Виды собирающих линз: виды линз (физика). Виды собирающих, оптических, рассеивающих линз. Как правильно определить вид линзы?

Содержание

виды линз (физика). Виды собирающих, оптических, рассеивающих линз. Как правильно определить вид линзы?

Линзы, как правило, имеют сферическую или близкую к сферической поверхность. Они могут быть вогнутыми, выпуклыми или плоскими (радиус равен бесконечности). Обладают двумя поверхностями, через которые проходит свет. Они могут сочетаться по-разному, образуя различные виды линз (фото приведено далее в статье):

  • Если обе поверхности выпуклые (изогнуты наружу), центральная часть толще, чем по краям.
  • Линза с выпуклой и вогнутой сферами называется мениском.
  • Линза с одной плоской поверхностью носит название плоско-вогнутой или плоско-выпуклой, в зависимости от характера другой сферы.

Как определить вид линзы? Остановимся на этом подробнее.

Собирающие линзы: виды линз

Независимо от сочетания поверхностей, если их толщина в центральной части больше, чем по краям, они называются собирающими. Имеют положительное фокусное расстояние. Различают следующие виды собирающих линз:

  • плоско-выпуклые,
  • двояковыпуклые,
  • вогнуто-выпуклые (мениск).

Их еще называют «положительными».

Рассеивающие линзы: виды линз

Если их толщина в центре тоньше, чем по краям, то они носят название рассеивающих. Имеют отрицательное фокусное расстояние. Существуют такие виды рассеивающих линз:

  • плоско-вогнутые,
  • двояковогнутые,
  • выпукло-вогнутые (мениск).

Их еще называют «отрицательными».

Базовые понятия

Лучи от точечного источника расходятся из одной точки. Их называют пучком. Когда пучок входит в линзу, каждый луч преломляется, изменяя свое направление. По этой причине пучок может выйти из линзы в большей или меньшей степени расходящимся.

Некоторые виды оптических линз изменяют направление лучей настолько, что они сходятся в одной точке. Если источник света расположен, по меньшей мере, на фокусном расстоянии, то пучок сходится в точке, удаленной, по крайней мере, на ту же дистанцию.

Действительные и мнимые изображения

Точечный источник света называется действительным объектом, а точка сходимости пучка лучей, выходящего из линзы, является его действительным изображением.

Важное значение имеет массив точечных источников, распределенных на, как правило, плоской поверхности. Примером может служить рисунок на матовом стекле, подсвеченный сзади. Другим примером является диафильм, освещенный сзади так, чтобы свет от него проходил через линзу, многократно увеличивающую изображение на плоском экране.

В этих случаях говорят о плоскости. Точки на плоскости изображения 1:1 соответствуют точкам на плоскости объекта. То же относится и к геометрическим фигурам, хотя полученная картинка может быть перевернутой по отношению к объекту сверху вниз или слева направо.

Схождение лучей в одной точке создает действительное изображение, а расхождение – мнимое. Когда оно четко очерчено на экране – оно действительное. Если же изображение можно наблюдать, только посмотрев через линзу в сторону источника света, то оно называется мнимым. Отражение в зеркале – мнимое. Картину, которую можно увидеть через телескоп – тоже. Но проекция объектива камеры на пленку дает действительное изображение.

Фокусное расстояние

Фокус линзы можно найти, пропустив через нее пучок параллельных лучей. Точка, в которой они сойдутся, и будет ее фокусом F. Расстояние от фокальной точки до объектива называют его фокусным расстоянием f. Параллельные лучи можно пропустить и с другой стороны и таким образом найти F с двух сторон. Каждая линза обладает двумя F и двумя f. Если она относительно тонка по сравнению с ее фокусными расстояниями, то последние приблизительно равны.

Дивергенция и конвергенция

Положительным фокусным расстоянием характеризуются собирающие линзы. Виды линз данного типа (плоско-выпуклые, двояковыпуклые, мениск) сводят лучи, выходящие из них, больше, чем они были сведены до этого. Собирающие объективы могут формировать как действительное, так и мнимое изображение. Первое формируется только в случае, если расстояние от линзы до объекта превышает фокусное.

Отрицательным фокусным расстоянием характеризуются рассеивающие линзы. Виды линз этого типа (плоско-вогнутые, двояковогнутые, мениск) разводят лучи больше, чем они были разведены до попадания на их поверхность. Рассеивающие линзы создают мнимое изображение. И только когда сходимость падающих лучей значительна (они сходятся где-то между линзой и фокальной точкой на противоположной стороне), образованные лучи все еще могут сходиться, образуя действительное изображение.

Важные различия

Следует быть очень внимательными, чтобы отличать схождение или расхождение лучей от конвергенции или дивергенции линзы. Виды линз и пучков света могут не совпадать. Лучи, связанные с объектом или точкой изображения, называются расходящимися, если они «разбегаются», и сходящимся, если они «собираются» вместе. В любой коаксиальной оптической системе оптическая ось представляет собой путь лучей. Луч вдоль этой оси проходит без какого-либо изменения направления движения из-за преломления. Это, по сути, хорошее определение оптической оси.

Луч, который с расстоянием отдаляется от оптической оси, называется расходящимся. А тот, который к ней становится ближе, носит название сходящегося. Лучи, параллельные оптической оси, имеют нулевое схождение или расхождение. Таким образом, когда говорят о схождении или расхождении одного луча, его соотносят с оптической осью.

Некоторые виды линз, физика которых такова, что луч отклоняется в большей степени к оптической оси, являются собирающими. В них сходящиеся лучи сближаются еще больше, а расходящиеся отдаляются меньше. Они даже в состоянии, если их сила достаточна для этого, сделать пучок параллельным или даже сходящимся. Аналогично рассеивающая линза может развести расходящиеся лучи еще больше, а сходящиеся – сделать параллельными или расходящимися.

Увеличительные стекла

Линза с двумя выпуклыми поверхностями толще в центре, чем по краям, и может использоваться в качестве простого увеличительного стекла или лупы. При этом наблюдатель смотрите через нее на мнимое, увеличенное изображение. Объектив камеры, однако, формирует на пленке или сенсоре действительное, как правило, уменьшенное в размерах по сравнению с объектом.

Очки

Способность линзы изменять сходимость света называется ее силой. Выражается она в диоптриях D = 1 / f, где f – фокусное расстояние в метрах.

У линзы с силой 5 диоптрий f = 20 см. Именно диоптрии указывает окулист, выписывая рецепт очков. Скажем, он записал 5,2 диоптрий. В мастерской возьмут готовую заготовку в 5 диоптрий, полученную на заводе-изготовителе, и отшлифуют немного одну поверхность, чтобы добавить 0,2 диоптрии. Принцип состоит в том, что для тонких линз, в которых две сферы расположены близко друг к другу, соблюдается правило, согласно которому общая их сила равна сумме диоптрий каждой: D = D1 + D2.

Труба Галилея

Во времена Галилея (начало XVII века), очки в Европе были широко доступны. Они, как правило, изготавливались в Голландии и распространялись уличными торговцами. Галилео слышал, что кто-то в Нидерландах поместил два вида линз в трубку, чтобы удаленные объекты казались больше. Он использовал длиннофокусный собирающий объектив в одном конце трубки, и короткофокусный рассеивающий окуляр на другом конце. Если фокусное расстояние объектива равно fo и окуляра fe, то дистанция между ними должна быть fo-fe, а сила (угловое увеличение) fo/fe. Такая схема называется трубой Галилея.

Телескоп обладает увеличением 5 или 6 крат, сравнимым с современными ручными биноклями. Этого достаточно для многих захватывающих астрономических наблюдений. Можно без проблем увидеть лунные кратеры, четыре луны Юпитера, кольца Сатурна, фазы Венеры, туманности и звездные скопления, а также слабые звезды в Млечном Пути.

Телескоп Кеплера

Кеплер услышал обо всем этом (он и Галилей вели переписку) и построил еще один вид телескопа с двумя собирающими линзами. Та, у которой большое фокусное расстояние, является объективом, а та, у которой оно меньше – окуляром. Расстояние между ними равно fo + fe, а угловое увеличение составляет fo/fe. Этот кеплеровский (или астрономический) телескоп создает перевернутое изображение, но для звезд или луны это не имеет значения. Данная схема обеспечила более равномерное освещение поля зрения, чем телескоп Галилея, и была более удобна в использовании, так как позволяла держать глаза в фиксированном положении и видеть все поле зрения от края до края. Устройство позволяло достичь более высокого увеличения, чем труба Галилея, без серьезного ухудшения качества.

Оба телескопа страдают от сферической аберрации, в результате чего изображения не полностью сфокусированы, и хроматической аберрации, создающей цветные ореолы. Кеплер (и Ньютон) считал, что эти дефекты невозможно преодолеть. Они не предполагали, что возможны ахроматические виды линз, физика которых станет известна лишь в XIX веке.

Зеркальные телескопы

Грегори предположил, что в качестве объективов телескопов можно использовать зеркала, так как в них отсутствует цветная окантовка. Ньютон воспользовался этой идеей и создал ньютоновскую форму телескопа из вогнутого посеребренного зеркала и положительного окуляра. Он передал образец Королевскому обществу, где тот находится и по сей день.

Однолинзовый телескоп может проецировать изображение на экран или фотопленку. Для должного увеличения требуется положительная линза с большим фокусным расстоянием, скажем, 0,5 м, 1 м или много метров. Такая компоновка часто используется в астрономической фотографии. Людям, незнакомым с оптикой, может показаться парадоксальной ситуация, когда более слабая длиннофокусная линза дает большее увеличение.

Сферы

Высказывались предположения, что древние культуры, возможно, имели телескопы, потому что они делали маленькие стеклянные шарики. Проблема состоит в том, что неизвестно, для чего они использовались, и они, конечно, не могли бы лечь в основу хорошего телескопа. Шарики могли применяться для увеличения мелких объектов, но качество при этом вряд ли было удовлетворительным.

Фокусное расстояние идеальной стеклянной сферы очень короткое и формирует действительное изображение очень близко от сферы. Кроме того, аберрации (геометрические искажения) значительные. Проблема кроется в расстоянии между двумя поверхностями.

Однако если сделать глубокую экваториальную канавку, чтобы блокировать лучи, которые вызывают дефекты изображения, она превращается из очень посредственной лупы в прекрасную. Такое решение приписывается Коддингтону, а увеличитель его имени можно приобрести сегодня в виде небольших ручных луп для изучения очень маленьких объектов. Но доказательств того, что это было сделано до 19-го века, нет.

Собирающая линза и виды линз

• Собирающая линза и виды линз • Основные элементы линзы • Построение источника света • Построение предмета • Таблица расположения предмета • Дополнительные построения

Собирающая линза Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза – линза, преобразующая параллельный пучок световых лучей в сходящийся.

Виды собирающих линз 1. Двояковыпуклая (короткофокусная и длиннофокусная) 2. Плоско-выпуклая 3. Вогнуто-выпуклая 1 2 3

Основные элементы линзы Ф. п. F F О 4 Главная оптическая ось О 3 • Главная оптическая ось – прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. • Главный оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси в центре линзы. • Фокус – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи после преломления в линзе.

Основные элементы линзы Ф. п. F F О 4 Главная оптическая ось О 3 • Фокальная плоскость линзы (Ф. п. )– плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси. • Побочная оптическая ось (О 3 О 4) – прямая, проходящая через главный оптический центр линзы, всегда параллельная падающему лучу.

Основные элементы линзы Ф. п. F F О 4 Главная оптическая ось О 3 • Главный фокус собирающей линзы – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи после преломления в линзе. • Фокусы располагаются симметрично от главного оптического центра по обе стороны линзы.

Построение источника света Ф. п. S¹ О 4 F F S¹ S² F F S² О 3 S¹ — источник света, S² — изображение источника, F – точка фокуса О 3 О 4 – побочная оптическая ось, Ф. п – фокальная плоскость

Построение изображения в линзах Для построения изображения в линзе достаточно проследить ход двух лучей: 1. Первый луч проходит параллельно главной оптической оси до линзы, затем луч преломляется и пересекает главную оптическую ось в точке фокуса 2. Второй луч проходит через главный оптический центр линзы до пересечения с первым лучом, что дает изображение

Построения в собирающей линзе А 1 А F Изображение предмета мнимое, увеличенное и прямое, если предмет находится между главным фокусом и линзой F F Изображение предмета находится в бесконечности, то есть его нет, если предмет находится в главном фокусе

Построения в собирающей линзе А F 2 А F F F 2 А 2 Изображение предмета действительное, увеличенное и перевёрнутое, если предмет находится между первым и вторым фокусом F F 2 F А 2 Изображение предмета действительное, перевёрнутое и одного размера с предметом, если предмет находится во втором фокусе

Построения в собирающей линзе А F 2 F F А 2 F 2 Изображение предмета действительное, уменьшенное и перевёрнутое, если предмет находится после второго фокуса

Таблица расположения предмета Если d2 F Изображение предмета действительное, уменьшенное и перевёрнутое

Дополнительное построение Л 1. А В 1 F В F О А 1 АВ – предмет, А 1 В 1 — изображение Соединим А и А 1, В и В 1 прямыми линиями, точка пересечения О. 2. Продлим АВ и А 1 В 1 до пересечения, точку пересечения обозначим Л. 3. Проведём прямую из точек Л и О – это будет собирающая линза. Так как предмет находится за точкой фокуса, то его изображение через линзу получилось: действительное, увеличенное, перевернутое.

Линзы и их применение в работе со светом

В отличие от призматических и других рассеивателей линзы в осветительных приборах практически всегда применяются для точечного освещения. Как правило, оптические системы с применением линз состоят из рефлектора (отражателя) и одной или нескольких линз.

