расстоянии при комнатной температуре. Но при нагревании его атомная структура меняется, и метаповерхность перенаправляет свет, чтобы сфокусироваться на более удаленных объектах.
Конструкция, которая в настоящее время обеспечивает изображение в инфракрасном диапазоне, может привести к созданию меньших и менее сложных оптических устройств, таких как миниатюрные тепловизоры для дронов, сверхкомпактные тепловизионные камеры для мобильных телефонов и низкопрофильные очки ночного видения.
Новая линза изготовлена из материала с фазовым изменением, который команда изготовила путем модификации материала, обычно используемого в перезаписываемых компакт-дисках и DVD-дисках. Названный GST, он сделан из германия, сурьмы и теллура, а его внутренняя структура меняется при нагреве лазерными импульсами. Это позволяет материалу переключаться между прозрачным и непрозрачным состояниями — тот же механизм, который позволяет записывать, стирать и перезаписывать данные, хранящиеся на компакт-дисках.
Ранее в этом году команда добавила еще один элемент, селен, в GST, чтобы создать новый материал с фазовым переходом: GSST. Когда исследователи нагрели новый материал, его атомная структура изменилась с аморфного, случайного сплетения атомов на более упорядоченную кристаллическую структуру. Этот фазовый сдвиг также изменил то, как инфракрасный свет проходит через материал, влияя на преломляющую способность материала, но практически не меняя его прозрачности.
Команда задалась вопросом, можно ли адаптировать способность GSST к переключению для направления и фокусировки света в определенных точках в зависимости от его фазы.
Затем материал может служить активной линзой без необходимости использования механических деталей для смещения фокуса.
«Вообще, при изготовлении оптического устройства сложно настроить его характеристики после того, как оно будет построено, — говорит Михаил Шалагинов, профессор Массачусетского технологического института. «Иметь такие металинзы — это святой Грааль для инженеров-оптиков. Он может эффективно менять фокус в широком диапазоне без движущихся частей».
В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института создала слой GSST толщиной 1 микрон и превратила его в «метаповерхность», выгравировав в слое GSST микроскопические структуры различной формы, которые по-разному преломляют свет. Шаблон основан на том, что исследователи знают о поведении материалов; он позволяет поверхности фокусировать свет одним способом в аморфном состоянии и другим способом в кристаллическом.
Исследователи протестировали новую металлическую линзу, поместив ее на сцену и осветив лазерным лучом, настроенным на инфракрасный диапазон света.