Što su optički uređaji. Optički uređaji

Spoznaje koje su istraživači stekli o svjetlosnim fenomenima omogućile su 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.

Kut gledanja je kut koji čine zrake koje izlaze iz ekstremne točke predmet i prolaze kroz optički centar oka.

Granični kut gledanja je najmanji kut gledanja pod kojim osoba još razlikuje dvije točke zasebno, približno jednak 1/60 stupnja.

Za povećanje vidnog kuta koriste se optički instrumenti. Prema namjeni optički uređaji se mogu podijeliti u dvije velike skupine:

uređaji za promatranje vrlo malih objekata (lupa, mikroskop), koji pružaju mogućnost "povećanja" objekata promatranja.

uređaji za promatranje udaljenih predmeta (spogled, dalekozor, teleskop). Ovi objekti "približavaju" objekte promatranja.

Dandruff je leća za čišćenje kratkog fokusa za promatranje malih predmeta. Žarišna duljina mu je od 1 cm do 15 cm. Povećanje koje se može postići povećalom ovisi o njegovoj optička snaga. Izračuni pokazuju da je to povećanje jednako omjeru udaljenosti najboljeg pogleda i žarišne duljine prhuti. Kao prhut djeluju i naočale (kratkofokusne leće za čišćenje u okvirima) mikroskopa, teleskopa, dalekozora i drugih optičkih instrumenata. Okular svakog optičkog instrumenta uvijek se nalazi blizu oka.

Mikroskop se koristi kada je potrebno ispitati vrlo male predmete. Glavni optički dijelovi mikroskopa su objektiv i okular - dvije leće za čišćenje, od kojih svaka radi neovisno. Uz pomoć leće stvara se uvećana i stvarna slika koja se ispituje pomoću okulara. Mikroskop daje zamišljenu, obrnutu, uvećanu sliku malih predmeta. Slika predmeta dobivena pomoću objektiva i okulara je obrnuta, pa se u teleskope između objektiva i okulara postavlja dodatna leća ili reverzna prizma koja sliku “okreće” i čini je ravnom. Mikroskopi se koriste u znanosti, tehnologiji, forenzici i medicini. Snažna leća može povećati do 100 puta, dok okular daje povećanje ne veće od 20 puta. Dakle najbolji optički mikroskop može dati povećanje do 100,20 = 2000.

Teleskop je instrument (spogled) namijenjen promatranju nebeska tijela. Omogućuje vam razlikovanje bliskih svjetlećih točaka i promatranje vrlo udaljenih svjetlećih objekata. On se, poput mikroskopa, može napraviti od dvije leće. Leća koja je najbliža oku je okular, a druga je leća. Namjena okulara u teleskopu i mikroskopu gotovo je ista. "Uloga" leće u teleskopu je "suprotna" od leće u mikroskopu. Ako povećanje mikroskopa raste s povećanjem optičke jakosti leće (sa smanjenjem žarišne duljine), onda teleskop, naprotiv, "donosi" objekt to jače, što je žarišna duljina veća. leće.

Izračuni pokazuju da je "zum" koji daje teleskop jednak omjeru žarišne duljine objektiva i žarišne duljine okulara. Žarišna duljina teleskopska leća može doseći desetke metara. Ovi teleskopi "zumiraju" tisuće puta.

Fotoaparati su optički uređaji kod kojih se stvarne slike objekata smanjuju i učvršćuju na poseban element. Građa kamere slična je građi oka. NA digitalne kamere proces dobivanja slike puno je kompliciraniji, ali principi i osnove fotografije ostaju nepromijenjeni. Princip rada kamere primjenjuje se i na filmsku kameru i na video kamere.

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

Optički uređaji pomozite nam istražiti svijet. Teleskop vam omogućuje otkrivanje i ispitivanje obrisa i detalja udaljenih svemirskih tijela, a mikroskop otkriva tajne našeg planeta, poput strukture živih stanica.

Naše su oči u biti optički instrumenti. Kada gledamo predmet, sustav leća koji se nalazi ispred svakog oka oblikuje njegovu sliku na mrežnici - sloju fundusa koji sadrži približno 125 milijuna stanica osjetljivih na svjetlost. Svjetlo koje pada na mrežnicu uzrokuje da stanice pošalju električni živčani signal u mozak, što nam omogućuje vizualnu percepciju objekta.

Osim toga, oči imaju sustav za podešavanje svjetline. Pri jakom svjetlu, zjenica se instinktivno sužava, smanjujući svjetlinu slike na prihvatljivu razinu. Pri slabom osvjetljenju, zjenica se širi, povećavajući svjetlinu slike.