Собирающие линзы

Собирающие линзы направляют свет от расположенного в фокальной точке источника в параллельный пучок света. Как правило, они применяются в осветительных конструкциях вместе с отражателем. Отражатель направляет световой поток в виде луча в нужном направлении, а линза — концентрирует (собирает) свет. Расстояние между собирающей линзой и источником света обычно варьируется, что позволяет регулировать угол, который нужно получить.

Система из и источника света и собирающей линзы (слева) и аналогичная система из источника и линзы Френеля (справа). Угол светового потока можно менять путем изменения расстояния между линзой и источником света.

Линзы Френеля

Линзы Френеля состоят из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колецевидной формы сегментов. Свое название они получили в честь французского физика Огюстена Френеля, впервые предложившего и реализовавшего на практике такую конструкцию в осветительных приборах маяков. Оптический эффект от таких линз сопоставим с эффектом использования традиционных линз схожей формы или кривизны.

Однако линзы Френеля обладают рядом преимуществ, из-за которых они находят широкое применение в осветительных конструкциях. В частности, они значительно тоньше и дешевле в изготовлении по сравнению с собирающими линзами. Этими особенностями не преминули воспользоваться дизайнеры Франсиско Гомес Пас и Паоло Риццатто в работе над ярким и волшебным модельным рядом Luceplan Hope.

Выполненные из легкого и тонкого поликарбоната, «листы» Hope, как их называет Гомес Паз, представляют собой не что иное, как тонкие и большие рассеивающие линзы Френеля, создающие волшебное, искристое и объемное свечение за счет покрытия поликарбонатной пленкой, текстурированной микропризмами.

Паоло Риццатто так описал проект:
«Почему хрустальные люстры потеряли свою актуальность? Потому что слишком дороги, очень сложны в обращении и производстве. Мы же разложили саму идею на составляющие и осовременили каждую из них».

А вот что рассказал по этому поводу его коллега:
«Несколько лет назад наше внимание привлекли чудесные возможности линз Френеля. Их геометрические особенности позволяют получить те же оптические свойства, что и у обычных линз, но на абсолютно плоской поверхности лепестков.

Однако применение линз Френеля для создания подобных уникальных продуктов, сочетающих в себе великолепный дизайнерский проект с современными технологическими решениями, встречается все же нечасто.

Широкое применение такие линзы нашли в освещении сцен прожекторами, где они позволяют создать неравномерное световое пятно с мягкими краями, отлично смешиваясь с общей световой композицией. В наше время они также получили распространение и в архитектурных схемах освещения, в тех случаях, если требуется индивидуальная регулировка угла света, когда расстояние между освещаемым объектом и светильником может меняться.

Оптические показатели линзы Френеля ограничены так называемой хроматической аберрацией, образующейся на стыках ее сегментов. Из-за неё на краях изображений предметов появляется радужная кайма. Тот факт, что кажущаяся недостатком особенность линзы была превращена в достоинство в очередной раз подчеркивает силу новаторской мысли авторов и их отношение к деталям.

Осветительная конструкция маяка, в которой применяются линзы Френеля. На снимке хорошо видна кольцевая структура линзы.

Проецирующие системы

Проецирующие системы состоят либо из эллиптического отражателя, либо из сочетания параболического отражателя и конденсора, направляющего свет на коллиматор, который может также быть дополнен оптическими аксессуарами. После чего свет проецируется на плоскость.

 

Системы прожекторов: равномерно освещенный коллиматор (1) направляет световой поток через систему линз (2). Слева — параболический отражатель, с высоким показателем светоотдачи, справа — конденсор, позволяющий добиться высокой разрешающей способности.

Размер изображения и угол света определяется особенностями коллиматора. Простые шторки или ирисовые диафрагмы, формируют световые лучи разных размеров. Контурные маски могут использоваться для создания различныз контуров луча света. Проецировать логотипы или изображения можно с помощью гобо-линзы с нанесёнными на них рисунками.

Различные углы света или размер изображения может выбираться в зависимости от фокусного расстояния линз. В отличие от осветительных приборов с применением линз Френеля, здесь представляется возможным создать световые лучи с четкими контурами. Мягких контуров можно достичь смещением фокусировки.

Примеры дополнительных аксессуаров (слева направо): линза для создания широкого светового луча, скульптурная линза, придающая лучу овальную форму, канавчатый дефлектор и «сотовая линза», уменьшающая слепящий эффект.

 

Ступенчатые линзы преобразуют световые лучи таким образом, что они находятся где-то между «ровным» светом линз Френеля и «жестким» светом плоско-выпуклой линзы. У ступенчатых линз сохранена выпуклая поверхность, однако со стороны плоской поверхности сделаны ступенчатые углубления, образующие концентрические круги.

Лицевые части ступеней (подступени) концентрических кругов часто светонепроницаемы (либо закрашены, либо имеют выщербленную матовую поверхность), что позволяет отсечь рассеянное излучение лампы и сформировать пучок параллельных лучей.

Прожекторы с линзой Френеля формируют неравномерное световое пятно с мягкими краями и слабым ореолом вокруг пятна, благодаря чему легко смешиваются с другими источниками света, создавая естественную световую картину. Именно поэтому прожекторы с линзой Френеля используются в кино.

Свет от прожектора, оснащенного линзой Френеля.

Прожекторы с плосковыпуклой линзой по сравнению с прожекторами с линзой Френеля формируют более равномерное пятно с менее выраженным переходом на краях светового пятна.

Свет от прожектора, оснащенного плосковыпуклой линзой.

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать новое об устройстве светильников и светодизайне. 

Читайте также:

Урок 13. линза. построение изображения в линзе — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 13. Линза. Построение изображения в линзе

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Виды линз, их основные характеристики.

2. Построение изображений в линзах. Характеристики полученных изображений.

3. Оптическая сила линзы.

4. Формула тонкой линзы.

5. Линейное увеличение линзы.

Глоссарий по теме:

Линза – прозрачное тело, ограниченное криволинейными поверхностями.

Оптический центр линзы – это точка, проходя через которую лучи не меняют своего направления.

Главная оптическая ось – прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Побочная оптическая ось – любая прямая, кроме главной оптической оси, проходящая через оптический центр.

Главный оптический фокус – точка, в которой после преломления пересекаются все лучи, падающие на линзу, параллельно главной оптической оси.

Фокусное расстояние – расстояние от линзы до ее фокуса.

Фокальная плоскость – плоскость, проведенная через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси.

Оптическая сила линзы – величина, обратная фокусному расстоянию.

Линейное увеличение – отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета.

Мениск – вогнуто-выпуклая или выпукло-вогнутая линза, ограниченная двумя сферическими поверхностями.

Аберрация оптической системы – искажение или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе.

Аккомодация – приспособленность глаза к изменению внешних условий.

Адаптация – приспособление глаза к изменяющимся условиям освещения.

Острота зрения — свойство глаза раздельно различать две близкие точки.

Близорукость – дефект зрения, при котором изображения предметов фокусируются перед сетчаткой глаза при спокойном состоянии глазной мышцы.

Дальнозоркость – дефект зрения, при котором изображения предметов фокусируются за сетчаткой глаза при спокойном состоянии глазной мышцы.

Список обязательной и дополнительной литературы:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В. М.. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С.191 – 202.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М.: Дрофа,2009.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Простейшей оптической системой является линза.

Виды линз: выпуклые и вогнутые.

Выпуклые линзы: двояковыпуклая, плоско-выпуклая, вогнуто-выпуклая.

Вогнутые линзы: двояковогнутая, плоско-вогнутая, выпукло-вогнутая.

Физической моделью реальной линзы является тонкая линза.

Если толщина линзы d пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны R1 и R2 сферических поверхностей, линзу называют тонкой

Основные элементы и характеристики тонкой линзы: оптический центр, главная оптическая ось, побочная оптическая ось, фокус, фокусное расстояние, фокальная плоскость, оптическая сила.

Основное свойство линзы: световые лучи, исходящие из какой-либо точки предмета (источника), проходя через линзу, пересекаются в одной точке (изображении) независимо от того через какую часть линзы прошли.

Для построения изображения точки, расположенной вне главной оптической оси линзы , можно пользоваться любыми двумя из трёх «удобных» лучей, ход которых через линзу известен: 1) луч, проходящий через оптический центр; 2) луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси; 3) луч, проходящий через фокус.

Чтобы построить изображение точки, расположенной на главной оптической оси, необходимо применить метод побочных осей: надо провести вспомогательную побочную оптическую ось и рассматривать данную точку как находящуюся вне проведенной оптической оси.

Собирающая линза может давать различные изображения в зависимости от того, на каком расстоянии d от линзы расположен предмет: увеличенное, уменьшенное, прямое, перевернутое, действительное, мнимое.

Для рассеивающей линзы положение предмета относительно линзы не имеет значения. Изображение предмета в линзе всегда мнимое, прямое и уменьшенное.

Основные формулы и уравнения:

Оптическая сила линзы:

где F – фокусное расстояние.

Или

где где R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностей; n – показатель преломления линзы в веществе.

Единица измерения оптической силы линзы — 1 диоптрия (дптр).

Оптическая сила сложной системы равна сумме оптических сил составляющих систем.

Уравнение, связывающее фокусное расстояние F, расстояние от линзы до изображения и расстояние от предмета до линзы d, называют формулой тонкой:

Линейным увеличением (Г) называется отношение линейного размера изображения (H) к линейному размеру предмета (h):

При расчетах числовые значения действительных величин всегда подставляются со знаком «+», а мнимых со знаком «-».

Если после преломления лучи, идущие от источника, пересекаются в одной точке за линзой, то они образуют действительное изображение. Изображение является мнимым, когда прошедшие через линзу лучи расходятся и изображение находится в точке пересечения их продолжений.

Линзы являются основной частью многих оптических приборов. Например, глаз, как орган зрения, тоже является уникальной оптической системой, в которой роль линзы выполняют роговица и хрусталик.

Линзы применяют на практике для получения изображений высокого качества. Однако, изображение, даваемое простой линзой, в силу ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Недостатки оптических систем, приводящие к искажению изображений на выходе из оптической системы, называются аберрациями. Виды аберраций: сферическая аберрация, хроматическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия.

Разбор тренировочного задания.

1. Заполните пропуски в тексте: «Лучи, падающие на рассеивающую линзу параллельно ________ оптической оси, после прохождения линзы идут так, что их ___________ проходят через _____, расположенный с той стороны линзы, откуда ______ лучи»

Варианты ответов: побочной; фокус; преломляются; продолжения; падают; центр; окончания; главной.

Правильный вариант: главной; продолжения; фокус; падают.

Подсказка: Ход лучей в тонкой линзе.

2. Фокусное расстояние тонкой собирающей линзы равно 20 см. Предмет малых размеров расположен на её главной оптической оси, при этом изображение предмета находится на расстоянии 60 см от линзы. Предмет расположен от линзы на расстоянии ___ см.

Правильный вариант: 30.

Подсказка: Формула тонкой линзы

Решение:

Формула тонкой линзы:

отсюда получаем формулу для расчета расстояния от линзы до предмета:

Ответ: 30 см.

Линзы. Виды линз. Ход лучей в линзе. Свойства линз

2. Цель урока

8.5.1.11 применять формулу тонкой
линзы для решения задач;
8.5.1.12 применять формулу линейного
увеличения линзы в решении задач
8.5.1.13 строить ход лучей в тонкой линзе
и характеризовать полученные
изображения
Линзами
называются
прозрачные тела,
ограниченные с
двух сторон
сферическими
поверхностями.

4. ВИДЫ ЛИНЗ

Линзы бывают собирающие и
рассеивающие. Собирающая линза в
середине толще, чем у краев,
рассеивающая линза, наоборот, в средней
части тоньше.
Если толщина самой линзы мала по
сравнению с радиусами кривизны
сферических поверхностей, то линзу
называют тонкой.

5. Ход лучей в линзе

Собирающая линза (а)
Рассеивающая линза (б)
F — главный фокус линзы
ОF — фокусное расстояние линзы

6. Свойства линз

Основное свойство линз –
способность давать изображения
предметов.
Изображения бывают прямыми и
перевернутыми, действительными
и мнимыми, увеличенными и
уменьшенными.

7. Для построение изображения, даваемые линзой используют три удобных луча:

1
2
3F
F
1. Луч, падающий на линзу
параллельно оптической
оси, после преломления
идет через фокус линзы.
2. Луч, проходящий через
оптический центр линзы не
преломляется.
3. Луч, проходя через фокус
линзы после преломления
идет параллельно
оптической оси.

8. Построение изображения даваемое собирающей линзой

d – расстояние от предмета до линзы,
f – расстояние от линзы до изображения.

9. Построение изображения даваемое рассеивающей линзой

d – расстояние от предмета до линзы,
f – расстояние от линзы до изображения.

10. Получите изображение: предмет находится между линзой и главным фокусом собирающей линзы

Изображение
мнимое,
увеличенное,
прямое.
F
F

11. Получите изображение: предмет находится между главным фокусом и двойным фокусом собирающей линзы

Изображение
действительное,
перевёрнутое,
увеличенное.
2F
F
F
2F
Получите изображение:
предмет находится в двойном фокусе
рассеивающей линзы
В
Изображение
мнимое,
уменьшенное,
прямое.
2F
F
F
2F

13. Вывод:

Размеры и расположение изображения
предмета в собирающей линзе зависят от
положения предмета относительно линзы.
В зависимости от того, на каком расстоянии от
линзы находится предмет, можно получить:
увеличенное изображение (F
уменьшенное изображение (d > 2F).

