История открытия увеличительных приборов. устройство увеличительных приборов

Увеличение.

Если предмет длиной H перпендикулярен оптической оси системы, а длина его изображения H΄, то увеличение m определяется по формуле m = H΄/H. Увеличение зависит от фокусных расстояний и взаимного расположения линз; для выражения этой зависимости существуют соответствующие формулы


Важной характеристикой приборов для визуального наблюдения является видимое увеличение М. Оно определяется из отношения размеров изображений предмета, которые образуются на сетчатке глаза при непосредственном наблюдении предмета и рассматривании его через прибор

Обычно видимое увеличение М выражают отношением M = tgb /tga, где a – угол, под которым наблюдатель видит предмет невооруженным глазом, а b – угол, под которым глаз наблюдателя видит предмет через прибор.

При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры.

Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.

Телескопы.

Телескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопа входят две положительные линзы (рис. 2). Лучи от удаленного предмета, параллельные оси телескопа (лучи a и c на рис. 2), собираются в заднем фокусе первой линзы (объектива). Вторая линза (окуляр) удалена от фокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновь параллельно оси системы. Некоторый луч b, исходящий не из тех точек предмета, откуда пришли лучи a и c, падает под углом a к оси телескопа, проходит через передний фокус объектива и после него идет параллельно оси системы. Окуляр направляет его в свой задний фокус под углом b. Поскольку расстояние от переднего фокуса объектива до глаза наблюдателя пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до предмета, то из схемы рис. 2 можно получить выражение для видимого увеличения M телескопа:

M = –tgb /tga = –F/f ΄ (или F/f).

Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто. В астрономических телескопах оно таким и остается; в телескопах для наблюдений за наземными объектами применяют оборачивающую систему, чтобы рассматривать нормальные, а не перевернутые изображения. В оборачивающую систему могут входить дополнительные линзы или, как в биноклях, призмы.

Как устроен оптический микроскоп

А — окуляр; В — объектив; С — объект; D — конденсор; Е — предметный столик; F — зеркало.

В основе работы оптического микроскопа лежат законы классической оптики. В микроскопе используется явление преломления световых лучей при прохождении сквозь стекло.

В оптическую систему микроскопа входят объектив и окуляр. Объектив — это самая важная часть микроскопа. С его помощью создаётся увеличенное изображение, которое наблюдатель видит в окуляре. Объектив собирает пучок световых лучей, расходящихся конусом от наблюдаемого предмета. Угол между крайним лучом этого светового потока и оптической осью называется апертурным углом. В объективе расходящийся световой поток превращается  в параллельный.

Главная характеристика объектива — номинальное увеличение, показывающее, во сколько раз объектив увеличивает изображение. Как правило, это ряд величин: 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120. Разрешающая способность объектива d = 0,61ƛ/A, где ƛ — длина световой волны; А — числовая апертура. Она равна произведению показателя преломления среды между предметом и объективом на синус апертурного угла. Максимальная разрешающая способность светового оптического микроскопа равна 0,2 мкм.

Окуляр — это линза, приближенная к глазу наблюдателя. Она также увеличивает изображение, которое даёт объектив микроскопа, от 5 до 25 раз. Параллельный световой поток преломляется в окуляре таким образом, что изображение фокусируется в глазе наблюдателя.

Чтобы увеличить рассматриваемый объект, его нужно сначала подсветить. В первых микроскопах это делалось с помощью естественного освещения. Позднее для этого стали использовать зеркальце. Попадая на него, лучи от источника света отражаются и освещают объект наблюдения. В современном микроскопе освещение регулируют с помощью системы линз, называемых конденсорами, которые собирают лучи от источника света и направляют их на предмет.

Величина, полученная умножением увеличения объектива на увеличение окуляра, показывает общее увеличение микроскопа.

Механическая часть микроскопа состоит из тубуса, в котором закреплены объектив и окуляр. Микроскоп должен быть устойчивым. Поэтому тубус и тубусодержатель находятся на массивном прочном основании. Там же закреплен держатель конденсора. Если в микроскопе несколько объективов, то он оснащён револьверной головкой, которая производит быструю их смену простым поворотом.

Предмет, который необходимо исследовать, размещается на предметном столике.

Микроскоп для наблюдения одним глазом имеет один объектив и называется  монокулярным. Для наблюдения двумя глазами созданы бинокулярные микроскопы, оснащённые двумя одинаковыми окулярами.

Вместо одного из окуляров в микроскоп может быть вмонтирован фотоаппарат.

