prezentacja programu powerpoint - if.pwr.edu.plwozniak/optyka_instrumentalna_pliki/wyklad... · a...

OPTYKA INSTRUMENTALNA

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Politechnika Wrocławska

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Pokój 18/11 bud. A-1

Wykład 6: PRZYRZĄDY OPTYCZNE I: lupa, aparat fotograficzny (obiektywy), projektory, kolimatory;

Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna

Wprowadzenie

W poprzednim odcinku:

- Siatki dyfrakcyjne;

- Soczewki gradientowe;

- Aksikony;

- Soczewki dyfrakcyjne;

- Płytka strefowa Fresnela;

- Soczewki holograficzne, kinoformowe;

- Oko.


Lupa

Lupa – najprostszy przyrząd, dający obraz prosty, pozorny, powiększony.

W zasadzie wystarczy pojedyncza soczewka

zbierająca (skupiająca) – ale w praktyce są to

układy bardziej złożone; często pełnią rolę

prostych okularów albo elementów okularów

(tych „najbliżej oka”).

Służy do bezpośredniej obserwacji małych,

blisko położonych przedmiotów.

Soczewki dające mniejsze niż trzykrotne

powiększenie nazywane są szkłami

powiększającymi.


Lupa

Obserwując przedmiot „gołym” okiem, ustawiamy go zwykle w odległości dobrego

widzenia D=25 cm (CO TO I SKĄD TA WIELKOŚĆ?)

tan𝑤 =𝑦

−𝐷

Dwa skrajne punkty przedmiotu tworzą kąt w (zdolność rozdzielcza!):


Lupa

Gdy oglądamy przedmiot przez lupę, umieszczamy go w ognisku przedmiotowym lupy

albo między ogniskiem a lupą, blisko ogniska.

tan𝑤′ =𝑦′

−𝑠′ + 𝑠𝑧′

Teraz dwa skrajne punkty

przedmiotu tworzą kąt w’:


Lupa

Powiększenie wizualne lupy:

Γ =tan𝑤′

tan𝑤= −

𝑦′

𝑦

𝐷

𝑠𝑧′ − 𝑠′

Uwzględniając wzór soczewkowy i

zależności geometryczne:

Γ = −𝑓′ − 𝑠′

𝑓′

𝐷

𝑠𝑧′ − 𝑠′


Lupa

Jeśli przedmiot umieścimy w ognisku przedmiotowym lupy, a

oko będzie pracować bez wysiłku akomodacyjnego:

Γ =𝐷

𝑓′

Natomiast jeśli założymy, że obraz powstanie w odległości

dobrego widzenia D, a oko będzie tuż za (𝜟) lupą:

Γ = 1 +𝐷

𝑓′+Δ

𝑓′

(w praktyce pomiarowej, oko na dłuższa metę mniej męczy się bez

jakiejkolwiek akomodacji, a więc tak właśnie obserwujemy obraz przez lupę…)


Lupa

Aperturę lupy ogranicza źrenica oka. Pole widzenia zależy od położenia oka względem lupy.

Ze względu na konstrukcję układu optycznego wyróżnia się rodzaje lup:- Lupa prosta – składająca się z jednej soczewki – powiększenie do 7x;

- Lupa aplanatyczna – składająca się z dwóch identycznych płaskowypukłych soczewek, wypukłościami skierowanymi

do siebie. Nieraz między soczewkami umieszczona jest specjalna przesłona. Koryguje aberrację sferyczną i komę –

powiększenie do 12x; (a)

- Lupa achromatyczna – składająca się z dwóch sklejonych ze sobą soczewek – dodatniej dwuwypukłej wykonanej ze

szkła kron i ujemnej wykonanej ze szkła flint. Koryguje aberrację chromatyczną i sferyczną – powiększenie do 20x;

(b)

- Lupa achromatyczno-aplanatyczna – składająca się z trzech, lub większej liczby soczewek. Koryguje aberrację

chromatyczną, sferyczną, dystorsję, oraz komę; (c)

- Lupa ortoplanatyczna – składająca się z trzech soczewek, dwóch dwuwypukłych, oraz umieszczonej między nimi

soczewki wklęsłej. Koryguje aberrację sferyczną, chromatyczną i dystorsję – powiększenie do 30x;

- Lupa astygmatyczna – składająca się przynajmniej z czterech soczewek. Koryguje aberrację sferyczną,

chromatyczną, dystorsję, komę, oraz astygmatyzm – powiększenie do 35x.