14. Оптическая сила линзы

Величина, обратная фокусному расстоянию
линзы, называется ее оптической силой.
Оптическая сила обозначается буквой D.
1
D
F
За единицу оптической силы принята диоптрия.
1 диоптрия — это оптическая сила линзы, фокусное
расстояние которой равно 1 м.
D > 0 для собирающих линз
D

15. Закрепление

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Что такое линза? Каковы ее свойства?
Что такое фокус линзы? Сколько фокусов имеет линза?
Как преломляет лучи выпуклая стеклянная линза в воздухе? Почему
ее называют собирающей?
Как преломляет лучи вогнутая стеклянная линза в воздухе? Почему
ее называют рассеивающей?
Чем отличается действительное изображение точки от мнимого?
Собирающая линза дает мнимое изображение предмета. Каким
может быть это изображение: прямым или перевернутым?
Увеличенным или уменьшенным?
Фокусное расстояние линзы равно 50 см. Какова ее оптическая сила?
У одной линзы фокусное расстояние равно 0,2 м, у другой – 0,5 м.
Какая из них обладает большей оптической силой?
Почему в солнечный летний день нельзя днем поливать растения в
саду?

16. Домашнее задание: § 41 Упр.32д (1).

keepslide.com — Собирающая линза и виды линз Основные…

Собирающая линза и виды линз Основные элементы линзы Построение источника света Построение предмета Таблица расположения предмета Дополнительные построения
Собирающая линза


Собирающая линза
Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза – линза, преобразующая параллельный пучок световых лучей в сходящийся.


Виды собирающих линз
Двояковыпуклая (короткофокусная и длиннофокусная) Плоско-выпуклая Вогнуто-выпуклая


Основные элементы линзы
Главная оптическая ось – прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Главный оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси в центре линзы. Фокус – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи после преломления в линзе.


Основные элементы линзы
Фокальная плоскость линзы (Ф.п.)– плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси. Побочная оптическая ось (О3О4) – прямая, проходящая через главный оптический центр линзы, всегда параллельная падающему лучу.


Основные элементы линзы
Главный фокус собирающей линзы – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи после преломления в линзе. Фокусы располагаются симметрично от главного оптического центра по обе стороны линзы.


Построение источника света
S? — источник света,S? — изображение источника, F – точка фокуса О3О4 – побочная оптическая ось, Ф.п – фокальная плоскость


Построение изображения в линзах
Для построения изображения в линзе достаточно проследить ход двух лучей: Первый луч проходит параллельно главной оптической оси до линзы, затем луч преломляется и пересекает главную оптическую ось в точке фокуса Второй луч проходит через главный оптический центр линзы до пересечения с первым лучом, что дает изображение


Построения в собирающей линзе
Изображение предмета мнимое, увеличенное и прямое, если предмет находится между главным фокусом и линзой
Изображение предмета находится в бесконечности, то есть его нет,если предмет находится в главном фокусе


Построения в собирающей линзе
Изображение предмета действительное, увеличенное и перевёрнутое, если предмет находится между первым и вторым фокусом
Изображение предмета действи-тельное, перевёрнутое и одного размера с предметом, если предмет находится во втором фокусе


Построения в собирающей линзе
Изображение предмета действительное, уменьшенное и перевёрнутое, если предмет находится после второго фокуса


Таблица расположения предмета


Дополнительное построение
Соединим А и А1, В и В1 прямыми линиями, точка пересечения О. Продлим АВ и А1В1 до пересечения, точку пересечения обозначим Л. Проведём прямую из точек Л и О – это будет собирающая линза. Так как предмет находится за точкой фокуса, то его изображение через линзу получилось: действительное, увеличенное, перевернутое.
АВ – предмет, А1В1 — изображение

Световой луч. Основные свойства линзы. 10-11 класс

Световой луч. Основные свойства линзы. 10-11 класс

Подробности
Просмотров: 345

Световой луч

Геометрическая оптика — это раздел оптики, в котором для построения изображений исползуются световые лучи.
Световые волны имеют электромагнитную природу и распространяются от точечного источника света во все стороны.


Создать пучок световых лучей можно с помощью диафрагмы.


Пучки света изображают в виде волновых фронтов или перпендикулярных к ним линий, которые назвали световыми лучами.


При изображении светового пучка достаточно изобразить только осевой луч.


Виды линз

Линзы бывают:
собирающие

и рассеивающие

Основные свойства линзы

Собирающая линза — это линза, по прохождении которой световой пучок становится сходящимся.
Точка, в которой световой пучок сходится, называется фокусом линзы.


Рассеивающая линза — это линза, по прохождении которой световой пучок становится расходящимся.
Точка, из которой световой пучок как бы выходит, назвается мнимым фокусом.


Каждая линза имеет по два фокуса (т.е. по одному с каждой стороны), расстояние от которых до линзы одинаково.
В этом можно убедиться, если направить свет на линзу с противоположной стороны.


Любая прямая, проходящая через оптический центр линзы, называется оптической осью.
Оптическая ось, проходящая через фокусы, называется главной оптической осью , все другие — побочными.


Плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная главной оптической оси, называется фокальной плоскостью.
Точки пересечения ее с побочными осями называются побочными фокусами.


Любой луч, проходящий через линзу, в действителности преломляется дважды на границах раздела двух сред.


Но, для простоты изображения преломление луча в плоскости линзы показывают только один раз.
Точно также луч, проходящий через оптический центр линзы, условно изображают непреломленным.


Каждый луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси, проходит после линзы через ее фокус.


Луч, параллелный побочной оптической оси, после линзы проходит через ее побочный фокус.


Ход лучей в линзах

В собирающих линзах


В рассеивающих линзах



типов контактных линз и др.

Контактные линзы

— отличный выбор практически для всех, кто нуждается в коррекции зрения и не хочет постоянно носить очки или проходить операцию LASIK.

Не уверены в контактных линзах? В этой статье будут подробно описаны материалы для контактных линз, дизайн и особенности контактных линз и даже новые форматы контактных линз.

Например, первые светоадаптивные контактные линзы Acuvue Oasys с Transitions, дебютировавшие в США в 2019 году, и контактные линзы со встроенными антибиотиками находятся в разработке. (См. Последнюю информацию о контактных линзах на нашей странице новостей о контактных линзах.)

Вот основные сведения о контактных линзах, которые вам следует знать, прежде чем обращаться к окулисту, если вы хотите носить контактные линзы.

Материалы для контактных линз

Первый выбор при выборе контактных линз — это то, какой материал линз лучше всего удовлетворит ваши потребности.Существует пять типов контактных линз в зависимости от материала линз, из которого они сделаны:

Материал контактных линз

  • Мягкие линзы изготовлены из гелеобразных, содержащих воду пластиков, называемых гидрогелями. Эти линзы очень тонкие и гибкие и соответствуют передней поверхности глаза. Появившиеся в начале 1970-х годов гидрогелевые линзы сделали ношение контактных линз намного более популярным, потому что они, как правило, сразу же удобны. Единственной альтернативой в то время были жесткие контактные линзы из ПММА (см. Ниже).На адаптацию линз из ПММА обычно уходили недели, и многие люди не могли их успешно носить.

  • Силикон-гидрогелевые линзы — это усовершенствованный тип мягких контактных линз, которые более пористые, чем обычные гидрогелевые линзы и позволяют еще большему количеству кислорода достигать роговицы. Силиконовые гидрогелевые контактные линзы, представленные в 2002 году, сейчас являются самыми популярными линзами, назначаемыми в Соединенных Штатах.

  • Газопроницаемые линзы — также называемые линзами GP или RGP — это жесткие контактные линзы, которые выглядят и ощущаются как линзы из ПММА (см. Ниже), но являются пористыми и пропускают кислород. Поскольку линзы GP проницаемы для кислорода, они подходят ближе к глазу, чем линзы из ПММА, что делает их более удобными, чем обычные жесткие линзы. С момента своего появления в 1978 году газопроницаемые контактные линзы по существу заменили непористые контактные линзы из ПММА. Контакты GP часто обеспечивают более четкое зрение, чем контакты из мягкого силикона и гидрогеля, особенно если у вас астигматизм. Обычно вашим глазам требуется некоторое время, чтобы привыкнуть к газопроницаемым линзам, когда вы впервые начинаете их носить, но после этого начального периода адаптации большинство людей считает, что линзы GP столь же удобны, как и гидрогелевые линзы.

  • Гибридные контактные линзы разработаны для обеспечения комфорта при ношении, который может соперничать с мягкими или силикон-гидрогелевыми линзами, в сочетании с кристально чистой оптикой газопроницаемых линз. Гибридные линзы имеют жесткую газопроницаемую центральную зону, окруженную «юбкой» из гидрогелевого или силиконового гидрогелевого материала. Несмотря на эти особенности, только небольшой процент людей в США носит гибридные контактные линзы, возможно, потому, что эти линзы сложнее установить и их дороже заменить, чем мягкие и силикон-гидрогелевые линзы.

  • Линзы из ПММА изготовлены из прозрачного жесткого пластика, называемого полиметилметакрилатом (ПММА), который также используется в качестве заменителя стекла в небьющихся окнах и продается под торговыми марками Lucite, Perspex и Plexiglas. Линзы из ПММА имеют отличную оптику, но они не пропускают кислород в глаза, и к ним может быть сложно адаптироваться. Эти (теперь уже устаревшие) «жесткие контакты» фактически заменены линзами GP, и сегодня их редко назначают.

В 2017 году 64 процента контактных линз, выписанных в США, были силикон-гидрогелевыми линзами, за которыми следовали мягкие (гидрогелевые) линзы (22 процента), газопроницаемые линзы (11 процентов), гибридные линзы (2 процента) и линзы из ПММА. (1 процент).

Дизайн контактных линз

Мягкие контактные линзы (как стандартные гидрогелевые, так и силикон-гидрогелевые линзы) доступны в различных дизайнах, в зависимости от их назначения:

Дизайн мягких контактных линз

  • Сферические Контактные линзы имеют одинаковую силу линзы по всей оптической части линзы для коррекции миопии (близорукости) или дальнозоркости (дальнозоркости).

  • Торические мягкие контактные линзы имеют разную силу в разных меридианах линзы для коррекции астигматизма, а также близорукости или дальнозоркости. [Подробнее о торических контактных линзах.]

  • Мультифокальные контактные линзы (включая бифокальные контакты) содержат различные зоны мощности для зрения вблизи и вдали для коррекции пресбиопии, а также близорукости или дальнозоркости. Некоторые мультифокальные линзы также могут корректировать астигматизм. [Подробнее о бифокальных контактах.]

  • Косметические контактные линзы включают цветные контактные линзы, предназначенные для изменения или усиления цвета ваших глаз. Хеллоуин, театральные и другие контактные линзы со спецэффектами также считаются косметическими линзами. Для косметических контактов требуется рецепт на контактные линзы, даже если у вас нет аномалий рефракции, требующих исправления.

Все эти линзы могут быть изготовлены на заказ для труднодоступных глаз. Доступны и другие конструкции линз, в том числе линзы, изготовленные для использования в особых ситуациях, например, для коррекции кератоконуса.

Дополнительные характеристики контактных линз

Бифокальные контакты для астигматизма. Это усовершенствованные мягкие контакты, которые корректируют как пресбиопию, так и астигматизм, поэтому вы можете не носить очки после 40 лет, даже если у вас астигматизм. [Подробнее о бифокальных контактных линзах при астигматизме. ]

Контакты для сухих глаз. Ваши контакты слишком сухие? Некоторые мягкие контактные линзы специально созданы для снижения риска появления симптомов сухого глаза, связанных с контактными линзами.[Подробнее о контактных линзах для сухих глаз.]

Цветные линзы. Многие из типов линз, описанных выше, также имеют цвета, которые может улучшить естественный цвет ваших глаз, то есть, например, сделать ваши зеленые глаза еще более зелеными. Другие цветные линзы могут полностью изменить цвет ваших глаз, например, с коричневого на синий.

Линзы для спецэффектов. Также называемые театральными, новаторскими или костюмными линзами, контактные линзы со специальными эффектами делают окраску еще на один шаг дальше, чтобы вы выглядели как кошка, вампир или другое альтер-эго по вашему выбору.

Линзы протезные. Цветные контактные линзы также могут использоваться в более медицинских целях. Непрозрачные мягкие линзы, называемые протезами, могут быть специально сконструированы для глаза, который был обезображен травмой или болезнью, чтобы замаскировать обезображивание и соответствовать внешнему виду другого, здорового глаза.

Индивидуальные линзы. Если обычные контактные линзы вам не подходят, вы можете быть кандидатом на индивидуальные контактные линзы, которые изготавливаются на заказ в соответствии с вашей индивидуальной формой глаз и визуальными потребностями.

Линзы с УФ-защитой. Некоторые мягкие контактные линзы помогают защитить глаза от солнечных ультрафиолетовых лучей, которые могут вызвать катаракту и другие проблемы с глазами. Но поскольку контактные линзы не покрывают весь глаз, вам все равно следует носить солнцезащитные очки, защищающие от ультрафиолета, на открытом воздухе для лучшей защиты от солнца.

Склеральные линзы. Газопроницаемые линзы большого диаметра, называемые склеральными контактами, специально разработаны для лечения кератоконуса и других аномалий роговицы, а также пресбиопии.

Контакты для контроля близорукости. Разрабатываются специальные контактные линзы, чтобы замедлить или остановить прогрессирование близорукости у детей. [Подробнее о контроле за близорукостью.]

Какие контактные линзы подходят вам?

Во-первых, ваши контактные лица должны решить проблему, которая побуждает вас носить линзы в первую очередь. Контактные линзы должны обеспечивать хорошее зрение за счет коррекции близорукости, дальнозоркости, астигматизма или некоторой комбинации этих проблем со зрением.

