OPTYKA INSTRUMENTALNA

Transkrypt

1 OPTYKA INSTRUMENTALNA Wykład 6: PRZYRZĄDY OPTYCZNE I: lupa, aparat fotograficzny (obiektywy), projektory, kolimatory; Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Pokój 18/11 bud. A-1

2 Wprowadzenie W poprzednim odcinku: - Siatki dyfrakcyjne; - Soczewki gradientowe; - Aksikony; - Soczewki dyfrakcyjne; - Płytka strefowa Fresnela; - Soczewki holograficzne, kinoformowe; - Oko.

3 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.

4 Lupa Obserwując przedmiot gołym okiem, ustawiamy go zwykle w odległości dobrego widzenia D=25 cm (CO TO I SKĄD TA WIELKOŚĆ?) Dwa skrajne punkty przedmiotu tworzą kąt w (zdolność rozdzielcza!): tan w = y D

5 Lupa Gdy oglądamy przedmiot przez lupę, umieszczamy go w ognisku przedmiotowym lupy albo między ogniskiem a lupą, blisko ogniska. Teraz dwa skrajne punkty przedmiotu tworzą kąt w : tan w = y s + s z

6 Lupa Powiększenie wizualne lupy: Γ = tan w tan w = y y D s z s Uwzględniając wzór soczewkowy i zależności geometryczne: Γ = f s f D s z s

7 Lupa Jeśli przedmiot umieścimy w ognisku przedmiotowym lupy, a oko będzie pracować bez wysiłku akomodacyjnego: Γ = D f (w praktyce pomiarowej, oko na dłuższa metę mniej męczy się bez jakiejkolwiek akomodacji, a więc tak właśnie obserwujemy obraz przez lupę ) Natomiast jeśli założymy, że obraz powstanie w odległości dobrego widzenia D, a oko będzie tuż za (Δ) lupą: Γ = 1 + D f + Δ f

8 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.

9 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 ).

10 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.

11 Aparaty fotograficzne Historycznie pierwszym układem fotograficznym była camera obscura. Twórcą pierwszego obiektywu soczewkowego był Girolamo Cardano (ok r.).

12 Aparaty fotograficzne Parametry obiektywów fotograficznych: - ogniskowa: f - otwór względny: O = φ z f - liczba przysłony (liczba otworowa): N = f Τ# = 1 = f O - jasność: φ z f 2 - zdolność rozdzielcza - minimalna odległość przedmiotowa φ z

13 Aparaty fotograficzne Głębia ostrości w aparacie fotograficznym: Δ p = s φ z f zδy + 1 Δ t = s φ z f zδy 1

14 Aparaty fotograficzne 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

15 Obiektywy Najprostsze obiektywy meniski dodatnie: Przesłona aperturowa po stronie wklęsłej, mały otwór względny (1:15)

16 Obiektywy Układy symetryczne "RR-Aplanat-text" by Paul1513, źródło en.wikipedia.org

17 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

18 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

19 Obiektywy typu Gaussa by Paul1513, źródło en.wikipedia.org

20 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)

21 Obiektywy Aviotar obiektyw do kartografii lotniczej (dobrze skorygowana dystorsja)

22 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. W udoskonalonych wersjach najbardziej rozpowszechniony w świecie obiektyw fotograficzny i projekcyjny! Tessar Heliar Sonnar

23 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.

24 Obiektywy Obiektywy szerokokątne: Współczesne obiektywy typu rybie oko: pole widzenia do 2w=200, większe jasności. by Paul1513, źródło en.wikipedia.org

25 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

26 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).

27 Obiektywy Obiektywy zmiennoogniskowe (zoomy, tranfsokatory)

28 Obiektywy Obiektywy zwierciadlane i zwierciadlano-soczewkowe A to aparaty fotograficzne tzw. lustrzanki ale to zupełnie inna historia

29 Projektory Projektory służą do odwzorowania przedmiotów na ekranie. 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 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!).

30 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.

31 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.

32 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?!

33 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.

34 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?)

35 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).

36 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.

37 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.

38 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).

39 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.