Kako leća radi

Sustav leća oka sastoji se od konveksne leće leće i zakrivljene membrane ispred nje ispunjene tekućinom, koja se naziva rožnica. Rožnica osigurava četiri petine cjelokupnog procesa fokusiranja. Fino podešavanje vrši leća čiju površinsku zakrivljenost mijenja mišićni prsten (kapsula) koji se nalazi oko nje. Kada oko ne može poprimiti potreban oblik, obično zbog poremećaja u tim mišićima, slike vidljivih predmeta postaju mutne.

Najčešće oštećenje vida je nemogućnost fokusiranja na mrežnicu slike. pojedinačne stavke. Ako je sustav leća oka prejak, drugim riječima, ako je jako konveksan, tada će se udaljeni objekti zamutiti, a oni blizu će dati jasne slike. Osobe s ovim poremećajem nazivaju se kratkovidnima. Ako je konveksnost leće nedovoljna, tada će se bliski objekti zamutiti, a slike udaljenih objekata ostat će jasne. Oni s takvim vidom nazivaju se dalekovidnima. Oba poremećaja mogu se korigirati korištenjem naočala ili kontaktnih leća. Kratkovidne osobe nose naočale s konkavnim staklima (tanjim u sredini) koje im omogućuju fokusiranje očiju na udaljene predmete. Dalekovidne osobe nose naočale s konveksnim lećama (debele u sredini).

Povećati

Jake konveksne leće često se koriste kao povećala. Prvi uređaji za povećanje korišteni su prije otprilike 2000 godina. Starogrčki i rimski dokumenti opisuju kako se okrugla staklena posuda napunjena vodom može koristiti za povećanje predmeta. Leće izrađene u potpunosti od stakla pojavile su se mnogo kasnije i vjerojatno su ih prvi put upotrijebili redovnici koji su radili na rukopisima u 11. stoljeću. Krajem 13. stoljeća u naočalama su se već koristila povećala s malim povećanjem za ispravljanje dalekovidnosti. Ali tehnika izrade konkavnih leća za ispravljanje kratkovidnosti izumljena je tek početkom 15. stoljeća.

teleskopi

Kada su se pojavila povećala, ljudi su naravno pokušali koristiti dva takva stakla umjesto jednog kako bi dobili još veće povećanje. Eksperimentalno je utvrđeno da se na određenoj udaljenosti između leća udaljeni objekt može vidjeti uz značajno povećanje. Ovakav raspored leća poslužio je kao osnova za stvaranje prvog teleskopa, koji se u to vrijeme nazivao spektor. Izum ovog uređaja ponekad se pripisuje engleskom filozofu i prirodoslovcu Rogeru Baconu koji je živio u 13. stoljeću. Ali možda dlan pripada arapskim znanstvenicima.

Galilejev refraktor

Optika, koju je 1608. izradio nizozemski optičar Hans Lippershey, privukla je pozornost talijanskog znanstvenika Galilea. U kratkom vremenu, znanstvenik je poboljšao Lippersheyev dizajn i stvorio nekoliko cijevi s poboljšanim karakteristikama. Uz njihovu pomoć došao je do niza otkrića, uključujući planine i doline na Mjesecu, kao i četiri Jupiterova satelita.

Galileova otkrića pokazala su važnost teleskopa, a vrsta instrumenta koju je koristio postala je poznata kao Galilejev teleskop. Konveksna leća njegovog objektiva skupljala je svjetlost promatranog objekta. A konkavna leća okulara odbijala je svjetlosne zrake na takav način da su stvarale uvećanu izravnu sliku. Leće su bile postavljene u cijevi od kojih je jedna (manjeg promjera) klizila u drugu. To je omogućilo podešavanje udaljenosti između leća, uz dobivanje jasne slike.

Galilejev teleskop radi na principu refrakcije (skretanja) svjetlosti i stoga je poznat i kao refraktorski teleskop. Drugu vrstu refraktorskog teleskopa karakterizira konveksnost obje leće. Ovaj dizajn stvara uvećanu ali obrnutu sliku i poznat je kao astronomski teleskop.