Во-вторых, линза должна подходить вашему глазу.Для этого линзы бывают десятков тысяч комбинаций диаметра и кривизны. Конечно, не все марки линз имеют все «размеры».

Ваш ECP имеет опыт в оценке физиологии вашего глаза и вашего зрения, чтобы определить, какая линза лучше всего удовлетворяет двум критериям, указанным выше.

В-третьих, у вас может быть другая медицинская потребность, которая определяет выбор линзы. Например, ECP может выбрать конкретную линзу, если у вас сухие глаза.

Наконец, рассмотрите свой «список желаний» в отношении свойств контактных линз — например, цвета или ночного ношения.

Когда вы и ваш ECP выберете подходящую линзу, вам дадут рецепт на контактные линзы. Вы сможете купить запас линз в своем ECP или во многих других торговых точках, где продаются контактные линзы.

Ношение и уход за контактными линзами

Уход за контактными линзами — чистка, дезинфекция и хранение — теперь намного проще, чем раньше.

Несколько лет назад вам понадобилось бы несколько бутылочек с чистящими средствами и, возможно, ферментные таблетки для надлежащего ухода.Сегодня большинство людей могут использовать «многоцелевые» растворы — это означает, что один продукт и очищает, и дезинфицирует, и используется для хранения.

Людям, чувствительным к консервантам в многоцелевых растворах, могут потребоваться системы без консервантов, например, содержащие перекись водорода. Они отлично очищают контакты, но очень важно следовать инструкциям по их использованию. Раствор не должен попадать в глаза до полного замачивания и нейтрализации раствора.

Конечно, вы можете полностью отказаться от ухода за линзами, используя ежедневные одноразовые контактные линзы.

Проблемы с контактными линзами

Чтобы найти идеальный объектив, часто требуются методы проб и ошибок. Люди по-разному реагируют на различные материалы для линз и чистящие растворы.

Кроме того, правильные «параметры» вашего объектива — то есть мощность, диаметр и кривизна — могут быть окончательно определены только после того, как вы успешно наденете объектив. Это особенно верно для более сложных посадок с дополнительными параметрами, таких как бифокальные линзы или торические контактные линзы для астигматизма.

Если при ношении контактных линз вы испытываете дискомфорт или плохое зрение, скорее всего, вам может помочь регулировка или смена линз.

Сегодня доступно больше вариантов контактных линз, чем когда-либо, чтобы обеспечить комфорт, хорошее зрение и здоровье глаз. Если ваши глаза или линзы неудобны или вы плохо видите, снимите линзы и обратитесь к офтальмологу, чтобы изучить доступные средства от дискомфорта от контактных линз.

Покупка контактных линз

Вы можете купить сменные контактные линзы во многих местах, и некоторые из них предлагают более выгодную цену, чем другие. Узнайте больше о том, где можно купить контакты и о покупке контактных линз в Интернете.

Дополнительная информация О контактах

Для получения дополнительной информации о контактах посетите наш FAQ по контактным линзам, вопросы и ответы окулистов и страницы новостей о контактных линзах.

Страница опубликована в феврале 2019 г.

Страница обновлена ​​в ноябре 2021 г.

Светосбор и пропускная способность оптической системы

Числовая апертура — более ценная концепция для оптических систем с большими углами конуса.

F-количество зеркал

Вогнутые сферические зеркала также используются для сбора и фокусировки света. Мы используем их в наших волоконных осветителях. Фокусное расстояние линзы может изменяться в зависимости от длины волны из-за хроматической аберрации, в то время как системы зеркал действительно широкополосны в применении. Понятия F / # и числовой апертуры также применимы к зеркалам. Когда используются эллиптические рефлекторы, как в наших кожухах для ламп PhotoMax ™, F / # используется для описания отношения апертуры рефлектора к расстоянию между этой апертурой и фокусом вне эллипса.

F-номер некруглой оптики

В некоторых наших продуктах мы используем квадратные и прямоугольные зеркала. Число F (F / #), которое мы цитируем, основано на диаметре круга с площадью, равной площади зеркала. Этот F / # более значим, чем F / #, основанный на диагонали, когда учитывается эффективность сбора света.

Собранный свет и полезный свет

Поскольку светосбор изменяется как 1 / (F / #) 2, уменьшение F / # — простой способ максимизировать сбор света.Однако обратите внимание, что существует разница между общим собранным лучистым потоком и полезным собираемым лучистым потоком. Объективы с низким F / # собирают больше потока, но аберрации объектива определяют качество коллимированного изображения. Эти аберрации быстро увеличиваются с уменьшением F / #. Хотя линза с очень низким F / # собирает больше света, получаемый луч неидеален. Даже для точечного источника он будет включать лучи под разными углами, далекие от коллимированного идеала. Никакая оптическая система не может сфокусировать луч плохого качества на хорошее изображение источника.Таким образом, хотя синглетный объектив с низким F / # (≤F / 4) может быть эффективным коллектором, вы получите такой плохой выходной луч, что вы не сможете эффективно его перефокусировать. Наши Aspherabs ™ решают эту проблему, и мы используем дуплетные линзы для уменьшения аберраций в наших конденсаторах F / 1. В приложениях, где важно качество изображения или размер пятна, конденсор с более высоким F / # может дать лучшие результаты.

Важно понимать эту фундаментальную концепцию, поскольку, хотя собирать свет относительно легко, качество создаваемого луча и ваше приложение определяют, можете ли вы использовать собранный свет.Наши системы PhotoMax ™ — эффективные коллекторы, но у выходных лучей есть свои ограничения.

Фокусировка: F-число и минимальный размер пятна

При фокусировке луча линзой, чем меньше F-число, тем меньше сфокусированное пятно от коллимированного входного луча, заполняющего линзу. (Аберрации вызывают некоторые существенные исключения из этого простого правила.)

Минимальное практическое F-число для линз

Практический предел F / # для синглетных сферических линз зависит от области применения.Для высокопроизводительной визуализации предел составляет около F / 4. F / 2 — F / 1,5 приемлемо для использования в качестве конденсатора с дуговыми лампами. Линза должна быть правильной формы и правильной стороной повернута к источнику (наши плоско-выпуклые конденсаторы F / 1.5 имеют гораздо более низкие характеристики аберрации при перевернутом положении).

Количество элементов должно увеличиваться для адекватной работы при более низком F / #. Объективы камеры F / 1 состоят из пяти или шести компонентов. Наши F / 0,7 Aspherabs® используют четыре штуки. Объектив микроскопа приближается к пределу F / 0.5 с десятью или более элементами, и они имеют хорошую производительность только на очень маленьких полях.

Источники реального и конденсаторы

Вот некоторые из основных соображений при выборе и использовании конденсатора:

Коэффициент пропускания

Материал любой конденсирующей линзы имеет ограниченный диапазон спектрального пропускания. Иногда эти ограничения полезны, например, для блокировки опасного ультрафиолета (УФ). Другой пример работы в ИК-диапазоне — использование германиевой линзы с источником видимого ИК-диапазона, например лампой QTH.Линза действует как длинный фильтр и поглощает видимое.

Ультрафиолетовое пропускание конденсаторов и других оптических элементов важно при попытке сохранить ограниченные ультрафиолетовые компоненты из наших источников. Ультрафиолетовое пропускание * «кварца» или «плавленого кварца» очень зависит от происхождения материала и от совокупного воздействия коротковолнового излучения (соляризация). Наши конденсаторы изготовлены из отборного синтетического кремнезема для ультрафиолетового излучения, обеспечивающего наилучшее пропускание ультрафиолета.

* Кварц — это оригинальный природный кристаллический материал. Прозрачный плавленый кварц — это более точное описание синтетического оптического материала.

Проблемы с перегревом

Хотя показатель преломления и, следовательно, фокусное расстояние зависят от температуры, наиболее серьезной тепловой проблемой в источниках большой мощности является поломка линзы. Самая внутренняя линза конденсатора с низким F / # находится очень близко к источнику излучения. Этот объектив поглощает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.Возникающие в результате термическое напряжение и тепловой удар при запуске могут повредить линзу. В наших корпусах для ламп высокой мощности с конденсаторами F / 0,7 используются специально установленные элементы рядом с источником. Элементы охлаждаются вентилятором корпуса лампы, а ближайший к источнику элемент всегда изготовлен из плавленого кварца. Даже термоэлемент из боросиликатной коронки, используемый в этом положении, быстро ломается при улавливании излучения от лампы мощностью 1000 или 1600 Вт.

Коллимация

Все реальные источники имеют ограниченный объем.На рис. 2 некоторые геометрические фигуры при сборе и построении изображения источника преувеличены. Типичные источники имеют размеры несколько миллиметров. Наша кварцевая вольфрамогалогенная лампа мощностью 1 кВт имеет цилиндрическую нить накала диаметром 6 мм и длиной 16 мм. Когда нить накала находится в фокусе идеального конденсатора с фокусным расстоянием 50 мм, «коллимированный пучок» в этом наихудшем случае включает лучи с углами от 0 до ∼9 ° (160 мрад) к оптической оси. Большинство линз имеют простые сферические поверхности; фокусировка сильно коллимированного луча с помощью такой сферической оптики также имеет ограничения.

Краткое руководство по ручным линзам

Фото: Т. Баугер, Penn State

Ручная линза, также называемая лупой, является важным инструментом для садоводов, разведчиков, садоводов и других, кто хочет идентифицировать членистоногих в полевых условиях. и принимать обоснованные решения. Однако выбрать подходящую ручную линзу может быть сложно, поскольку описания в каталогах часто наполнены неопределенным жаргоном, который многим трудно интерпретировать. В этой статье исследуются ручные линзы и связанная с ними терминология, чтобы развеять эту путаницу.Наконец, обратите внимание, что, хотя упоминаются конкретные бренды и марки ручных линз, их включение не означает рекомендации или одобрения со стороны автора или Университета штата Пенсильвания.

Линзы

При сравнении ручных линз терминология, содержащаяся в названии (например, тройная лупа Гастингса, 10 ×, 19,8 мм, фокус: 1 «), может сбивать с толку. Однако каждый элемент названия содержит важную информацию, описывающую различные аспекты ручного объектива и легко понять после определения.Ручные линзы обычно содержат от одной до трех линз (другие системы визуализации, такие как микроскопы и телескопы, могут содержать шесть или более линз). Добавление нескольких линз корректирует различные аберрации изображения, но также увеличивает стоимость ручного объектива.

Одинарная линза

Одинарная ручная линза содержит одиночную линзу; во многих моделях линза выпуклая с обоих концов (рис. 1). Некорректированные синглеты имеют низкую степень увеличения (максимальное до 5 ×, высокое качество до 10 ×) и страдают от высокой сферической аберрации (неполностью сфокусированного изображения) при больших увеличениях; обычная лупа является примером неисправленной синглетной линзы.

Линза Коддингтона

Линза Коддингтона — это тип одинарной линзы, которая состоит из толстого куска стекла с выемкой диафрагмы вокруг экватора, которая корректирует сферическую аберрацию. Линза Коддингтона может увеличиваться до 20 раз, прежде чем возникнет значительная аберрация; это увеличение компенсируется уменьшением видимой через линзу области из-за канавки диафрагмы (рис. 4, 11).

Двойная линза

Двойная ручная линза содержит две линзы; некоторые конфигурации линз могут исправить сферические и хроматические аберрации.Линзы могут быть скреплены вместе или разнесены с воздухом между ними (рис. 2). Такая конструкция необычна для ручных линз. Когда встречаются, одна из линз часто является линзой Коддингтона.

Триплетная линза

Триплетная ручная линза содержит три линзы и обеспечивает наилучшую коррекцию сферических и хроматических (цветные полосы вокруг изображения) аберраций (Рисунок 3). Ручные линзы-триплеты, как правило, могут увеличиваться до 20 раз, прежде чем возникнет значительная аберрация.

Триплеты Hastings — наиболее распространенный тип триплетной системы в высококачественных ручных линзах. В линзах Hastings три отдельные линзы скреплены между собой прозрачной эпоксидной смолой.

Счетверенная линза

Счетверенная ручная линза содержит четыре линзы. Счетверенные ручные линзы встречаются нечасто, хотя БелОМО предлагает модель 20х.

Рисунки 1–3. Примеры ручных линз. 1) Одинарная ручная линза. 2) Двойная ручная линза. Обратите внимание на пластиковые линзы, разделенные черной прокладкой.3) Триплетная ручная линза не Гастингса. Обратите внимание, что стеклянные линзы скреплены друг с другом. Предоставлено: Майкл Скварла, Государственный университет Пенсильвании.

Объектив Плюсы Минусы
Одиночный объектив (без коррекции) Самая низкая стоимость, конструкция с одной линзой лучше для высокой влажности и влажных сред Большинство искажений, многие используют пластиковые линзы, которые могут поцарапать легко
Coddington Более низкая стоимость 1 , Конструкция с одной линзой лучше для высокой влажности и влажных сред, Стеклянная линза в целом устойчива к царапинам Меньшая четкость 1 , Увеличение искажений ближе к краю линзы, Меньшее поле зрения до канавки
Hastings Наилучшая четкость, наименьшее искажение, большее поле зрения 2 , Обычно используются стеклянные линзы, устойчивые к царапинам Самая высокая стоимость, Несколько линз, чувствительных к проникновению влаги между слоями
1 0002 9037 по сравнению с линзой Гастингса
2 по сравнению с Co Линзы ddington

Линзы могут быть изготовлены из стекла или пластика, который обычно является акрилом. Стеклянные линзы обладают такими преимуществами, как лучшая четкость, более высокая потенциальная мощность увеличения и стойкость к царапинам, но они тяжелее и, как правило, дороже. Пластиковые линзы недороги, но не способны обеспечивать большое увеличение, не корректируют различные аберрации и могут легко поцарапаться (хотя некоторые формы устойчивы к царапинам).

