Šta su optički uređaji. Optički uređaji

Znanje koje su istraživači stekli o svjetlosnim fenomenima omogućilo je stvaranje mnogih optičkih instrumenata koji uvelike proširuju granice ljudskih mogućnosti. Već znate za jednostavan i uobičajen uređaj - naočale. Danas ćemo razgovarati o principu rada drugih optičkih uređaja.

Ugao gledanja je ugao koji formiraju zraci iz kojih izlaze ekstremne tačke predmet i prolaze kroz optički centar oka.

Granični ugao gledanja je najmanji ugao gledanja pod kojim osoba još razlikuje dvije tačke odvojeno, približno jednak 1/60 stepena.

Optički instrumenti se koriste za povećanje ugla gledanja. Prema svojoj namjeni, optički uređaji se mogu podijeliti u dvije velike grupe:

uređaji za gledanje vrlo malih objekata (lupa, mikroskop), koji pružaju mogućnost "uvećanja" objekata posmatranja.

uređaji za posmatranje udaljenih objekata (ogled, dvogled, teleskop). Ovi objekti "približavaju" objekte posmatranja.

Perut je kratkofokusno sočivo za čišćenje za gledanje malih objekata. Njegova žižna daljina je od 1 cm do 15 cm. Uvećanje koje se može postići pomoću povećala zavisi od njegove optička snaga. Proračuni pokazuju da je ovo povećanje jednako omjeru udaljenosti najboljeg pogleda i žižne daljine peruti. Naočare (kratkofokusna sočiva za čišćenje uzeta u okvir) mikroskopa, teleskopa, dvogleda i drugih optičkih instrumenata takođe deluju kao perut. Okular bilo kog optičkog instrumenta je uvek postavljen blizu oka.

Mikroskop se koristi kada je potrebno pregledati vrlo male objekte. Glavni optički dijelovi mikroskopa su objektiv i okular - dva sočiva za čišćenje, od kojih svako radi nezavisno. Uz pomoć sočiva stvara se uvećana i stvarna slika koja se ispituje uz pomoć okulara. Mikroskop daje zamišljenu, obrnutu, uvećanu sliku malih objekata. Slika predmeta dobijena uz pomoć objektiva i okulara se preokreće, pa se u teleskope između objektiva i okulara postavlja dodatno sočivo ili reverzna prizma, koja „okreće“ sliku i čini je ravnom. Mikroskopi se koriste u nauci, tehnologiji, forenzici i medicini. Snažno sočivo može povećati do 100 puta, dok okular daje uvećanje ne više od 20 puta. Dakle najbolji optički mikroskop može dati povećanje do 100,20 = 2000.

Teleskop je instrument (uzornik) dizajniran za posmatranje nebeska tela. Omogućava vam da razlikujete bliske svjetleće točke i promatrate vrlo udaljene svjetleće objekte. On se, kao mikroskop, može napraviti od dva sočiva. Sočivo koje je najbliže oku je okular, a drugo je sočivo. Namjena okulara u teleskopu i mikroskopu je gotovo ista. "Uloga" sočiva u teleskopu je "suprotna" ulozi sočiva u mikroskopu. Ako se uvećanje mikroskopa povećava s povećanjem optičke snage sočiva (sa smanjenjem žarišne daljine), onda teleskop, naprotiv, "donosi" predmet jači, što je veća žižna daljina sočivo.

Proračuni pokazuju da je "zum" koji daje teleskop jednak omjeru žižne daljine objektiva i žižne daljine okulara. Žižna daljina teleskopska sočiva mogu doseći desetine metara. Ovi teleskopi "zumiraju" hiljade puta.

Kamere su optički uređaji u kojima se prave slike objekata smanjuju i fiksiraju na posebnom elementu. Struktura kamere je slična strukturi oka. AT digitalni fotoaparati proces dobijanja slike je mnogo komplikovaniji, ali principi i osnove fotografije ostaju nepromenjeni. Princip rada kamere primjenjuje se i na filmsku i na video kamere.

Uz pomoć kamera i projektora na ekranu se dobija slika – prava, uvećana, obrnuta. A kako likovi ne bi išli naopako na ekranu, film u filmskoj kameri se postavlja naopako.

Optički uređaji pomozite nam da istražimo svijet. Teleskop vam omogućava da otkrijete i ispitate obrise i detalje udaljenih kosmičkih tijela, a mikroskop otkriva tajne naše planete, poput strukture živih stanica.

Naše oči su u suštini optički instrumenti. Kada pogledamo predmet, sistem sočiva koji se nalazi ispred svakog oka formira njegovu sliku na mrežnjači - sloju fundusa koji sadrži približno 125 miliona ćelija osetljivih na svetlost. Svjetlost koja pada na mrežnicu uzrokuje da stanice šalju električni nervni signal u mozak, omogućavajući nam da vizualno percipiramo objekt.