Lupa

Lupa aplanatyczna z podziałką ogniskową – podziałka ta umieszczona jest w płaszczyźnie ogniskowej

lupy, co umożliwia bezpośredni pomiar wielkości obserwowanego przedmiotu (przy ustawieniu oka „na

nieskończoność”).


Aparaty fotograficzne

Aparat fotograficzny służy do odwzorowania przedmiotu na kliszy fotograficznej za pomocą obiektywu.

Przedmiot zwykle znajduje się daleko (tzn. odległość przedmiotowa jest dużo mniejsza niż ogniskowa

obiektywu) więc obraz powstaje tuż za ogniskiem obrazowym.

Obiektyw aparatu składa się na ogół z wielu soczewek. Umożliwia to skorygowanie wszelkich aberracji i

otrzymanie „wiernego” obrazu, który może być następnie powiększany („odbitki”).

Aperturę obiektywu fotograficznego ogranicza regulowana przesłona irysowa, która znajduje się zwykle

wewnątrz obiektywu (czyli gdzieś „pomiędzy” licznymi soczewkami, które go tworzą). O polu widzenia decyduje

wielkość kliszy.



Historycznie pierwszym układem „fotograficznym” była camera obscura.

Twórcą pierwszego obiektywu soczewkowego był Girolamo Cardano (ok. 1550 r.).



Parametry obiektywów fotograficznych:- ogniskowa: 𝑓′

- otwór względny: 𝑂 =𝜙𝑧

𝑓′

- liczba przysłony (liczba otworowa): 𝑁 = Τ𝑓 # =1

𝑂=

𝑓′

𝜙𝑧

- jasność:𝜙𝑧

𝑓′

2

- zdolność rozdzielcza

- minimalna odległość przedmiotowa



Głębia ostrości w aparacie fotograficznym:

Δ𝑝 =−𝑠

𝜙𝑧𝑓′𝑧Δ𝑦′

+ 1

Δ𝑡 =𝑠

𝜙𝑧𝑓′𝑧Δ𝑦′

− 1



Podział obiektywów ze względu na ogniskową:- zmiennoogniskowe

- stałoogniskowe:

- standardowe

- szerokokątne

- wąskokątne

Podział obiektywów ze względu na zastosowanie:- teleobiektywy

- obiektywy makro (fotografowanie małych obiektów)

- rybie oko

- fotogrametryczne


Obiektywy

Najprostsze obiektywy – meniski dodatnie:

Przesłona aperturowa po stronie wklęsłej, mały otwór względny (1:15)


Obiektywy

Układy symetryczne

"RR-Aplanat-text" by Paul1513, źródło en.wikipedia.org


Obiektywy

Pierwszy obiektyw „wyliczony w oparciu o teorię odwzorowania optycznego – Petzvala

Początkowo układ symetryczny; jeden z dubletów nie jest klejony, co daje dodatkowy parametr konstrukcyjny;

kąt polowy 2w=25°, otwór względny 1:3,4.

„Petzval-text" by Paul1513, źródło en.wikipedia.org


Obiektywy

Anastygmaty Protar i Dagor

Bogatszy asortyment szkieł optycznych umożliwił konstrukcję układów z małym astygmatyzmem, krzywizną

pola, mała dystorsją i zredukowaną aberracja chromatyczną.

Mały otwór względny (1:5,6) ale duża ostrość odwzorowania dla sporych kątów polowych.

Protar Dagor


Obiektywy typu Gaussaby Paul1513, źródło en.wikipedia.org


Obiektywy

Obiektywy „rodziny” Gaussa:

Aristogmat – symetryczny układ dwóch obiektywów lunetowych typu Gaussa

Biotar – wersja rozwojowa aristogmatu, używany do dziś; duży otwór względny (do 1:0,6)


Obiektywy

Aviotar – obiektyw do kartografii lotniczej (dobrze skorygowana dystorsja)


Obiektywy

Rodzina trypletów Cooka (ale zaczął Taylor w 1884 r.)

Tryplet (anastygmat) Cooka – najprostszy obiektyw, w którym można skorygować

wszystkie aberracje trzeciorzędowe. Otwór względny do 1:3, kąt polowy 2w=60.

TessarHeliar

Sonnar

W udoskonalonych wersjach – najbardziej rozpowszechniony w

świecie obiektyw fotograficzny i projekcyjny!


Obiektywy

Obiektywy szerokokątne:

Mają ogniskową znacznie mniejszą od przekątnej przysłony obrazowej.

Opracowane na potrzeby fotogrametrii i meteorologii.

