prezentacja programu powerpoint - if.pwr.edu.plwozniak/optyka_instrumentalna_pliki/wyklad... · a...
TRANSCRIPT
OPTYKA INSTRUMENTALNA
Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak
Katedra Optyki i Fotoniki
Wydział Podstawowych Problemów Techniki
Politechnika Wrocławska
http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Pokój 18/11 bud. A-1
Wykład 6: PRZYRZĄDY OPTYCZNE I: lupa, aparat fotograficzny (obiektywy), projektory, kolimatory;
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Wprowadzenie
W poprzednim odcinku:
- Siatki dyfrakcyjne;
- Soczewki gradientowe;
- Aksikony;
- Soczewki dyfrakcyjne;
- Płytka strefowa Fresnela;
- Soczewki holograficzne, kinoformowe;
- Oko.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Lupa – najprostszy przyrząd, dający obraz prosty, pozorny, powiększony.
W zasadzie wystarczy pojedyncza soczewka
zbierająca (skupiająca) – ale w praktyce są to
układy bardziej złożone; często pełnią rolę
prostych okularów albo elementów okularów
(tych „najbliżej oka”).
Służy do bezpośredniej obserwacji małych,
blisko położonych przedmiotów.
Soczewki dające mniejsze niż trzykrotne
powiększenie nazywane są szkłami
powiększającymi.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Obserwując przedmiot „gołym” okiem, ustawiamy go zwykle w odległości dobrego
widzenia D=25 cm (CO TO I SKĄD TA WIELKOŚĆ?)
tan𝑤 =𝑦
−𝐷
Dwa skrajne punkty przedmiotu tworzą kąt w (zdolność rozdzielcza!):
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Gdy oglądamy przedmiot przez lupę, umieszczamy go w ognisku przedmiotowym lupy
albo między ogniskiem a lupą, blisko ogniska.
tan𝑤′ =𝑦′
−𝑠′ + 𝑠𝑧′
Teraz dwa skrajne punkty
przedmiotu tworzą kąt w’:
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Powiększenie wizualne lupy:
Γ =tan𝑤′
tan𝑤= −
𝑦′
𝑦
𝐷
𝑠𝑧′ − 𝑠′
Uwzględniając wzór soczewkowy i
zależności geometryczne:
Γ = −𝑓′ − 𝑠′
𝑓′
𝐷
𝑠𝑧′ − 𝑠′
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Jeśli przedmiot umieścimy w ognisku przedmiotowym lupy, a
oko będzie pracować bez wysiłku akomodacyjnego:
Γ =𝐷
𝑓′
Natomiast jeśli założymy, że obraz powstanie w odległości
dobrego widzenia D, a oko będzie tuż za (𝜟) lupą:
Γ = 1 +𝐷
𝑓′+Δ
𝑓′
(w praktyce pomiarowej, oko na dłuższa metę mniej męczy się bez
jakiejkolwiek akomodacji, a więc tak właśnie obserwujemy obraz przez lupę…)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Aperturę lupy ogranicza źrenica oka. Pole widzenia zależy od położenia oka względem lupy.
Ze względu na konstrukcję układu optycznego wyróżnia się rodzaje lup:- Lupa prosta – składająca się z jednej soczewki – powiększenie do 7x;
- Lupa aplanatyczna – składająca się z dwóch identycznych płaskowypukłych soczewek, wypukłościami skierowanymi
do siebie. Nieraz między soczewkami umieszczona jest specjalna przesłona. Koryguje aberrację sferyczną i komę –
powiększenie do 12x; (a)
- Lupa achromatyczna – składająca się z dwóch sklejonych ze sobą soczewek – dodatniej dwuwypukłej wykonanej ze
szkła kron i ujemnej wykonanej ze szkła flint. Koryguje aberrację chromatyczną i sferyczną – powiększenie do 20x;
(b)
- Lupa achromatyczno-aplanatyczna – składająca się z trzech, lub większej liczby soczewek. Koryguje aberrację
chromatyczną, sferyczną, dystorsję, oraz komę; (c)
- Lupa ortoplanatyczna – składająca się z trzech soczewek, dwóch dwuwypukłych, oraz umieszczonej między nimi
soczewki wklęsłej. Koryguje aberrację sferyczną, chromatyczną i dystorsję – powiększenie do 30x;
- Lupa astygmatyczna – składająca się przynajmniej z czterech soczewek. Koryguje aberrację sferyczną,
chromatyczną, dystorsję, komę, oraz astygmatyzm – powiększenie do 35x.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Lupa
Lupa aplanatyczna z podziałką ogniskową – podziałka ta umieszczona jest w płaszczyźnie ogniskowej
lupy, co umożliwia bezpośredni pomiar wielkości obserwowanego przedmiotu (przy ustawieniu oka „na
nieskończoność”).
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Aparaty fotograficzne
Aparat fotograficzny służy do odwzorowania przedmiotu na kliszy fotograficznej za pomocą obiektywu.