Osim toga, oči imaju sistem za podešavanje svjetline. Pri jakom svjetlu, zjenica se instinktivno sužava, smanjujući svjetlinu slike na prihvatljiv nivo. Pri slabom svjetlu, zjenica se širi, povećavajući svjetlinu slike.

Kako radi sočivo

Sistem sočiva oka sastoji se od konveksnog sočiva sočiva i zakrivljene membrane ispred nje ispunjene tečnošću, koja se naziva rožnjača. Rožnjača pruža četiri petine cjelokupnog procesa fokusiranja. Fino podešavanje se vrši pomoću sočiva, čija se zakrivljenost površine mijenja mišićnim prstenom (kapsulom) koji se nalazi oko njega. Kada oko ne može poprimiti potreban oblik, obično zbog poremećaja u tim mišićima, slike vidljivih objekata postaju mutne.

Najčešće oštećenje vida je nemogućnost fokusiranja na retinu slike. pojedinačnih predmeta. Ako je sistem sočiva oka prejak, drugim riječima, ako je vrlo konveksan, tada će se udaljeni objekti zamutiti, a bliski će dati jasne slike. Osobe s ovim poremećajem nazivaju se kratkovidi. Ako je konveksnost sočiva nedovoljna, tada će se bliski objekti zamutiti, a slike udaljenih objekata će ostati jasne. Oni sa ovom vizijom nazivaju se dalekovidi. Oba poremećaja mogu se ispraviti korištenjem naočala ili kontaktnih sočiva. Kratkovidni ljudi nose naočare sa konkavnim sočivima (tanji u sredini) koje omogućavaju njihovim očima da se fokusiraju na udaljene predmete. Dalekovidi ljudi nose naočare sa konveksnim staklima (debele u sredini).

Povećati

Jaka konveksna sočiva se često koriste kao lupa. Prvi uređaji za uvećanje korišteni su prije otprilike 2000 godina. Starogrčki i rimski dokumenti opisuju kako se okrugla staklena posuda napunjena vodom može koristiti za povećanje predmeta. Sočiva napravljena u potpunosti od stakla pojavila su se mnogo kasnije i verovatno su ih prvi put koristili u 11. veku monasi koji su radili na rukopisima. Krajem 13. vijeka u naočarima su se već koristile lupe sa malim uvećanjem za korekciju dalekovidosti. Ali tehnika izrade konkavnih sočiva za ispravljanje miopije nije izmišljena sve do ranog 15. veka.

teleskopi

Kada su se pojavile lupe, ljudi su prirodno pokušali da koriste dva takva stakla umesto jedne kako bi dobili još veće uvećanje. Eksperimentalno je utvrđeno da se na određenoj udaljenosti između sočiva, udaljeni objekt može vidjeti sa značajnim povećanjem. Ovakav raspored sočiva poslužio je kao osnova za stvaranje prvog teleskopa, koji se u to vrijeme zvao spoting scope. Izum ovog uređaja se ponekad pripisuje engleskom filozofu i prirodoslovcu Rogeru Baconu koji je živio u 13. stoljeću. Ali možda palma pripada arapskim naučnicima.

Galilejev refraktor

Niska, koju je 1608. godine kreirao holandski optičar Hans Lippershey, privukao je pažnju italijanskog naučnika Galilea. Za kratko vrijeme, naučnik je poboljšao Lippersheyjev dizajn i stvorio nekoliko cijevi s poboljšanim karakteristikama. Uz njihovu pomoć, napravio je niz otkrića, uključujući planine i doline na Mjesecu, kao i četiri Jupiterova satelita.

Galilejeva otkrića pokazala su važnost teleskopa, a tip instrumenta koji je koristio postao je poznat kao Galilejev teleskop. Konveksno sočivo njegovog objektiva sakupljalo je svetlost posmatranog objekta. A konkavna leća okulara odbijala je svjetlosne zrake na takav način da su stvarale uvećanu direktnu sliku. Objektivi su montirani u cijevi, od kojih je jedna (manjeg prečnika) klizila unutar druge. Ovo je omogućilo podešavanje udaljenosti između sočiva, uz dobijanje jasne slike.

Galileov teleskop radi na principu prelamanja (skretanja) svjetlosti i stoga je poznat i kao refraktorski teleskop. Drugi tip refraktorskog teleskopa karakterizira konveksnost oba sočiva. Ovaj dizajn stvara uvećanu, ali obrnutu sliku i poznat je kao astronomski teleskop.