Увеличение

Увеличение — это процесс увеличения объекта, который выражается в степени увеличения, которая представляет собой соотношение между видимым размером (если смотреть через объектив) и истинным размером объекта.Ручные линзы обычно имеют кратность увеличения 5 ×, 10 ×, 14 × и 20 ×. Некоторые лупы Hastings могут достигать 30-кратного увеличения.

Мощность увеличения напрямую связана с размером (диаметром) линзы, который обычно выражается в миллиметрах («19,8 мм» в приведенном выше примере).

Эта взаимосвязь связана с тем, что мощность увеличения является результатом Кривизны линзы.По мере увеличения диаметра линзы кривизна линзы и сила увеличения уменьшаются, а по мере уменьшения диаметра линзы кривизна линзы и сила увеличения увеличиваются. Из-за этой взаимосвязи ручные линзы с большим увеличением имеют меньшее поле зрения, что может ограничивать их полезность при просмотре более крупных объектов.

Рис. 4. Сравнение диаметра линз и силы увеличения. В верхнем ряду расположены линзы Коддингтона, а в нижнем ряду — линзы Гастингса. Крайняя левая линза — 10 ×, центральная — 14 × и самая правая — 20 ×. Обратите внимание на общий больший размер, но темное кольцо (обозначено стрелкой в ​​ручном объективе с 10-кратным увеличением) и меньшую диафрагму из-за экваториальной канавки в ручных линзах Коддингтона.Предоставлено: Майкл Скварла, Государственный университет Пенсильвании.

Другими факторами, связанными с размером объектива, являются рабочее или фокусное расстояние («Фокус: 1» в приведенном выше примере) и глубина резкости, которые уменьшаются по мере уменьшения размера объектива.

  • Рабочее расстояние — это расстояние от объекта вы должны держать ручную линзу так, чтобы объект был в фокусе. Рабочее расстояние не всегда включается в описание, но обычно составляет от до 1 дюйма для ручных линз с 10-кратным увеличением и от 1/2 дюйма или ближе для ручных линз с 20-кратным увеличением.
  • Глубина резкости — это расстояние между самой близкой и самой дальней частью объекта, которые находятся в фокусе (рисунок 5). При большой глубине резкости весь объект может быть в фокусе, а при малой глубине резкости в фокусе может быть только тонкий срез объекта. Помимо влияния размера объектива, конструкция объектива (например, синглет, триплет, Коддингтона, Гастингса и т. Д.) Может влиять на глубину резкости.

Рис. 5. Примеры глубины резкости с использованием тахинидной мухи.Левое изображение имеет небольшую глубину резкости, обратите внимание, что задняя часть мухи не в фокусе. Правое изображение имеет большую глубину резкости, обратите внимание, что вся муха находится в фокусе. Предоставлено: «Focus_stacking_Tachinid_fly» Мухаммада Махди Карима на Wikimedia Commons. Лицензия CC BY-SA 3.0.

При использовании для идентификации членистоногих в полевых условиях можно сделать следующие общие сведения о различных доступных степенях увеличения (рисунки 6.1 и 6.2) :

  • 5-кратное увеличение луп не намного лучше, чем вообще ничего не использовать.
  • 10-кратное увеличение Лупы , вероятно, будут наиболее часто используемыми и полезными, поскольку они обеспечивают достаточное увеличение, чтобы видеть важные детали на мелких членистоногих, при этом имея достаточно большой размер линзы, чтобы видеть большую часть членистоногих.
  • 14-кратное увеличение лупы могут быть полезны для небольших членистоногих и могут использоваться время от времени.
  • Увеличение 20 × лупы редко используются в полевых условиях, поскольку поле зрения часто слишком мало, особенно при наблюдении за быстро движущимися членистоногими; Глубина резкости мала, а короткое рабочее расстояние делает так, что большая часть света блокируется рукой. Тем не менее, 20-кратная лупа не занимает много места и может быть полезна в тех редких случаях, когда она необходима.
  • Увеличение 30 × лупы используются почти исключительно ювелирами и сортировщиками драгоценных камней. Если для идентификации членистоногих требуется увеличение более 20 раз, лучше всего принести образец с поля и использовать стереомикроскоп.

Рис. 6.1

Изучение личинок диктиофаридов с помощью линз Гастингса с разным увеличением.Обратите внимание на уменьшение размера линзы с увеличением мощности увеличения. Предоставлено: Майкл Скварла, Государственный университет Пенсильвании. 7-9 ). Некоторые способы избежать мошенничества включают покупку ручных линз, произведенных уважаемой компанией (например, Bauch & Lomb, БелОМО) и / или у надежного поставщика (например.g., BioQuip, US Geological Supply). Если ручные линзы должны быть приобретены через веб-сайт, который разрешает продажи третьим лицам (например, Amazon), обязательно прочтите обзоры продуктов, поскольку они часто указывают, не предлагает ли конкретная модель мощности увеличения или качества, о которых рекламируется.

Рисунки 7 — 8

Рисунки 9 — 10

Рисунки 11 — 12

Рисунки 7–12. Сравнение ручных линз. Предоставлено: Майкл Скварла, Государственный университет Пенсильвании.

  • 7) Лупа с двумя линзами. Рекламируемая мощность увеличения составляет 5 × индивидуально и 10 × вместе, фактическая мощность увеличения значительно меньше.
  • 8) Недорогая двойная ручная линза с пластиковыми линзами (см. Рисунок 2). Рекламируется с 16-кратным увеличением, фактическое увеличение меньше 10-кратного. Обратите внимание на небольшую глубину резкости и аберрации по краям.
  • 9) Недорогой ручной объектив. Рекламируемая как дуплетная линза с 10-кратным увеличением, на самом деле имеет синглетную линзу (см. Рисунок 1) с примерно 10-кратным увеличением.Средняя глубина резкости и значительные аберрации по краям, но в остальном приемлемо по невысокой цене.
  • 10) Тройная ручная линза не-Hastings. Рекламируемое 10-кратное увеличение является точным. Обратите внимание на промежуточную глубину резкости и аберрации по краям.
  • 11) Триплетная ручная линза Коддинтона. Обратите внимание на превосходную глубину резкости, качество изображения и отсутствие аберраций, но значительное уменьшение функционального диаметра объектива из-за экваториальной выемки диафрагмы (черная область вокруг края объектива).
  • 12) Тройная ручная линза Гастингса. Обратите внимание на превосходную глубину резкости, качество изображения и отсутствие аберраций.

Получение изображений с помощью объектива, объяснение в энциклопедии RP Photonics; объектив, фокус, поле зрения, глубина резкости, увеличение изображения, разрешение, эффективность светосбора, аберрации

Энциклопедия> буква I> получение изображения с помощью объектива

Определение: создание оптического изображения с помощью одной линзы

Более общий термин: визуализация

Немецкий язык: Abbildung mit einer Linse

Категории: общая оптика, зрение, дисплеи и визуализация, методы

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr. Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/imaging_with_a_lens.html

В этой статье объясняются основные рабочие принципы создания оптических изображений с помощью одной линзы, например: используется в различных типах фотоаппаратов. Большинство аспектов практически одинаковы при использовании системы с несколькими линзами, например, фотографического объектива или объектива микроскопа.

По сути, создание оптического изображения означает, что свет, полученный от точек объекта, направляется в разные точки на некоторой плоскости изображения, где, например, можно разместить фотопленку, электронный датчик изображения или экран.(Трехмерное изображение в этой статье не рассматривается.)

Самый простой из возможных метод получения оптического изображения, для которого не требуется никакого объектива, а только точечное отверстие, был реализован с камерой obscura . Однако этот метод имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что он предполагает серьезный компромисс между разрешением и сбором света. Обычно требуется какой-то метод, который может собирать свет с большей площади при сохранении высокого разрешения изображения. Самый простой подход с такой комбинацией качеств основан на использовании одной линзы, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Отображение точек от плоскости объекта до плоскости изображения. Световой путь обозначен разными цветами для двух разных точек объекта.

Часть света, излучаемого определенной точкой в ​​плоскости объекта (например, путем рассеяния света освещения на объекте), попадает в объектив формирования изображения, который фокусирует его в соответствующей точке плоскости изображения. Обратите внимание, что свет от объекта может излучаться во всех других направлениях; На рис. 1 показан только свет, попадающий во входную апертуру объектива.

Полученное изображение перевернутое ; например, точки в более низком положении на объекте отображаются в точки, расположенные на более высоком месте на изображении. Эта инверсия изображения не имеет значения для записи изображений на фотопленку или датчик изображения, но может стать проблемой при прямом просмотре. Поэтому можно использовать дополнительную оптику, например в фотоаппарате SLR пентапризму для получения вертикального изображения в видоискателе. Подобные методы используются в некоторых микроскопах, особенно в манипуляционных микроскопах.

Поле зрения

Для данного размера электронного датчика изображения, например, угловой диапазон, в котором могут быть отображены точки объекта (поле зрения , ), примерно в два раза больше арктангенса половины размера датчика, деленного на фокусное расстояние. Например, датчик изображения шириной 24 мм (формат DX) в сочетании с объективом 25 мм даст поле зрения & приблизительно 0,90 рад, что составляет приблизительно 51 °. Это значение аналогично углу обзора человеческого глаза, поэтому стандартные объективы работают с такими значениями.

При использовании того же датчика изображения в сочетании с телеобъективом, имеющим большее фокусное расстояние, поле зрения соответственно меньше, то есть можно отображать более удаленные объекты.

Фигура 2: Для того же формата датчика изображения объектив с большим фокусным расстоянием приводит к меньшему полю зрения.

Если бы можно было соответственно увеличить размер сенсора, сохранив неизменным интервал между пикселями, можно было бы получать изображения более широкого диапазона с тем же разрешением. Однако обычно фотоаппарат работает с фиксированным датчиком изображения, и можно поменять только фотографические объективы.Даже если бы можно было вставить датчик изображения большего размера, объективы могут не быть рассчитаны на хорошую компенсацию во всем диапазоне.

Условие получения резких изображений

Изображение дает идеально четкие изображения только в том случае, если выполняется уравнение объектива :

Фигура 3: Иллюстрация уравнения линзы.

, где a, — расстояние от объекта до линзы, b, — расстояние от линзы до плоскости изображения, а f — фокусное расстояние линзы.

Симметричная ситуация с a = b = 2 f приводит к минимально возможному расстоянию a + b = 4 f между объектом и изображением и к увеличению -1.

Для визуализации очень удаленных точек, т. Е. Случаев с a & Gt; f , объект по существу находится «на бесконечности»; уравнение линзы затем показывает, что плоскость изображения должна лежать в задней фокальной плоскости линзы ( b = f ).Однако для объектов, находящихся на конечных расстояниях, плоскость изображения должна располагаться на несколько большем расстоянии ( b > f ). (Можно считать, что расходимость падающего света «потребляет» часть фокусирующей силы линзы, так что меньше ее остается для повторной фокусировки луча.) Устройство формирования изображения, такое как камера, часто содержит некоторую ручку регулировки, с помощью которой можно немного перемещать датчик изображения или объектив, чтобы выполнить условие фокусировки для определенного расстояния до объекта.Это важно, например, для фотоаппаратов.

Глубина резкости

Если условие фокусировки не выполняется точно, свет, полученный от конкретной точки объекта, будет направлен в большую область на плоскости изображения, называемую кружком нерезкости (см. Рисунок 4). Это приводит к снижению разрешения изображения — что может быть недостатком качества изображения, но иногда оно преднамеренно используется в художественных целях — см. Рисунок 5 в качестве примера.

Рисунок 4: Используя меньшее входное отверстие, можно уменьшить размер кружка нерезкости.Это приводит к увеличению глубины резкости.

Глубина резкости (DOF) — это диапазон расстояний до объекта, при котором достигается достаточно четкое изображение с определенной настройкой камеры, то есть с определенным расстоянием между объективом и плоскостью изображения. Это зависит от нескольких факторов:

Фигура 5: Фотография цветка (клематиса), сделанная с большой диафрагмой, что привело к относительно небольшой глубине резкости. © Кристин Кирхрат Пашотта.
  • Если использовать диафрагму (тип диафрагмы) непосредственно перед или после объектива, это уменьшает область, в которую попадает свет от одной точки объекта, по крайней мере, до тех пор, пока эффекты дифракции не являются существенными. Например, уменьшение среднего диаметра в два раза дает вдвое большую глубину резкости. Однако это также подразумевает снижение эффективности сбора света в 4 раза, что, возможно, придется компенсировать увеличением времени экспозиции, например в случае фотоаппарата.
  • Глубина резкости приблизительно пропорциональна квадрату расстояния до объекта, т. Е. Становится очень большой для больших расстояний до объекта. Это связано с тем, что в этом случае объекты приближаются к бесконечности, и все это требует, чтобы плоскость изображения была близка к задней фокальной плоскости.Однако приемлемый размер кружка нерезкости может фактически уменьшиться для удаленных объектов, так что зависимость глубины резкости от расстояния фактически слабее.
  • Использование объектива с меньшим фокусным расстоянием также может увеличить глубину резкости. Для фиксированного числа f (фокусное расстояние, деленное на диаметр апертуры), глубина резкости обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния, предполагая, что допустимый диаметр кружка нерезкости остается постоянным (например, из-за неизменного размера пикселя детектор изображения). При изменении числа f так, чтобы размер диафрагмы оставался постоянным, глубина резкости пропорциональна только обратному фокусному расстоянию (а не его квадрату). Однако обратите внимание, что измененное фокусное расстояние также влияет на поле зрения (для данного размера датчика) и разрешение деталей объекта. При постоянном разрешении деталей объекта и постоянном диаметре апертуры глубина резкости больше не зависит от фокусного расстояния.
  • Глубина резкости увеличивается, когда допустим больший круг нечеткости, e.г. при использовании датчика изображения с более низким разрешением.