Newton reflektor

Jedan veliki problem s prvim refrakcijskim teleskopima bio je nedostatak leće koji se naziva kromatska aberacija koji je uzrokovao neželjene aureole u boji oko slika. Da bi se otklonio ovaj nedostatak, engl znanstvenik Isaac Newton je dizajnirao reflektirajući teleskop 1660-ih. Za koncentriranje svjetlosnih zraka i stvaranje slike umjesto leće objektiva koristi se konkavno zrcalo koje ne stvara aureole boja. Ravno zrcalo reflektira svjetlost u konveksnu leću okulara postavljenu sa strane glavne cijevi. Instrument ove vrste poznat je kao Newtonov teleskop.

mikroskopi

Povećalo ponekad nazivaju jednostavan mikroskop, budući da se koristi pri promatranju malih predmeta.

Složeni mikroskop sastoji se od dvije konveksne leće. Leća objektiva stvara uvećanu sliku, koju zatim ponovno povećava leća okulara. Kao i kod astronomskog teleskopa, ova slika je obrnuta. Mnogi složeni mikroskopi imaju skup leća objektiva s različitim stupnjevima povećanja.

Optički instrumenti otvorili su čovjeku dva po veličini polarna svijeta - kozmički svijet sa svojim golemim prostranstvima i onaj mikrokozmički, nastanjen najmanjim organizmima. TV prijenos, demonstracija filma, brzo snimanje terena, precizno mjerenje udaljenosti i brzine moguće je samo korištenjem optičkih instrumenata.

Najčešći uređaji koji oblikuju slike. To su teleskop i dalekozor, mikroskop i povećalo, kamera i dijaprojektor... Projekcijski aparat jedan je od najkarakterističnijih uređaja koji oblikuju sliku (slika 1). Ako je projektor prilagođen za prikaz filma, naziva se filmska kamera. Ako se koristi za demonstraciju prozirnica, onda je to dijaprojektor. U dijaprojektoru se prozirna fotografija - dijapozitiv D, osvijetljena svjetlošću kondenzora K, postavlja blizu žarišne ravnine leće tako da se na ekranu dobije jasna slika. Veličina slike ovisi o udaljenosti projektora od platna. Prilikom promjene ove udaljenosti potrebno je promijeniti položaj leće u odnosu na prozirne folije. Ako umjesto ekrana stavite osvijetljeni objekt, on će biti prikazan na mjestu prozirnice. Sada, ako stavite film umjesto prozirnice i uklonite kondenzator, dobit ćete krug kamere.

Optička shema ljudskog oka također podsjeća na kameru. Oko stvara sliku na svojoj mrežnici. Veličina slike predmeta na mrežnici ovisi o kutu pod kojim predmet vidimo. Dakle, kutni promjer Sunca je 32. Taj kut određuje veličinu slike Sunca na mrežnici. Kada se dvije krajnje točke objekta vide pod kutom manjim od 1, one se spajaju na mrežnici i objekt se promatraču čini kao točka. U ovom slučaju kažemo da rezolucija oka ne prelazi jednu lučnu minutu.

Teleskop omogućuje povećanje kuta pod kojim je vidljiv udaljeni objekt. Prvi teleskop nastao je početkom 17. stoljeća. G. Galileo. Opišimo putanju zraka s udaljenog objekta u modernom spektilu. Iz krajnjih točaka predmeta na leću padaju paralelne zrake i ocrtavaju konturu predmeta u žarišnoj ravnini. Kroz okular se slika gleda pod kutom većim od , pod kojim je predmet vidljiv golim okom. Kutno povećanje teleskopa. Optička shema prikazana na sl. 2 je dijagram refraktora - teleskopa s lećastim objektivom. Teleskop sa zrcalnom lećom naziva se reflektor ili reflektirajući teleskop. Prvi reflektor konstruirao je I. Newton 1668. godine (slika 3).

Teleskop s promjerom leće D omogućuje vam promatranje objekata ili točaka objekta koji su na kutnoj udaljenosti, ako pretpostavimo da je duljina svjetlosnog vala koji emitira objekt µm. Ispada da što je veći promjer teleskopa, to više male dijelove objekti se mogu razlikovati uz njegovu pomoć. Za najveće refraktore promjer objektiva ne prelazi . Tehnički je lakše napraviti ogledalo velikog promjera i izgraditi reflektor.

Najveći teleskop na svijetu s metarskim zrcalom izgrađen je u Sovjetskom Savezu. Namijenjen je promatranju promjenjivih galaksija, pulsara, kvazara i drugih svemirskih objekata.

Za gledanje malog predmeta pod velikim kutom, približite ga oku što je moguće bliže. No, očna leća jasno prikazuje predmet na mrežnici ako se ne nalazi bliže od 10 cm od oka. Na manjim udaljenostima maksimalna zakrivljenost leće je nedovoljna za dobivanje jasne slike na mrežnici. Stoga se vrlo mali predmeti ispituju kroz povećalo ili mikroskop – uređaje koji povećavaju kut pod kojim se predmet vidi.