Newtonov reflektor

Jedan od glavnih problema s ranim teleskopima s prelamanjem bio je defekt sočiva nazvan kromatska aberacija koja je uzrokovala neželjene oreole u boji oko slika. Za otklanjanje ovog nedostatka, engleski naučnik Isaac Newton je dizajnirao reflektirajući teleskop 1660-ih godina. Za koncentriranje svjetlosnih zraka i stvaranje slike, umjesto objektivnog sočiva koristi se konkavno ogledalo koje ne stvara oreole u boji. Ravno ogledalo reflektira svjetlost u konveksno sočivo okulara postavljeno sa strane glavne cijevi. Instrument ovog tipa poznat je kao Njutnov teleskop.

mikroskopi

Povećalo ponekad se zove jednostavan mikroskop, budući da se koristi pri posmatranju malih objekata.

Složeni mikroskop se sastoji od dva konveksna sočiva. Objektiv stvara uvećanu sliku, koja se zatim ponovo uvećava sočivom okulara. Kao i kod astronomskog teleskopa, ova slika je obrnuta. Mnogi složeni mikroskopi imaju set objektiva sa različitim stepenom povećanja.

Optički instrumenti su čovjeku otvorili dva polarna svijeta u smislu razmjera - kosmički svijet sa svojim ogromnim prostranstvima i onaj mikrokosmički, nastanjen najsitnijim organizmima. TV Broadcast, demonstracija filma, brzo snimanje terena, precizno mjerenje udaljenosti i brzina mogući su samo uz korištenje optičkih instrumenata.

Najčešći uređaji koji formiraju slike. To su teleskop i dvogled, mikroskop i lupa, kamera i dijaprojektor... Projekcioni aparat je jedan od najkarakterističnijih uređaja koji formiraju sliku (sl. 1). Ako je projektor prilagođen za prikazivanje filma, naziva se filmska kamera. Ako se koristi za demonstraciju folija, onda je ovo dijaprojektor. U dijaprojektoru se prozirna fotografija - slajd D, osvijetljen svjetlošću kondenzatora K, postavlja blizu žižne ravni sočiva tako da se na ekranu dobije jasna slika. Veličina slike zavisi od udaljenosti projektora od ekrana. Prilikom promjene ove udaljenosti potrebno je promijeniti položaj sočiva u odnosu na prozirne folije. Ako umjesto ekrana stavite osvijetljeni objekt, on će biti prikazan na mjestu prozirnih folija. Sada, ako stavite film umjesto folije i uklonite kondenzator, dobit ćete krug kamere.

Optička shema ljudskog oka također podsjeća na kameru. Oko formira sliku na svojoj mrežnjači. Veličina slike objekta na mrežnjači zavisi od ugla pod kojim ga vidimo. Dakle, ugaoni prečnik Sunca je 32. Ovaj ugao određuje veličinu slike Sunca na mrežnjači. Kada se dvije krajnje tačke objekta vide pod uglom manjim od 1, one se spajaju na mrežnjači i predmet se posmatraču čini kao tačka. U ovom slučaju kažemo da rezolucija oka ne prelazi jednu lučnu minutu.

Teleskop omogućava povećanje ugla pod kojim je udaljeni objekt vidljiv. Prvi teleskop nastao je početkom 17. vijeka. G. Galileo. Hajde da opišemo putanju zraka iz udaljenog objekta u modernom optiku. Iz krajnjih tačaka objekta paralelne zrake padaju na sočivo i ocrtavaju konturu objekta u fokalnoj ravni. Kroz okular, slika se gleda pod uglom većim od , pod kojim je predmet vidljiv golim okom. Kutno povećanje teleskopa. Optička šema prikazana na sl. 2 je dijagram refraktora - teleskopa sa objektivom. Teleskop sa zrcalnim sočivom naziva se reflektor ili reflektirajući teleskop. Prvi reflektor sagradio je I. Newton 1668. (sl. 3).

Teleskop sa prečnikom sočiva D omogućava vam da posmatrate objekte ili tačke objekta koje su na ugaonoj udaljenosti, ako pretpostavimo da je dužina svetlosnog talasa koji emituje objekat µm. Ispada da što je veći prečnik teleskopa, to više sitni dijelovi objekt se može razlikovati uz njegovu pomoć. Za najveće refraktore, prečnik objektiva ne prelazi . Tehnički je lakše napraviti ogledalo velikog prečnika i napraviti reflektor.

Najveći teleskop na svijetu sa ogledalom od metra izgrađen je u Sovjetskom Savezu. Dizajniran je za promatranje promjenjivih galaksija, pulsara, kvazara i drugih svemirskih objekata.

Da biste posmatrali mali predmet pod velikim uglom, približite ga oku što je više moguće. Međutim, očna leća jasno prikazuje objekt na mrežnjači ako je postavljena ne bliže od 10 cm od oka. Na manjim udaljenostima, maksimalna zakrivljenost sočiva je nedovoljna za dobijanje jasne slike na mrežnjači. Zbog toga se vrlo mali predmeti ispituju kroz lupu ili mikroskop - uređaje koji povećavaju ugao pod kojim je predmet vidljiv.