На рис. 6 показан диаметр кружка нерезкости для примера с фокусировкой на трех разных расстояниях. Видно, что диапазон расстояний с хорошей резкостью намного больше при фокусировке на большое расстояние.

Фигура 6: Диаметр кружка нерезкости как функция расстояния до объекта для зеркальной камеры с фокусным расстоянием 38 мм, числом f 5,6 и фокусировкой на трех различных расстояниях.

Гиперфокальное расстояние определяется как расстояние, за пределами которого достигается приемлемая фокусировка для всех объектов без дополнительной настройки фокуса.Объективы с малым фокусным расстоянием демонстрируют небольшое гиперфокальное расстояние. Тогда становится легче, например. для получения фотографии с хорошей резкостью как для объекта переднего плана, так и для удаленного фона.

Косвенно формат датчика изображения может влиять на глубину резкости: чем больше датчик, тем больше требуется фокусное расстояние для определенного углового диапазона обзора, а это, в свою очередь, уменьшает глубину резкости.

Глубина резкости

Глубина резкости — это диапазон, в котором положение датчика изображения может изменяться без существенной потери фокуса.Он определяет, насколько точно это расстояние должно быть отрегулировано для данного расстояния до объекта. Во многих практических случаях глубина резкости намного меньше глубины резкости.

Глубина резкости также важна для вопроса о допустимом наклоне датчика изображения, поскольку это эффективно изменяет расстояние от различных точек изображения до плоскости объектива.

Увеличение изображения

Увеличение фотографического изображения M определяется как отношение размера изображения к размеру объекта.Легко видеть, что это равно отношению b / a , причем a и b определены, как указано выше. Используя уравнение линзы (т. Е. Предполагая идеальную фокусировку), это можно преобразовать дальше:

Это показывает, что увеличение определяется не только фокусным расстоянием f . В фотоаппарате, например, это также зависит от расстояния до объекта: чем больше это расстояние, тем меньше увеличение. Обратите внимание, что фотографические объективы оптимизированы для работы за пределами определенного минимального расстояния; при попытке сфокусироваться на более близких объектах путем увеличения расстояния между линзой и датчиком различные виды оптических аберраций больше не могут быть исправлены.

В фотографии увеличение обычно значительно меньше единицы, поскольку для получения изображений крупных объектов используются относительно небольшие кусочки пленки или сенсоры изображения. Конечно, позже можно будет создавать печатные изображения большего размера или отображать изображения на больших экранах компьютеров или с помощью проекторов. В этом смысле увеличение не имеет значения для пользователя.

Разрешение изображения и аберрации

Конечно, изображение никогда не бывает идеальным, например в том смысле, что свет от одной точки объекта будет направлен точно только в одну точку (бесконечно малого размера) на плоскости изображения.Следовательно, существует минимальное расстояние между точками на плоскости объекта, которое все еще может быть разрешено на изображении.

Датчик изображения с более высоким разрешением может не помочь, если разрешение ограничено дифракцией или оптическим качеством объектива.

Основным физическим фактором, ограничивающим разрешение изображения, является дифракция на апертуре. Как уже упоминалось выше, работа с малым диаметром апертуры может серьезно ограничить разрешение, хотя в то же время приводит к большой глубине резкости.Этот эффект нельзя изменить никаким дизайном оптики.

Другой возможный предел разрешения может быть на стороне детектора. Фотопленки — особенно пленки с высокой чувствительностью — устанавливают такие ограничения, как и электронные датчики изображения из-за их конечного расстояния между пикселями.

Кроме того, ограничения оптических характеристик объектива могут вызывать различные виды оптических аберраций, которые также ограничивают разрешение.

Какой фактор является окончательным ограничивающим e.г. в фотографии часто зависит от ситуации, например выбор объектива, регулировка объектива, выбор диафрагменного числа и т. д.

В некоторой степени оптические аберрации можно исправить с помощью цифровой обработки изображений, если задействован электронный датчик изображения. Это может работать относительно хорошо, если алгоритм специально оптимизирован для определенной системы визуализации.

Эффективность сбора света

Если для простоты предположить, что объект равномерно излучает свет во всех направлениях, оптическая сила, принимаемая линзой, пропорциональна полезной входной площади линзы и обратно пропорциональна квадрату расстояния до объекта.Очевидно, что объектив большего размера может собирать больше света и, следовательно, давать более яркое изображение. В фотографии, например, это означает, что снимки можно делать с меньшим временем экспозиции, что может быть выгодно, например, чтобы избежать размытия изображения, связанного с движением объекта или камеры.

Альтернативные методы визуализации

Визуализация с использованием одной или нескольких линз — безусловно, самый распространенный метод. Однако есть альтернативные методы, не требующие линз и, таким образом, позволяющие избежать некоторых недостатков и ограничений линз:

  • Самый простой метод основан на принципе действия камеры-обскуры ( камера-обскура ), где имеется только точечное отверстие и никаких других оптических элементов, таких как линзы или зеркала. Это легко реализовать даже в экстремальных спектральных областях (например, для рентгеновских лучей), но при этом существует серьезный компромисс между разрешением и эффективностью сбора света.
  • Расширенные методы используют определенные амплитудные или фазовые маски перед электронным датчиком изображения. Здесь изображения необходимо вычислять из необработанных данных с использованием сложных алгоритмов. По сравнению с камерой-обскуром возможна гораздо лучшая эффективность сбора света, а оптическая установка все еще может быть намного проще, чем с многолинзовой сборкой.Дальнейшие достижения в области обработки цифровых изображений могут сделать такой метод подходящим, например, для компактных бытовых устройств.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они будут отображаться над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его.(См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: объективы, камеры, плоскости изображения, фокусное расстояние, число f, поле зрения, глубина резкости, глубина резкости, гиперфокальное расстояние, оптические аберрации
и другие статьи в категориях общая оптика, зрение, дисплеи и изображения , методы

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e. г. через соцсети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о создании изображений с помощью объектива

в
Энциклопедия фотоники RP

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www. rp-photonics.com/imaging_with_a_lens.html 
, статья «Визуализация с помощью линзы» в энциклопедии RP Photonics]

Анатомия микроскопа

Введение

По своей сути типичный микроскоп по сути, это коробка, предназначенная для размещения двух линзы в точных положениях, чтобы можно было точно увеличивать свет от образец к детектору . Первая из этих двух линз линза объектива , — расположен близко к образцу, перемещается при повороте шкалы фокусировки и имеет полезную информацию, такую ​​как увеличение , написанное на его стороне.В второй обычно называют трубкой / коллектором линза , которая находится глубоко внутри микроскопа и редко видимый.

Как и эти линзы, состоит из:

микроскопов
  • Источники света , такие как лампа или лазер
  • Детектор , обычно научная камера
  • Окуляр , бинокулярное устройство, позволяющее пользователю напрямую наблюдать образец
  • Столик для образца для сидения / установки на
  • Механические элементы управления , такие как диафрагмы, фильтры, шкалы, для управления световым путем или положением линз
  • Цифровые элементы управления , такие как программное обеспечение микроскопа, где такие факторы, как экспозиция или полем обзора можно управлять
  • Дополнительные линзы / зеркала для дальнейшего управления световым путем

Эти компоненты отвечают за увеличение , разрешение , поле зрения и , присущие микроскопу. В этой статье подробно описаны компоненты и анатомия микроскопа в отношении того, как они способствуют получению наилучшего возможного изображения. Чтобы увидеть расположение этих компонентов, см. Рис.1 .

Рис. 1: Изображение в разрезе современного микроскопа. Есть два независимых пути освещения; 1) Epi-освещение , отраженное через линзу объектива для освещения образца сверху, 2) Просвечивание , сфокусированное отдельной конденсорной линзой для освещения образца вдоль оси изображения микроскопа.Существует единый путь формирования изображения для света от образца, через объектив и линзы трубки в детектор / камеру или окуляр. Получено из изображения микроскопа на праймере Olympus Microscopy Primer и изменено автором.

Линзы

Линза — это оптическое устройство , которое может отражать свет. Отражение зависит от формы линзы, которая обычно бывает выпуклой или вогнутой . Для целей микроскопии используются выпуклые линзы, поскольку они способны фокусировать свет в одной точке.Так устроен человеческий глаз: выпуклая биологическая линза фокусирует свет на задней части глаза, где палочки и колбочки могут его обнаружить. Микроскопы заимствовали эту идею, используя выпуклые линзы для фокусировки света в точку, находящуюся на расстоянии f от линзы. Это расстояние известно как фокусное расстояние линзы и зависит от формы. Формы линз можно увидеть на Рис.2 . Следует отметить, что эти линзы симметричны и одинаково влияют на свет с любого направления.

Фокусное расстояние микроскопа линза объектива должна быть очень маленькой, так как объектив часто находится очень близко к пример. Обычно чем больше увеличение, тем ближе объектив должно быть.

Рисунок 2: Выпуклые и вогнутые линзы. Выпуклая линза толще в центре, чем по краю, и фокусирует луч света в точку на определенном расстоянии перед линзой (фокусное расстояние). Вогнутая линза — наоборот, она толще по краю, чем в центре, и рассеивает луч света.В микроскопах используются выпуклые линзы для фокусировки света. Изображение с http://clubsciencekrl.blogspot.com/.

Объективы микроскопа содержат линзы, но не такие простые, как линзы, показанные на Рис.2 , что делает их сложными линзами ( Рис. 3A, ). Хотя общий эффект может заключаться в увеличении, эти линзы тщательно спроектированы для управления различными аспектами линз, такими как рабочее расстояние , и способность исправлять такие проблемы, как аберрации , .Объективы характеризуются двумя факторами: увеличением и числовой апертурой (NA) . Увеличение объектива варьируется от 2x до 100x (и комбинируется с увеличением окуляра), увеличивая образец от 2x до 100x соответственно ( Fig. 3B ). ЧА связана с фокусным расстоянием объектива, а именно с тем, под каким углом свет выходит / входит в объектив, так как это влияет на разрешение ( Рис. 3C , подробнее читайте в примечании к приложению о разрешении и ЧА). См. Рис.3 для получения дополнительной информации.

Рисунок 3: На линзах объектива микроскопа. А) Пример расположения линз в поперечном сечении объектива, что делает линзу сложной. Б) Различные объективы Nikon Super Fluor, от 10x до 40x. Красные прямоугольники показывают увеличение / числовую апертуру объектива, при этом 40-кратный воздух имеет числовую апертуру 0,90, а масляная 40-кратная числовая апертура имеет числовую апертуру 1,30, показывая влияние среды визуализации на числовую апертуру (чем плотнее, тем лучше). C) Как различная числовая апертура влияет на освещенность образца: чем выше числовая апертура, тем больше угол падения света от объектива и тем выше максимальное разрешение.

Ограничители поля и диафрагмы

Всегда есть ограничения для область, которую необходимо отобразить, и подробную информацию, предоставляемую микроскопом. Там физических блоков в свете путь, обычно называемый упоров , диафрагмы или апертуры . Здесь будет использоваться термин «стоп». Для пути изображения они могут или не могут регулироваться пользователем, но, как обсуждается позже, концепции применимы к осветительной оптике.

Ограничитель диафрагмы является частью системы формирования изображения, которая ограничивает диапазон углов света, которые линза может собирать с образца.Этот диапазон углов определяет числовую апертуру линзы и, следовательно, разрешение системы, способность определять два объекта как разные. Большинство объективов микроскопов сконструированы таким образом, что диафрагмой является задняя апертура объектива , как показано на рис. 3A . Это гарантирует, что цель определяет разрешение системы и что разрешение будет одинаковым по всему полю обзора.

Полевой упор ограничивает область изображения. Это не может быть больше диаметра линзы трубки .В лучшем случае отображаемая область — это диаметр этой линзы, деленный на увеличение. Если внутренняя линза имеет диаметр 25 мм, и увеличение 100x , то должен быть виден круг диаметром 250 мкм образца. Такие вещи, как элементы, изменяющие свет, или сам детектор, могут легко уменьшить собираемое поле обзора.

Детекторы

Окуляры

На выходе большинства микроскопов получается изображение размером около 2 см в поперечнике, поэтому обычно его снова увеличивают в раз, чтобы заполнить поле зрения глаз. Окуляры , еще одна система увеличения, дает 10-30-кратное увеличение сверх того, которое обеспечивается объективом и микроскопом. В сочетании с линзой в глазу это увеличивает изображение до сетчатки в удобном масштабе, так что человеческий глаз может различать и наблюдать объекты даже размером с клетки (~ 10 мкм).

Камеры для научных исследований

Есть все виды фотоаппаратов который можно использовать с микроскопом. Ключевыми экспериментальными соображениями являются чувствительность , разрешение , поле зрения и скорость камеры. Подробное объяснение см. наши статьи по этой тематике.

Пиксель камеры — отдельный блок измерения света в камере, а сенсор камеры имеет массив пикселей для измерения света через поле зрения. Камера может иметь всего 128 × 128 пикселей или столько же 5000 × 3000 (15 миллионов пикселей или 15 мегапикселей) или более. Поскольку микроскоп порты камеры обычно имеют одинаковый приблизительный размер, камеры с большим пикселем массивы обычно имеют отдельные пиксели меньшего размера.

Размер пикселя является ключом к возможности изображения с полной информацией контент, предоставляемый оптикой. Пиксели камеры квадратные и обычно 3-24 мкм. по краю. Вообще говоря, камеры с меньшими пикселями на пикселей позволяют на пикселей выше разрешение изображений, тогда как камеры с большими пикселями имеют большую площадь поверхности для сбора фотонов делая их более чувствительными .