Hypergon – zaprojektowany przez Hoegha; mały otwór względny 1:22, duże pole widzenia 2w=140.

Topogon, Russar – symetryczna budowa; jaśniejsze 1:6,3, ciągle duże pole widzenia 2w=100.

Rybie oko – duża dystorsja beczkowa;

mały otwór względny, bardzo duże pole

widzenia, nawet do 2w=200.


Obiektywy

Obiektywy szerokokątne:

Współczesne obiektywy typu rybie oko: pole widzenia do 2w=200, większe jasności.

by Paul1513, źródło en.wikipedia.org


Obiektywy

Teleobiektywy:

Obiektywy wąskokątne, dlugoogniskowe (zasadniczo powyżej 50 mm,

teraz 70 mm), o mocno „wyrzuconych” płaszczyznach głównych,

dzięki czemu mają mniejszą długość.

„Typtelelens” autorstwa Tamasflex, źródło en.wikipedia.org


Obiektywy

Obiektywy zmiennoogniskowe (zoomy, tranfsokatory)

Zmianę ogniskowej uzyskuje się poprzez przesuw jednego lub kilku zespołów soczewek.

Przesuw ten powoduje zmianę powiększenia BEZ zmiany położenia płaszczyzny obrazowej

(ciągłe powiększanie obrazu, tzw. „najazd” stosowany w filmie i telewizji).


Obiektywy

Obiektywy zmiennoogniskowe (zoomy, tranfsokatory)


Obiektywy

Obiektywy zwierciadlane i zwierciadlano-soczewkowe

A to aparaty fotograficzne tzw. lustrzanki – ale to zupełnie inna historia…


Projektory

Projektory służą do odwzorowania przedmiotów na ekranie.

- Projektory kinowe – wyświetlanie filmów na dużym odległym ekranie);

- Rzutniki przeźroczy – „domowa wersja” powyższego;

- Powiększalniki – używane w fotografii;

- Projektory warsztatowe – a co to i po co?;

- Projektory folii – kiedyś używałem na wykładach… łza się w oku kręci;

- Projektory komputerowe – dzięki niemu widzimy teraz ten wykład!

- Projektory multimedialne – kombajn Bizon;

- Episkopy – nie mylić z episkopatem! – pokazują obrazy w świetle odbitym (duża moc!).

Działają jak aparaty fotograficzne, tylko „na odwrót” – stosunkowo mały „przedmiot” ma być

odwzorowany na duży ekran. Ważna jest więc nie tylko „ostrość” odwzorowania, ale też ilość

energii, która dotrze do tej dużej powierzchni ekranu!


Projektory

Rzutnik przeźroczy = diaskop

Służy do pokazywania powiększonych obrazów

przeźroczy na ekranie.Źródłem światła jest żarówka halogenowa (czemu?).

Sferyczne zwierciadło L – po co?

Kondensor K tworzy obraz źródła światła w płaszczyźnie

źrenicy wejściowej obiektywu projekcyjnego Ob.

Ramka z przeźroczem O jest umieszczona tuż za

kondensorem – jej obraz tworzy się na ekranie E.


Projektory

Projektor warsztatowy

Służy do pokazywania na matówce E powiększonych obrazów małych,

skomplikowanych części mechanicznych O umieszczonych na stoliku S.

Powiększenie: 10x do 100x za pomocą wymiennych obiektywów (uchwyt

rewolwerowy).

Na matówce można umieścić szablon przedmiotu celem porównania bądź

wykonać rysunek przedmiotu na kalce.


Kolimatory

Kolimator – przyrząd przetwarzający padające światło w równoległą wiązkę (skolimowaną) lub w wiązkę o

określonej zbieżności. Padający strumień może być rozbieżny, zbieżny lub może nie mieć ustalonej zbieżności.

Kolimator jest zwykle częścią składową większych przyrządów.(Wikipedia)

Kolimator – instrument optyczny tworzący obrazy punktów lub testów w bardzo dużej odległości; używa się

ich do pomiaru i kontroli charakterystyk różnych przyrządów optycznych. Składa się on z bardzo dobrze

skorygowanego, długoogniskowego obiektywu, w którego płaszczyźnie ogniskowej przedmiotowej znajduje się

płytka ogniskowa.(Hanc)

Kolimator – służy do wytwarzania „równoległych” wiązek światła. Znajduje zastosowanie w wielu układach

optycznych, jak np. przyrządach spektralnych i przyrządach do pomiaru ogniskowej i położenia płaszczyzn

głównych obiektywów.(Ratajczyk)

Kolimator = „urównoleglacz”?!