Przedmiot zwykle znajduje się daleko (tzn. odległość przedmiotowa jest dużo mniejsza niż ogniskowa
obiektywu) więc obraz powstaje tuż za ogniskiem obrazowym.
Obiektyw aparatu składa się na ogół z wielu soczewek. Umożliwia to skorygowanie wszelkich aberracji i
otrzymanie „wiernego” obrazu, który może być następnie powiększany („odbitki”).
Aperturę obiektywu fotograficznego ogranicza regulowana przesłona irysowa, która znajduje się zwykle
wewnątrz obiektywu (czyli gdzieś „pomiędzy” licznymi soczewkami, które go tworzą). O polu widzenia decyduje
wielkość kliszy.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Aparaty fotograficzne
Historycznie pierwszym układem „fotograficznym” była camera obscura.
Twórcą pierwszego obiektywu soczewkowego był Girolamo Cardano (ok. 1550 r.).
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Aparaty fotograficzne
Parametry obiektywów fotograficznych:- ogniskowa: 𝑓′
- otwór względny: 𝑂 =𝜙𝑧
𝑓′
- liczba przysłony (liczba otworowa): 𝑁 = Τ𝑓 # =1
𝑂=
𝑓′
𝜙𝑧
- jasność:𝜙𝑧
𝑓′
2
- zdolność rozdzielcza
- minimalna odległość przedmiotowa
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Aparaty fotograficzne
Głębia ostrości w aparacie fotograficznym:
Δ𝑝 =−𝑠
𝜙𝑧𝑓′𝑧Δ𝑦′
+ 1
Δ𝑡 =𝑠
𝜙𝑧𝑓′𝑧Δ𝑦′
− 1
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Aparaty fotograficzne
Podział obiektywów ze względu na ogniskową:- zmiennoogniskowe
- stałoogniskowe:
- standardowe
- szerokokątne
- wąskokątne
Podział obiektywów ze względu na zastosowanie:- teleobiektywy
- obiektywy makro (fotografowanie małych obiektów)
- rybie oko
- fotogrametryczne
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Najprostsze obiektywy – meniski dodatnie:
Przesłona aperturowa po stronie wklęsłej, mały otwór względny (1:15)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Układy symetryczne
"RR-Aplanat-text" by Paul1513, źródło en.wikipedia.org
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Pierwszy obiektyw „wyliczony w oparciu o teorię odwzorowania optycznego – Petzvala
Początkowo układ symetryczny; jeden z dubletów nie jest klejony, co daje dodatkowy parametr konstrukcyjny;
kąt polowy 2w=25°, otwór względny 1:3,4.
„Petzval-text" by Paul1513, źródło en.wikipedia.org
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Anastygmaty Protar i Dagor
Bogatszy asortyment szkieł optycznych umożliwił konstrukcję układów z małym astygmatyzmem, krzywizną
pola, mała dystorsją i zredukowaną aberracja chromatyczną.
Mały otwór względny (1:5,6) ale duża ostrość odwzorowania dla sporych kątów polowych.
Protar Dagor
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy typu Gaussaby Paul1513, źródło en.wikipedia.org
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy „rodziny” Gaussa:
Aristogmat – symetryczny układ dwóch obiektywów lunetowych typu Gaussa
Biotar – wersja rozwojowa aristogmatu, używany do dziś; duży otwór względny (do 1:0,6)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Aviotar – obiektyw do kartografii lotniczej (dobrze skorygowana dystorsja)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Rodzina trypletów Cooka (ale zaczął Taylor w 1884 r.)
Tryplet (anastygmat) Cooka – najprostszy obiektyw, w którym można skorygować
wszystkie aberracje trzeciorzędowe. Otwór względny do 1:3, kąt polowy 2w=60.
TessarHeliar
Sonnar
W udoskonalonych wersjach – najbardziej rozpowszechniony w
świecie obiektyw fotograficzny i projekcyjny!
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy szerokokątne:
Mają ogniskową znacznie mniejszą od przekątnej przysłony obrazowej.
Opracowane na potrzeby fotogrametrii i meteorologii.
Hypergon – zaprojektowany przez Hoegha; mały otwór względny 1:22, duże pole widzenia 2w=140.
Topogon, Russar – symetryczna budowa; jaśniejsze 1:6,3, ciągle duże pole widzenia 2w=100.
Rybie oko – duża dystorsja beczkowa;
mały otwór względny, bardzo duże pole
widzenia, nawet do 2w=200.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy szerokokątne:
Współczesne obiektywy typu rybie oko: pole widzenia do 2w=200, większe jasności.
by Paul1513, źródło en.wikipedia.org
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Teleobiektywy:
Obiektywy wąskokątne, dlugoogniskowe (zasadniczo powyżej 50 mm,
teraz 70 mm), o mocno „wyrzuconych” płaszczyznach głównych,
dzięki czemu mają mniejszą długość.