Большинство микроскопов имеют оптические выходные порты диаметром около 18-25 мм.Таким образом, без увеличения (объектив 1x) изображение будет охватывать 18-25 мм образца. Учитывая фиксированный размер изображения, датчики камеры с диагональю, превышающей размер порта камеры микроскопа, будут иметь пиксели, на которые не падает свет. Следовательно, важно согласовать поле зрения камеры с максимальным полем зрения микроскопа.

Более крупные пиксели улучшают чувствительность. Косвенно у них также есть преимущества в отношении общего времени, необходимого для передачи информации на компьютер.Общее время считывания зависит от архитектуры камеры, причем CMOS быстрее, чем CCD, а также от общего количества пикселей в камере. В общем, камера с большим, но меньшим количеством пикселей будет готова к следующей экспозиции быстрее, чем камера с большим количеством меньших пикселей.

Подсветка

Различные методы микроскопии обнаруживают специфические взаимодействия между светом и образцом. Методы, при которых изображение рассеивается или поглощается свет фокус освещение образца с помощью отдельной осветительной линзы и объектив визуализации.Линза фокусирующей подсветки именуется конденсатором и обладает собственными свойствами: рабочее расстояние, NA и др.

Флуоресцентная микроскопия

использует отражательную или эпифлуоресцентную геометрию , где объектив служит как конденсатором освещения, так и линзой формирования изображения. Осветительный свет проходит через объектив, а обнаруженный свет проходит обратно через объектив и попадает в камеру или окуляр. Одним из преимуществ этого подхода является то, что свет, который не взаимодействует с образцом, уходит от детектора, максимально увеличивая разделение света подсветки от флуоресцентного излучения.Пути пропускания и эпифлуоресценции показаны на Рисунке 4.

Рис. 4: Просвечивающая / трансфлуоресцентная и отражательная / эпифлуоресцентная микроскопия световые пути в модельном микроскопе. Серая область указывает пути света, используемые для каждого режима. Получено из изображения микроскопа на праймере Olympus Microscopy Primer и изменено автором.

Два метода освещения, критический или Кёлер , обычно используются для освещения образца в микроскопии.Основное различие заключается в том, копируют ли они структуру ( критический, ) или шифруют структуру ( Köhler ) источника освещения на образце. Освещение по Кёлеру используется чаще, он будет рассмотрен в этой статье.

Кёлер изобрел систему фокусируемого освещения, которая позволяла контролировать размер поля, мощность и угол освещения, одновременно изменяя структуру источника света, проецируемого на образец. Для этого он воспользовался свойством линзы преобразовывать боковую структуру в параллельные лучи.Размещение источника освещения в фокусе линзы преобразует выходной сигнал в однородные световые лучи на другой стороне, скремблируя любую структуру, присущую источнику. Несколько точек, излучаемых источником света, в конечном итоге искажаются и перемещаются в параллельных лучах после выхода из линзы

.

Размещение источника освещения близко к образцу ограничивает контроль силы света и поля зрения освещенности. Келер визуализировал источник света на фокусном расстоянии от конденсорной линзы, как показано на рис.5 . Это обеспечивает управление полем освещения с помощью упора поля , в середине компонента формирования изображения и упора диафрагмы , 1f от конденсора. Ограничение диафрагмы — очень важный аспект дизайна; что позволяет легко контролировать мощность света, подаваемого на образец. Эти упоры обычно имеют рычаги, позволяющие пользователю вручную регулировать область освещения (ограничитель поля) и мощность (ограничитель диафрагмы), подаваемую на образец.

Рис. 5. Осветительная оптика Köhler .Лампа имеет зигзагообразную нить накала на левом корпусе, а образец — справа. При движении слева направо свет от лампы отображается в положение 1F от главной плоскости конденсатора. Свет со структурой, попадающий в конденсатор, при доставке к образцу скремблируется. Ограничитель поля обеспечивает контроль освещенной области образца. Ограничитель диафрагмы регулирует диапазон углов и мощность освещения. Световой путь от центральной точки нити накала слева до образца справа выделен оранжевым цветом.Получено на кафедре биомедицинской инженерии Бостонского университета.

Источники света

Существует множество ламп , светодиодов , и лазеров , которые можно использовать для освещения образца в микроскопе. Типичные лампы, используемые для освещения, включают:

  • Галогенная лампа . Они обеспечивают освещение широкого спектра, а их выходная мощность зависит от напряжения на нити накала. Часто используется для передачи изображений.
  • Ксеноновая дуговая лампа . Имеет равномерную мощность на широко используемых длинах волн. В лампе электрическая дуга проходит через две металлические точки в атмосфере ксенона под высоким давлением, создавая плазму возле металлических точек. Иногда используется для флуоресцентной визуализации.
  • Ртутно-металлогалогенная дуговая лампа . Имеет в целом большую мощность на широко используемых длинах волн, чем ксеноновые лампы. Также генерирует плазму с помощью электрического разряда между двумя металлическими штырями. Хотя мощность на различных длинах волн может резко меняться, ртутные лампы часто используются для получения изображений флуоресценции.Между использованиями необходимо охлаждаться.

Срок полезного использования каждого из этих источников варьируется от до нескольких сотен часов для ртутных дуговых ламп, до 1000-2000 часы для ртутных / металлогалогенных и галогенных ламп.

Светодиодные источники света достаточно мощны, чтобы конкурировать с ксеноновыми и ртутными / металлогалогенными лампами в качестве источников освещения для флуоресцентной визуализации. Каждый светодиод имеет уникальный цвет, поэтому широкополосные светодиодные источники получают из массивов нескольких отдельных диодов с относительно узким спектром.Светодиодные источники имеют срок службы более 10 000 часов и обладают высокой энергоэффективностью, что делает их очень экономичными при длительном использовании. Их можно включать и выключать быстро, за наносекунды, что делает их полезными для экспериментов, требующих жесткого контроля освещения. Спектральное распределение примера светодиодного источника света проиллюстрировано на Рис.6 .

Лазеры излучают свет с очень специфической длиной волны. Например, свет, излучаемый гелий-неоновым (He-Ne) лазером (HeNe) , имеет цвет 632.8 нм. В отличие от других обсуждаемых здесь источников света, лазеры обеспечивают когерентный свет. Когерентность указывает на то, что свет сильно структурирован, и все пики и впадины световой волны происходят в одно и то же время и в одном месте. Когерентность необходима при фокусировке света на точку с ограничением дифракции, но она также усложняет широкопольное освещение из-за его склонности к положительным и отрицательным помехам. Эту самоинтерференцию часто можно обнаружить в виде спекл-структуры в расширенном лазерном луче.

Фильтры

Фильтры — это оптические компоненты, которые могут пропускать одни длины волн света, отражая другие. Выбор цвета имеет решающее значение для флуоресцентной визуализации. Пример оптической фильтрации показан на Рис.7 .

Фильтры обычно обозначаются характером передачи и длиной волны, с которой они переключаются передача на отражение, как показано на Рис.8 . Короткий проход 500 нм (SP) фильтр будет пропускать свет синее, чем 500 нм, и отражать свет более красным чем 500 нм.Напротив, длиннопроходный 500-нм (LP) фильтр будет пропускать свет длиной более 500 нм, отражая свет более короткие длины волн.

Автор объединив свойства фильтров SP и LP, были созданы полосовые (BP) фильтры . Фильтр SP 550 нм в сочетании с фильтром LP 500 нм будет пропускать свет только между 500-550 нм . Фильтры БП обычно описывается их центральной длиной волны и разрешенными длинами волн либо боковая сторона. Гипотетическую комбинацию фильтров SP550, LP500 обычно называют BP 525d25 , BP с центром 525 нм с разрешенной передачей 25 нм в любую сторону (Reichman, 2017).

В флуоресцентном микроскопе комбинация из возбуждающего ВР-фильтра , дихроичного фильтра LP и эмиссионного ВР-фильтра организована в держатель куба, чтобы обеспечить образец возбуждающим светом высокой интенсивности и эффективно изолировать испускаемый свет перед направляя его к камере.

Рисунок 8: Зависимость коэффициента пропускания от длины волны для различных типов фильтров. В примере LP красный свет будет проходить, а синий свет отражаться. В примере SP синий свет проходит, а красный свет отражается. В примере BP и синий, и красный свет отражаются, а зеленый свет передается. Взято из основных аспектов светофильтров. Молекулярные выражения. Праймер для оптической микроскопии. Https://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/filtersintro.html.

Сводка

Обсуждаемые здесь части микроскопа работают согласованно, направляя свет на образец и забирая свет от образца и увеличивая его до детектора для сбора.Ограничители диафрагмы, обычно в объективе, ограничивают разрешение микроскопа. Ограничители поля ограничивают освещенную или обнаруженную область. Для получения наилучшего изображения необходимо учитывать такие компоненты, как объективы, источники света, фильтры и камеры.

Список литературы

Abramowitz, M. 2003 Основы микроскопов и не только, Olympus Америка, научный отдел.

Davidson, M.W. Koehler Освещение в Zeiss Basic Веб-сайт ресурсов (https://www.zeiss.com/microscopy/us/solutions/reference/basic-microscopy/koehler-illumination. html)

Парри-Хилл, М.Дж., Фогт, К.М., Гриффин Д.Д. и Дэвидсон, M.W. Согласование камеры с разрешением микроскопа на веб-сайте MicroscopyU (https://www.microscopyu.com/tutorials/matching-camera-to-microscope-resolution)

Reichman, J. Справочник по оптическим фильтрам для Флуоресцентная микроскопия. Компания Chroma Technology Company Беллоус-Фолс, Вермонт 05101-3119 (https://www.chroma.com/sites/default/files/HandbookofOpticalFilters.pdf)

Спринг, К.Р., Парри-Хилл, М.И Дэвидсон, М. Геометрическое построение лучевых диаграмм в программе Olympus Microscopy Primer веб-сайт (https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/java/components/characteristicrays/)

Спринг, К. Р., Парри-Хилл, М., Бёрдетт, К. А., Саттон, Р. Т., Феллерс, Т. Дж. и Дэвидсон, M.W. Laser Fundamentals на веб-сайте Olympus Microscopy Primer (https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/lightandcolor/laserhome/)

Преимущества линз Френеля | Эдмунд Оптикс

Теория | Производство | Приложения

Линзы Френеля состоят из серии концентрических канавок, вытравленных в пластике. Их тонкая и легкая конструкция, доступность как малых, так и больших размеров, а также отличная светосила делают их полезными в различных областях применения. Линзы Френеля чаще всего используются в приложениях для сбора света, таких как конденсаторные системы или установки излучателя / детектора. Их также можно использовать в качестве увеличительных линз или проекционных линз в системах освещения и для создания изображений.

Линза Френеля (произносится как fray-NEL) заменяет изогнутую поверхность обычной оптической линзы серией концентрических канавок.Эти контуры действуют как отдельные преломляющие поверхности, изгибая параллельные световые лучи до общего фокусного расстояния (рис. 1). В результате линза Френеля, хотя физически имеет узкий профиль, способна фокусировать свет так же, как и обычная оптическая линза, но имеет несколько преимуществ по сравнению со своим более толстым аналогом.

Рисунок 1: Профиль линзы Френеля

ТЕОРИЯ ЛИНЗ ФРЕСНЕЛЯ

Движущий принцип концепции линзы Френеля заключается в том, что направление распространения света в среде не изменяется (если не рассеивается). Вместо этого световые лучи отклоняются только от поверхности среды. В результате основная масса материала в центре линзы служит только для увеличения веса и поглощения в системе.

Чтобы воспользоваться этим физическим свойством, 18 физиков -х годов -го века начали экспериментировать с созданием того, что сегодня известно как линза Френеля. В то время в стекле прорезали бороздки для создания кольцевых колец криволинейного профиля.Этот изогнутый профиль при выдавливании образовывал обычную изогнутую линзу — сферическую или асферическую (рис. 2). Благодаря такому оптическому свойству, аналогичному обычному оптическому объективу, линза Френеля может обеспечить несколько лучшую фокусирующую способность в зависимости от области применения. Кроме того, высокая плотность канавок позволяет получать изображения более высокого качества, а низкая плотность канавок обеспечивает лучшую эффективность (что необходимо в приложениях для сбора света). Однако важно отметить, что когда требуется высокоточная визуализация, лучше всего подходят обычные синглетные, дублетные или асферические оптические линзы.

Рисунок 2: Сравнение бокового профиля плосковыпуклого (PCX) и линзы Френеля

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛИНЗ FRESNEL

Первые линзы Френеля были сделаны путем кропотливой шлифовки и полировки стекла вручную. В конце концов, расплавленное стекло разливали в формы, но только с развитием пластиков оптического качества и технологии литья под давлением в 20 -х годах -го века использование линз Френеля во многих промышленных и коммерческих целях стало практичным.

Линзы Френеля

могут быть изготовлены из различных материалов. Они производятся от акрила до поликарбоната и винила, в зависимости от желаемой рабочей длины волны. Акрил является наиболее распространенным субстратом из-за его высокого коэффициента пропускания в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях, но поликарбонат является предпочтительным субстратом в суровых условиях из-за его устойчивости к ударам и высокой температуре.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Хотя французский физик Огюстен-Жан Френель (1788–1827) не был первым, кто концептуализировал линзу Френеля, он смог популяризировать ее, интегрировав в маяки.С тех пор линзы Френеля использовались в самых разных областях, от коллимации света и сбора света до увеличения.