Kolimatory

Kolimator = „urównoleglacz”?!

Kolimator składa się z bardzo dobrze skorygowanego (na jakie

aberracje?) achromatycznego (rzadziej apochromatycznego),

długoogniskowego obiektywu Ob, w którego płaszczyźnie ogniskowej

przedmiotowej znajduje się płytka ogniskowa Pk.

Oba te elementy w najprostszym przypadku znajdują się w rurze,

przy czym oprawa płytki ogniskowej może być przesuwana w

płaszczyźnie prostopadłej do osi kolimatora (po co?).

Płytka ogniskowa może mieć postać:

- małego otworka – wtedy rzeczywiście pęk promieni wychodzących z

kolimatora ma postać wiązki równoległej;

- wąskiej szczeliny – jak wyżej, tylko łatwiejsza możliwość regulacji

szerokości;

- płytki szklanej z wytrawionym/naciętym rysunkiem/skalą – umożliwia

zastosowanie pomiarowe kolimatora.


Kolimatory

Oświetlacz zapewnia równomierne oświetlenie płytki ogniskowej. Składa się on najczęściej z

dwóch płasko-wypukłych soczewek, zwróconych do siebie wypukłościami (kondensor).

Soczewki te powinny znajdować się jak najbliżej płytki ogniskowej .

(Zwrócić uwagę na umieszczenie oprawy obiektywu na przesuwnym gwincie – po co?)


Kolimatory

Jeśli nie stosujemy oświetlacza, to rurę kolimatora można zamknąć matówką (po co?). W

wielu przypadkach między oświetlacz a płytkę ogniskową wstawia się zielony (dlaczego

zielony?) filtr świetlny. Zamiast matówki można nałożyć na kolimator okular, nastawiony na

ostre widzenie płytki ogniskowej (w jakim celu?).

Rysunek płytki ogniskowej ustawia się w jego płaszczyźnie ogniskowej z dokładnością nie mniejszą niż

0,001 dioptrii (bo tak).


Kolimatory

Rysunek płytki ogniskowej kolimatora wykonuje się

zwykle metodą fotograficzną lub przez rysowanie na

warstwie srebra i trawienie kwasem lub też

napylanie (chromem) w aparaturze próżniowej.


Kolimatory

Obiektywy kolimatorów muszą być doskonale skorygowane (na korekcję jakich aberracji

należy zwrócić szczególną uwagę?) a ich zdolność rozdzielcza w zakresie wykorzystywanego

pola powinna być równa teoretycznej.

Dla niewielkiego pola widzenia (2-3) używane są na ogół dwusoczewkowe obiektywy

aplanatyczne o sile światła od 1:12 do 1:8 i o ogniskowej 300, 1200 i 1500 mm.

Mimo niewielkiego pola widzenia kolimatora należy zwrócić uwagę na dobre skorygowanie

krzywizny pola, które może być źródłem paralaksy na brzegu pola.

Ogólną zasadą, która kierujemy się przy wyborze obiektywu kolimatora jest konieczność

stosowania obiektywu o dłuższej ogniskowej niż ogniskowa obiektywu przyrządu

sprawdzanego przy użyciu kolimatora. Im dłuższa ogniskowa obiektywu, tym „lepszą

nieskończoność” daje kolimator.


Kolimatory

Specjalny rodzaj kolimatorów: szerokokątne (pole widzenia 2w=30-45).

Kolimatorów tych używa się do:

- pomiarów kąta pola widzenia lunet;

- sprawdzania mechanizmów pomiaru kąta w przyrządach celowniczych;

- sprawdzania „martwych” ruchów przyrządach celowniczych;

- sprawdzania kątowej wartości działek w tychże przyrządach.

Kolimatory te muszą mieć bardzo dobrze skorygowane

wszystkie aberracje osiowe i pozaosiowe (w

szczególności dystorsję, krzywiznę pola i astygmatyzm).


Kolimatory

Ustawianie kolimatorów „na nieskończoność”:

1) Autokolimacja (patrz: lunety autokolimacyjne);

2) Obserwacja bardzo dalekiego punktu;

3) Metoda pentagonu i lunety;

4) Metoda trzech kolimatorów.

Można pokazać, że dokładność ustawienia

kolimatora „na nieskończoność” zależy od

wielkości źrenicy wyjściowej.

Ad. 3) Stosowana do ustawiania kolimatorów o dużej średnicy.

prezentacja programu powerpoint - if.pwr.edu.plwozniak/optyka_instrumentalna_pliki/wyklad... · a...

Documents