Povećala izmišljena u 17. veku holandski prirodnjak A. Leeuwenhoek, otkrivač svijeta mikroorganizama, dao je povećanje od 300 puta. Dizajn mikroskopa je poboljšan 1650-ih godina. Engleski naučnik R. Hooke. Ali sve do 20-ih. 19. vijek mikroskopi nisu mogli da se takmiče sa veoma dobrim lupama. Napredak je postignut kroz razvoj složenih sočiva sa više sočiva. Minimalne dimenzije objekta, vidljivog u mikroskopu, određuju se zavisnošću: A. Ovdje je A konstanta jednaka približno 1. Za zeleno svjetlo, μm. Da bi se objekat vidio pod uglom G, dovoljno je povećanje od 1000 puta.

Spektralni optički instrumenti su dizajnirani da proučavaju spektralni sastav svjetlosti. Oni igraju važnu ulogu u razvoju nauke i koriste se kako za proučavanje procesa koji se dešavaju u mikrokosmosu, tako i za primenjene svrhe. Na primjer, uz pomoć moderne spektralne opreme može se procijeniti oblik atomskog jezgra i izvršiti tačna elementarna analiza tvari. Primer spektralnog instrumenta je spektroskop (slika 4), u kojem se emisioni spektar može vizuelno posmatrati. Glavni dio spektroskopa je prizma ili difrakciona rešetka. Sočivo prikuplja proučavano zračenje na prorezu kolimatora - uređaja koji formira svjetlosni snop male divergencije - "paralelni" snop. Nakon prolaska kroz prizmu, takav snop se pretvara u n snopova koji putuju pod različitim uglovima ako se zračenje sastoji od elektromagnetnih talasa sa dužinama. Sočivo na ekranu će dati slike proreza A, koji formiraju spektar. Kada je potrebno proučavati "skoro" monokromatsko zračenje, na primjer, spektralni sastav jedne linije, instrument visoke rezolucije se ugrađuje u seriju sa instrumentom sa spektroskopskom prizmom. Bez prethodnog razlaganja svjetlosnih uređaja visoka rezolucija ne mogu se koristiti, jer mogu raditi samo u vrlo uskom rasponu valnih dužina.

Stvaranje lasera otvorilo je nove puteve u optičkoj instrumentaciji.

Savremeni laserski žiroskopi su sposobni da rade pod velikim mehaničkim preopterećenjima, mogu se ugraditi na rakete, svemirski brodovi. Izgrađeni su laserski magnetometri za mjerenje slabih magnetnih polja i uređaji za mjerenje brzine i raspodjele čestica po veličini. Laserski optički radari se uspješno koriste u različite svrhe (slika 5). visoka svjetlina lasersko zračenje omogućava prenošenje na velike udaljenosti, a kratko trajanje laserskog impulsa pruža izuzetnu preciznost mjerenja udaljenosti. Zanimljiv je laserski mjerač brzine (slika 6). Odbijena od čestice koja se kreće, lasersko svjetlo će promijeniti svoju frekvenciju oscilovanja. Pri normalnim brzinama ova promjena zbog Doplerovog efekta je zanemarljiva. Pa ipak, zbog visoke fazne stabilnosti i monokromatičnosti laserske svjetlosti, ona se može mjeriti, a izmjerena vrijednost se može koristiti za određivanje brzine čestice, na primjer, koja se kreće u turbulentnom toku fluida (vidi Turbulencija).

Fizičari i inženjeri razvijaju optički računar. Njegov projektni kapacitet je više od milijardu operacija u sekundi, odnosno deset puta više od najbržih kompjutera koji trenutno postoje. Osnova takve mašine će biti laserski uređaji. A njena memorija će biti optička, zasnovana na holografskom zapisu podataka (vidi Holo-rafija). Na hologramu 10 X 10 može se snimiti više od 100 miliona jedinica informacija: za takvu količinu informacija bilo bi potrebno oko 1 milion stranica štampanog teksta. Uz pomoć holografske optike danas se izvode složeni matematički proračuni, diferenciranje funkcija, integralne operacije, rješavaju se najsloženije jednadžbe. optički elementi - komponenta dizajna mnogih uređaja. Dakle, kontrolisane optičke prozirnosti omogućavaju sliku dobijenu uz pomoć slike koju oko ne percipira. elektromagnetno zračenje, pretvoriti u vidljivo zračenje.

Optički uređaji na bazi optičkih vlakana omogućavaju pregled unutrašnjih organa osobe i sprječavanje ozbiljnih bolesti.

Dakle, savremeni optički instrumenti su apsolutno neophodni i široko se koriste u mnogim granama nacionalne privrede, u naučnim istraživanjima.