Коллимация света

Линза Френеля может легко коллимировать точечный источник, разместив его на расстоянии одного фокусного расстояния от источника. В системе с конечным сопряжением сторона линзы Френеля с канавками должна быть обращена к более длинному сопряженному элементу (рисунки 3–4), поскольку это обеспечивает наилучшие характеристики.

Рисунок 3: Коллимация света точечного источника с линзой Френеля

Световая коллекция

Одним из наиболее распространенных применений линзы Френеля является сбор солнечного света, который считается очень почти параллельным (бесконечно-сопряженная система).Использование линзы Френеля для сбора света идеально подходит для концентрации света на фотоэлементе или для нагрева поверхности. Например, линзу Френеля можно использовать для популярного домашнего обслуживания, такого как обогрев дома или бассейна! В этих случаях общая площадь поверхности линзы определяет количество собираемого света.

Рисунок 4: Коллимация света точечного источника с линзой Френеля

Увеличение

Еще одно распространенное применение линзы Френеля — увеличение.Его можно использовать как лупу или проекционный объектив; однако это не рекомендуется из-за высокого уровня искажений. Кроме того, качество изображения не может сравниться с качеством более точной системы, учитывая количество искажений.

Обычно линзы Френеля используются в солнечных батареях, но они идеальны для любых применений, требующих недорогих, тонких и легких положительных линз. Линзы Френеля — не новая технология, но их распространение увеличилось с улучшением технологий производства и материалов.Линзы Френеля — поистине уникальные оптические линзы, которые делают их отличным инструментом для создания ряда интересных и забавных оптических конструкций.

основных типов линз | 6 типов объективов для фотоаппаратов

Съемка без объективов возможна, но непрактична. По сути, мы можем идентифицировать камеру как отдельное пространство с небольшим отверстием на одной стороне, которое позволяет сходиться и проецироваться на поверхность, это называется камера-обскура. Однако эти точечные камеры создают мягкие изображения с небольшими деталями.Вот тут и пригодятся линзы. Поместив один или несколько стеклянных элементов в указанное отверстие, можно сфокусировать свет, чтобы достичь поверхности с большей четкостью. Движение стеклянных элементов можно интерпретировать как способность линзы фокусироваться.

Есть много типов объективов для фотоаппаратов. Основное различие между типами линз — их фокусное расстояние. Объективы с постоянным фокусным расстоянием имеют фиксированное фокусное расстояние и содержат несколько стеклянных элементов, что делает их более дешевыми и резкими при более широкой максимальной диафрагме. Объективы с постоянным фокусным расстоянием требуют, чтобы фотограф переместил камеру, чтобы изменить композицию изображения. Объективы с зумом — это просто несколько стеклянных элементов, уложенных друг на друга внутри корпуса объектива, который также имеет возможность сдвигать элементы вперед и назад, чтобы регулировать фокусное расстояние между объективом и проецируемой поверхностью (обычно фотопленкой или датчиком изображения). Они более сложные, содержат намного больше стекла и их трудно дешево изготовить без таких проблем, как хроматическая аберрация (цветная окантовка вокруг предметов).

Объективы в первую очередь подразделяются на фокусное расстояние, максимальную диафрагму, а также на дополнительные атрибуты, такие как их способность близко фокусироваться или наличие стабилизации изображения.Давайте рассмотрим несколько идеальных вариантов использования каждого фокусного расстояния, а затем разберемся с жаргоном, добавив несколько простых описаний.

ФОКУСНОЕ ДЛИНА НАЗВАНИЕ ОБЪЕКТИВА СТИЛЬ СНИМКОВ
8-24 мм Ультра / Супер широкоугольный Абстрактные пейзажи, экстерьер или интерьер, скейтборд, экстремальные виды спорта .
24-35мм Широкоугольный Пейзажи, архитектура, интерьеры зданий.
35-70 мм Стандартный Документальные, репортажные, портретные, свадьбы и многое другое
70-600 мм Телеобъектив Спорт, дикая природа, портретная фотография
600359 + 90-90 Спорт, дикая природа, автоспорт вдали — это определение расстояния между датчиком изображения / фокусной точкой и центром данного объектива.Объектив определяет степень увеличения изображения по положению и углу обзора.

Отверстие : Отверстие — это размер отверстия. В фотографии это измеряется в диафрагмах. Чем меньше число (шире диафрагма), тем больше света пропускается через объектив. Чем выше число (более узкая диафрагма), тем меньше света пропускается через объектив. F / ступени измеряются на полных, половинных и даже одной третьих остановках. Диафрагма f / 2.8 будет производить вдвое больше солнечного света, чем f / 4, потому что она на целую ступень шире.

Глубина резкости : Глубина резкости определяет, какая часть сцены находится в фокусе после достижения правильной фокусировки объектива. Это определяется двумя вещами: диафрагмой и фокусным расстоянием объектива. Более узкая диафрагма (например, f / 16) увеличит глубину резкости, что означает, что большая часть сцены от передней части до задней будет резкой. Чем больше фокусное расстояние (например, 100 мм), тем меньше глубина резкости.

Стабилизация изображения : Стеклянные элементы в объективе управляются двигателем, который замечает крошечные сдвиги в движении камеры и удерживает предметы в видоискателе / ​​заднем ЖК-экране.В новых корпусах камер теперь используется встроенная стабилизация, при которой стабилизируется сам датчик изображения, а не объектив, стабилизирующий изображение. Это может сделать линзы меньше и легче.

Различные типы объективов камеры

Стандартный / нормальный объектив

Фокусное расстояние : 50 мм

Идеальное использование : Документальная, уличная и портретная фотография

Предполагается, что человеческий глаз имеет приблизительное фокусное расстояние около 50 мм, поэтому объектив 50 мм называют «стандартным» или «нормальным». Это прямое сравнение линз и глаз служит отправной точкой для измерения подушкообразного и цилиндрического искажений. То есть очевидный изгиб и искажение сцены в результате изменения фокусного расстояния.

«Изящный пятьдесят» — отличный объектив для начинающих, потому что они, как правило, очень резкие, легкие, маленькие и дешевые. Профессиональные модели не сильно отличаются, но часто имеют более широкую максимальную диафрагму, стабилизацию изображения и улучшенную оптическую четкость.

Ключевые преимущества

  • Подходит для съемки при слабом освещении
  • Легкое устройство
  • Производство изображений более высокого качества
  • Хороший выбор для новичков

Объектив с зумом

Фокусное расстояние : Любой объектив с диапазоном фокусных расстояний, i .е. 11–16 мм, 18–200 мм или 100–400 мм

Идеальное применение : путешествия, свадьба, портрет, дикая природа, репортаж

Зум-объектив дает фотографу возможность изменять композицию, не перемещая камеру. Это особенно полезно, когда смена положения съемки затруднена или невозможна, например, при съемке морского пейзажа со скалы, свадьбы или съемки дикой природы. Они полезны для съемки путешествий, потому что это означает, что фотографу нужно иметь только один объектив, а не набор фиксированных объективов с постоянным фокусным расстоянием.

Более дорогие модели имеют постоянную диафрагму, например f / 2,8, что означает, что они могут снимать до f / 2,8 независимо от того, насколько сильно увеличен или уменьшен объектив. Однако более доступные версии имеют диапазон диафрагмы, например f / 4,5-5,6, поскольку объектив масштабируется через диапазон фокусных расстояний. Это означает, что через объектив проходит на одну или две ступени меньше света, и, следовательно, потребуется либо более длинная выдержка, либо более высокое ISO, либо увеличенное освещение.

Ключевые преимущества

  • Фотограф может делать снимки с разным фокусным расстоянием, сохраняя при этом одно и то же положение съемки.
  • Объектив подходит для случаев, когда смена объектива затруднена.Например, свадьба, в пыльных / песчаных / сырых местах или во время путешествия и при желании взять с собой минимум снаряжения
  • Снимает напряжение, возникающее при изменении положения перед последующими снимками

Телеобъектив

Фокусное расстояние : 70-600 мм

Идеальное использование : Спорт, дикая природа, боевик, автоспорт, портретная съемка

Объективы с большим фокусным расстоянием, телеобъективы используются для ощутимого приближения к объектам, удерживая камеру на большом расстоянии.Это особенно полезно при съемке дикой природы, поскольку позволяет фотографу запечатлеть животных, ведущих себя естественно, без помех. Спортивный фотограф сочтет, что телеобъективы имеют решающее значение для съемки событий на поле или на арене, обеспечивая при этом большой размер объекта и точку фокусировки в композиции. Некоторые фотографы-портретисты также предпочитают телеобъективы из-за заложенного в них сжатия перспективы. Кажется, что они «сглаживают» черты объекта и помогают изолировать объекты от фона, помогая им выделиться на изображении.Чем больше фокусное расстояние, тем меньше глубина резкости, и из-за этого телеобъективы часто создают красивое боке (элементы фона / переднего плана вне фокуса), которые улучшают некоторые изображения. Хорошие телефото часто бывают тяжелыми, большими и неудобными в переноске, поэтому их часто используют вместе с моноподами и штативами.

Ключевые преимущества

  • Фотографам не нужно передвигаться; они могут делать снимки, сохраняя одно и то же положение.
  • Избавляет от нежелательных деталей, создавая размытие на фоне окружающих изображений, но обеспечивает высококачественное четкое изображение объекта.
  • Уменьшает воспринимаемое расстояние, чтобы изображение выглядело ближе, чем должно быть.
  • Объектив со стабилизацией изображения помогает автоматически уменьшить вибрацию и дрожание внутри объектива, предотвращая размытие.

Макрообъектив

Фокусное расстояние : 45-200 мм

Идеальное использование : Детальная фотография (снимки природы, свадебные детали , продукты)

Настоящий макрообъектив воспроизводит объект на датчике изображения в натуральную величину, под которым мы понимаем размер объекта, который занимает в реальной жизни, будет тем, сколько места он занимает на датчике изображения при минимальной фокусировке. расстояние.Коэффициент воспроизведения часто называют 1: 1. Другие объективы с «макро» возможностями не являются настоящими макрообъективами и часто имеют коэффициент воспроизведения 1: 2–1: 4, что означает, что объекты занимают только половину или четверть своего фактического размера на датчике изображения. В то время как некоторые макрообъективы работают наоборот, заставляя их казаться больше для еще большей детализации, например 2: 1 или 5: 1. Чем больше коэффициент масштабирования, тем выше увеличение и, следовательно, тем больше деталей может быть записано камерой.

Ключевые преимущества

  • Превосходная резкость и качество изображения
  • Фокусировка на близком расстоянии означает, что маленькие объекты визуализируются с высоким уровнем детализации
  • Также хорош в качестве портретных объективов
  • Подходит для фотосъемки продуктов в студии или для съемки небольших диких животных на местоположение

Широкоугольный объектив

Фокусное расстояние : 24-35 мм

Идеальное использование : пейзажная, архитектурная и интерьерная фотография

Широкоугольный объектив обычно показывает более широкое поле зрения, чем человеческий глаз может.Поэтому любой объектив с фокусным расстоянием менее 50 мм обычно считается широким. Эти типы объективов подходят для любого фотографического жанра, несмотря на мифы, связанные с такими объективами. Но, как правило, фотографы используют широкоугольные объективы, чтобы уместить большую часть сцены и обеспечить контекст для объектов. Они могут страдать от искажения подушечки, когда прямые края кажутся изгибающимися к центру кадра, но прямолинейные линзы исправляют этот изгиб. Однако важно понимать, что чем ближе к краю кадра помещается объект и чем шире объектив, тем более искаженным будет объект.Широкоугольные объективы обычно меньше большинства объективов из-за меньшего фокусного расстояния, а также легче, чем другие объективы, что облегчает их использование в поездках. У них также есть неотъемлемая способность увеличивать глубину резкости изображения, поэтому при правильной фокусировке все будет выглядеть резким спереди назад.

Ключевые преимущества

  • Снимки содержат большую глубину и контекстную информацию из-за более широкого поля зрения
  • Он обеспечивает большую глубину резкости для более резких изображений спереди назад
  • Легкие линзы в меньших корпусах упрощают их использование носить
  • Отлично подходит для самых разных объектов

Ультра-широкоугольный

Фокусное расстояние : 8-24 мм

Идеальное использование : Спорт, пейзаж, наука и архитектурная фотография

В противном случае известный как супер Широкоугольные и сверхширокоугольные объективы не подходят для небольшого диапазона объективов, которые известны своим чрезвычайно широким полем зрения. Эти линзы также могут страдать подушкообразным искажением, при этом прямые края выглядят изогнутыми, но, как и у широкоугольных объективов, существуют прямолинейные версии, позволяющие сохранять прямые линии. Распространенное заблуждение, что все сверхширокоугольные объективы имеют «рыбий глаз». Хотя линзы типа «рыбий глаз» попадают в категорию сверхширокоугольных объективов, они очень конкретно пытаются включить как можно более широкое поле зрения, часто 180 градусов или больше. Их передние элементы сильно выступают перед корпусом объектива и никогда не дают прямых линий в кадре.Сверхширокоугольные объективы обычно страдают от выпуклости передних стеклянных элементов, что может затруднить фотографам, желающим использовать фильтрацию — иногда требуются дополнительные адаптеры. Они отлично подходят для съемки ночного неба и в ситуациях, когда требуется максимальное поле зрения, например, для научной, архитектурной или пейзажной фотографии.

Ключевые преимущества

  • Это полезно для научной фотографии, для определения солнечного излучения и наблюдения за геометрией растительного покрова
  • Широкое поле зрения делает их отличными для пейзажей
  • Идеально подходит для абстрактной фотографии
  • Полезно для астрофотографии

После развеивания нескольких мифов и некоторых технических рекомендаций, изложенных в этой статье, вы, надеюсь, теперь лучше понимаете, что делает каждый тип линз и как их использовать в своей сумке.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.