Общие сведения[править]

В зависимости от расположения центров кривизны всех преломляющих поверхностей оптической системы на одной прямой (именуемой главной оптической осью системы) они могут быть центрированными, или (если сохраняются гомоцентричность пучков и изображение геометрически подобно предмету) идеальными оптическими системами.

Все источники световой энергии света — излучатели не зависимо от природы получения светового луча (от нагрева излучателя, лазерных источников излучения, термоядерных излучений и других источников, преобразующие в свет другие формы или виды движения материи (тепловые, химические, электрические и т. п.) не являются элементами рассматриваемых оптических систем. Источник света является самостоятельным материальным объектом, который попав в оптическую систему преобразуется, трансформируется этой оптической системой.

Источники света могут быть образованы в свою очередь другими оптическими системами, которые независимые и не связаны с рассматриваемыми ОС. (Например, Осветительные приборы — ОС являются источниками света для других ОС — фото\видеоаппаратуры, киноаппаратуры и др.).

Оптика в средневековой Европе[править]

Оптическая диаграмма показывает свет, преломляемый сферическим стеклянным контейнером, полным воды. (от Роджера Бакона или Роберта Гроссетеста)

Английский епископ, Роберт Гроссетест (1175—1253), на широком диапазоне научных тем во время происхождения средневекового университета и восстановления работ Аристотеля создал свои труды. Grosseteste отразил период перехода между Учением Платона раннего средневекового изучения и нового Aristotelianism, он имел тенденцию применять математику и Платоническую метафору света во многих из своих рукописных трудов. Его рассуждения о свете выражаются в виде четырех различных перспектив: эпистемологии света, метафизики или космогонии света, этиологии или физики света, и как богословиясвета.


Откладывая проблемы эпистемологии и богословия, космогония света, Гроссетест описывает происхождение вселенной, что может свободно быть описано как средневековая теория «большого взрыва». Оба его библейских комментария, Hexaemeron (1230 x 35), и его научное На Свету (1235 x 40), взяли их вдохновение от Происхождения 1:3, «Бог сказал, позволять там быть светом», и описал последующий процесс создания как естественный физический процесс, являющийся результатом порождающей власти расширения (и заключение контракта) сферы света.

Оптическая диаграмма демонстрации света, преломляемый сферическим стеклянным контейнером, полным воды. (от Роджера Бакона или Роберта Гроссетеста) показывает, что свет преломляется сферическим стеклянным контейнером (линзой), полным воды. (от Роджера Бакона или Роберта Гроссетеста)Его более общее рассмотрение света — свет является объективной реальностью, физической причинной обусловленности его появления «На Линиях, англах, и фигурирует, где он утверждает, что «естественный агент размножает его власть от себя до получателя» и в По Природе Мест, где он отмечает, что «каждое естественное действие различно по силе и слабости через изменение линий, углов и фигур.»

Английский Franciscan, Роджер Бакон (1214—1294), находился под влиянием писем Гроссетест о важности света. В его оптических письмах (Perspectiva, De multiplicatione specierum, и De speculis comburentibus) он процитировал широкий диапазон недавно переведенных оптических и философских работ, включая таковые из Alhacen, Аристотель, Avicenna, Averroes, Юклид, al-Kindi, Птолемей, Tideus, и Константин африканец

Хотя он не был рабским иммитатором, но он использовал свой математический анализ света и видения писем арабского автора Алхейкна. Но он добавил к этому понятие Neoplatonic, возможно взятое у Grosseteste, что каждый объект излучает «власть» (разновидности), которыми они действует поблизости на соответствующие объекты, получают те разновидности. Отметьте, что использование Беконом оптичесих категорий «разновидности» отличаются значительно от рода / категории разновидностей, найденные в Аристотелевской философии.

Другой английский Franciscan, Джон Печам (умер 1292) основывался на работе Бекона, Grosseteste, и разнообразного диапазона более ранних авторов, чтобы произвести то, что стало наиболее широко используемым учебником по Оптике Средневековья, Perspectiva communis. Его книга сосредоточилась на вопросах о видении, на том, как мы видим, а не по природе света и цвета. Pecham следовал за моделью, сформулированной Алхейкном, но интерпретировал идеи Алхейкна под углом зрения Роджера Бакона.

Как его предшественники, Witelo (1230—1280 x 1314) привлекал обширный материал оптических работ, недавно переведенных с греческого языка, и арабского, чтобы произвести массивное представление предмета с прицелом на Perspectiva. Его теория видения следует за Алхейкном, и он не рассматривает понятие Бекона разновидностей, хотя проходы в его работе демонстрируют, что он был под влиянием идей Бекона

Судя по числу выживания рукописей, его работа хоть не влияла как таковые из Pecham и Бекона, но все же была важной, которые (Pecham) увеличивались с изобретением печати

  • Питер Лиможа (1240—1306)
  • Зэодорик Фрайберга (приблизительно 1250 — приблизительно. 1310)

Спектрограф.

Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210–800 нм), стекла (360–2500 нм) или каменной соли (2500–16000 нм). В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области. См. также АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА; ОПТИКА.

Дисперсия света

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672)

Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.

Дисперсией света объясняется такое природное явление, как радуга.

Линзы и производство линз[править]

Самые ранние известные линзы были сделаны из полируемого кристалла, часто кварца, и были датированы уже 700 до н.э для ассирийских линз, типа Layard / линза Nimrud. Есть много подобных линз древнего Египта, Греции и Вавилона. Древние Католики и Греки заполняли стеклянные сферы водой, чтобы сделать линзы.

О стеклянных линзах не думали до Средневековья. Ibn al-Haytham (Alhacen) написал об эффектах крошечного отверстия и вогнутых линз в его Книге Оптики,,, работы которого влияли на развитие современного телескопа. Самое раннее свидетельство «устройства увеличения, выпуклая линза, формирующая увеличенное изображение, » также относится ко времени его Книги Оптики. Роджер Бакон использовал части стеклянных сфер как лупы и рекомендовал им использоваться, чтобы помочь людям читать. Роджер Бакон получил его вдохновение от Alhacen в XI-ом столетии. Он обнаружил, что свет достояние объектов и не излучается ими. Приблизительно 1284 в Италии, Salvino D’Armate в описаниях даётся как изобретель первых пригодных очков глаза.

Между XI-ым и XIII-ым столетием «было изобретено чтение камней». Часто используемый монахами, чтобы помочь в освещении рукописей, они были примитивными плоско-выпуклыми линзами, первоначально сделанными, сокращая стеклянную сферу в половине диаметра. Поскольку камни были опытными и это долго понималось, что более мелкие линзы увеличивают более эффективно.

Есть некоторое документальное свидетельство, но никакие выжившие проекты или физические свидетельства о том, что принципы телескопов были известны в конце XVI-ого столетия. Леонард Дигджес, Al-шум Taqi и Джамбаттистаа Делла Портасвязаны c независимо развитыми элементарными телескопами в 1570-ых и 1580-ых. Однако, самые ранние известные рабочие телескопы были преломляющими телескопами, которые появились в Нидерландах в 1608. Их создание приписывается трем людям: Хансу Липпершейю и Зачариасу Джанссену, которые были изготовителями зрелища в Мидделбурге, и Джекобому Метиусу Alkmaarу. Галилео существенно улучшал эти проекты в следующем году. Айзеку Ньютону приписывают строительство первого функционального телескопа отражения в 1668 с его ньютоновским отражателем.

Первый микроскоп был сделан приблизительно в 1595 году в Middleburg, Голландии. Три различных изготовителя линз получили статус изобретения: Ханс Липпершей (кто также создавал первый реальный телескоп); Ханс Джанссен; и его сын, Зачариас. Название «микроскоп» принадлежит Джованни Фаберу, который дал его составному микроскопу Галилео Галилея в 1625 году.

Цилиндрические линзы и астигматизмправить

Выдающийся учёный девятнадцатого века, английский королевский астроном сэр Джордж Эйри (1801—1892) проводил исследования оптических устройств и систем, он первым обратил внимание на астигматизм, как дефект зрения. С помощью цилиндрической линзы Эйри изготовил первые очки, корректирующие астигматизм (1825), такие очки используется и в настоящее время.

Базовые оптические элементы

Также называются оптическими деталями. Исторически такими элементами являлись:

  • линзы;
  • призмы;
  • зеркала;
  • светофильтры.

В XIX веке эта тетрада была дополнена поляризаторами и дифракционными элементами (дифракционная решётка, эшелон Майкельсона).

В XX веке появились:

  • элементы волоконной оптики (гибкие световоды);
  • интерференционные элементы (как, например, узкополосные светофильтры и интерференционные зеркала);
  • элементы голографической техники (например — толстослойные фотопластинки);
  • элементы нелинейной оптики, (например — кристаллы, используемые для преобразования частоты света).

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

  1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
  2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
  3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
  4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
  5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
  6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
  7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.


Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно! При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние

Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​\( d_0 \)​ – расстояние наилучшего зрения, ​\( d_0 \)​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.


Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​\( F_1 \)​ – фокусное расстояние объектива; ​\( F_2 \)​ – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​\( \varphi \)​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​\( \infty \)​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

  • Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
  • Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.


С этим читают