Povećala izumljena u 17. stoljeću nizozemski prirodoslovac A. Leeuwenhoek, otkrivač svijeta mikroorganizama, dao je povećanje od 300 puta. Dizajn mikroskopa poboljšan je 1650-ih. engleski znanstvenik R. Hooke. Ali sve do 20-ih. 19. stoljeća mikroskopi se nisu mogli natjecati s vrlo dobrim lupama. Napredak je postignut razvojem složenih leća s više leća. Minimalne dimenzije objekta, koji se može razlikovati u mikroskopu, određuju se ovisnošću: A. Ovdje je A konstanta jednaka približno 1. Za zeleno svjetlo, μm. Da bi se predmet vidio pod kutom G, dovoljno je povećanje od 1000 puta.

Spektralni optički instrumenti dizajnirani su za proučavanje spektralnog sastava svjetlosti. Igraju važnu ulogu u razvoju znanosti i koriste se kako za proučavanje procesa koji se odvijaju u mikrokozmosu tako iu primijenjene svrhe. Na primjer, uz pomoć suvremene spektralne opreme može se procijeniti oblik atomske jezgre i izvršiti točnu elementarnu analizu tvari. Primjer spektralnog instrumenta je spektroskop (slika 4), u kojem se spektar emisije može promatrati vizualno. Glavni dio spektroskopa je prizma ili difrakcijska rešetka. Leća prikuplja proučavano zračenje na prorezu kolimatora - uređaja koji formira svjetlosni snop male divergencije - "paralelni" snop. Nakon prolaska kroz prizmu, takva zraka se pretvara u n zraka koje putuju pod različitim kutovima ako se zračenje sastoji od Elektromagnetski valovi s duljinama. Leća na ekranu će dati slike proreza A, koje čine spektar. Kada je potrebno proučavati "gotovo" monokromatsko zračenje, na primjer, spektralni sastav jedne linije, postavlja se instrument visoke rezolucije u seriju sa instrumentom spektroskopske prizme. Bez prethodnog razlaganja svjetlosnih uređaja visoka rezolucija ne mogu se koristiti, jer mogu raditi samo u vrlo uskom rasponu valnih duljina.

Stvaranje lasera otvorilo je nove putove u optičkoj instrumentaciji.

Moderni laserski žiroskopi sposobni su raditi pod velikim mehaničkim preopterećenjima, mogu se instalirati na rakete, svemirski brodovi. Izgrađeni su laserski magnetometri za mjerenje slabih magnetskih polja i uređaji za mjerenje brzine i veličine čestica. Laserski optički radari uspješno se koriste u razne svrhe (slika 5). visoka svjetlina lasersko zračenje omogućuje prijenos na velike udaljenosti, a kratko trajanje laserskog pulsa omogućuje iznimnu točnost mjerenja udaljenosti. Zanimljiv je laserski mjerač brzine (slika 6). Reflektirana od pokretne čestice, laserska svjetlost će promijeniti svoju frekvenciju osciliranja. Pri normalnim brzinama ova je promjena zbog Dopplerovog efekta zanemariva. 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 optičko računalo. Njegov projektirani kapacitet je više od 1 milijarde operacija u sekundi, odnosno deset puta više od trenutno najbržih računala. Osnova takvog stroja bit će laserski uređaji. I njezino će pamćenje biti optičko, temeljeno na holografskom zapisu podataka (vidi Holo-rafija). Na hologramu veličine 10 X 10 može se zabilježiti više od 100 milijuna jedinica informacija: za takvu količinu informacija bilo bi potrebno oko milijun stranica tiskanog teksta. Uz pomoć holografske optike danas se izvode složeni matematički proračuni, diferencijacija funkcija, integralne operacije, rješavaju se najsloženije jednadžbe. Optički elementi - komponenta dizajn mnogih uređaja. Dakle, kontrolirane optičke prozirnice omogućuju sliku dobivenu pomoću slike koju oko ne percipira. elektromagnetska radijacija, pretvoriti u vidljivo zračenje.

Optički uređaji temeljeni na optičkim vlaknima omogućuju pregled unutarnjih organa osobe i prevenciju ozbiljnih bolesti.

Dakle, moderni optički instrumenti su prijeko potrebni i naširoko se koriste u mnogim granama nacionalnog gospodarstva, u znanstvenim istraživanjima.