„Typtelelens” autorstwa Tamasflex, źródło en.wikipedia.org
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy zmiennoogniskowe (zoomy, tranfsokatory)
Zmianę ogniskowej uzyskuje się poprzez przesuw jednego lub kilku zespołów soczewek.
Przesuw ten powoduje zmianę powiększenia BEZ zmiany położenia płaszczyzny obrazowej
(ciągłe powiększanie obrazu, tzw. „najazd” stosowany w filmie i telewizji).
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy zmiennoogniskowe (zoomy, tranfsokatory)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Obiektywy
Obiektywy zwierciadlane i zwierciadlano-soczewkowe
A to aparaty fotograficzne tzw. lustrzanki – ale to zupełnie inna historia…
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Projektory
Projektory służą do odwzorowania przedmiotów na ekranie.
- Projektory kinowe – wyświetlanie filmów na dużym odległym ekranie);
- Rzutniki przeźroczy – „domowa wersja” powyższego;
- Powiększalniki – używane w fotografii;
- Projektory warsztatowe – a co to i po co?;
- Projektory folii – kiedyś używałem na wykładach… łza się w oku kręci;
- Projektory komputerowe – dzięki niemu widzimy teraz ten wykład!
- Projektory multimedialne – kombajn Bizon;
- Episkopy – nie mylić z episkopatem! – pokazują obrazy w świetle odbitym (duża moc!).
Działają jak aparaty fotograficzne, tylko „na odwrót” – stosunkowo mały „przedmiot” ma być
odwzorowany na duży ekran. Ważna jest więc nie tylko „ostrość” odwzorowania, ale też ilość
energii, która dotrze do tej dużej powierzchni ekranu!
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Projektory
Rzutnik przeźroczy = diaskop
Służy do pokazywania powiększonych obrazów
przeźroczy na ekranie.Źródłem światła jest żarówka halogenowa (czemu?).
Sferyczne zwierciadło L – po co?
Kondensor K tworzy obraz źródła światła w płaszczyźnie
źrenicy wejściowej obiektywu projekcyjnego Ob.
Ramka z przeźroczem O jest umieszczona tuż za
kondensorem – jej obraz tworzy się na ekranie E.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Projektory
Projektor warsztatowy
Służy do pokazywania na matówce E powiększonych obrazów małych,
skomplikowanych części mechanicznych O umieszczonych na stoliku S.
Powiększenie: 10x do 100x za pomocą wymiennych obiektywów (uchwyt
rewolwerowy).
Na matówce można umieścić szablon przedmiotu celem porównania bądź
wykonać rysunek przedmiotu na kalce.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Kolimator – przyrząd przetwarzający padające światło w równoległą wiązkę (skolimowaną) lub w wiązkę o
określonej zbieżności. Padający strumień może być rozbieżny, zbieżny lub może nie mieć ustalonej zbieżności.
Kolimator jest zwykle częścią składową większych przyrządów.(Wikipedia)
Kolimator – instrument optyczny tworzący obrazy punktów lub testów w bardzo dużej odległości; używa się
ich do pomiaru i kontroli charakterystyk różnych przyrządów optycznych. Składa się on z bardzo dobrze
skorygowanego, długoogniskowego obiektywu, w którego płaszczyźnie ogniskowej przedmiotowej znajduje się
płytka ogniskowa.(Hanc)
Kolimator – służy do wytwarzania „równoległych” wiązek światła. Znajduje zastosowanie w wielu układach
optycznych, jak np. przyrządach spektralnych i przyrządach do pomiaru ogniskowej i położenia płaszczyzn
głównych obiektywów.(Ratajczyk)
Kolimator = „urównoleglacz”?!
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Kolimator = „urównoleglacz”?!
Kolimator składa się z bardzo dobrze skorygowanego (na jakie
aberracje?) achromatycznego (rzadziej apochromatycznego),
długoogniskowego obiektywu Ob, w którego płaszczyźnie ogniskowej
przedmiotowej znajduje się płytka ogniskowa Pk.
Oba te elementy w najprostszym przypadku znajdują się w rurze,
przy czym oprawa płytki ogniskowej może być przesuwana w
płaszczyźnie prostopadłej do osi kolimatora (po co?).
Płytka ogniskowa może mieć postać:
- małego otworka – wtedy rzeczywiście pęk promieni wychodzących z
kolimatora ma postać wiązki równoległej;
- wąskiej szczeliny – jak wyżej, tylko łatwiejsza możliwość regulacji
szerokości;
- płytki szklanej z wytrawionym/naciętym rysunkiem/skalą – umożliwia
zastosowanie pomiarowe kolimatora.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Oświetlacz zapewnia równomierne oświetlenie płytki ogniskowej. Składa się on najczęściej z
dwóch płasko-wypukłych soczewek, zwróconych do siebie wypukłościami (kondensor).
Soczewki te powinny znajdować się jak najbliżej płytki ogniskowej .
(Zwrócić uwagę na umieszczenie oprawy obiektywu na przesuwnym gwincie – po co?)
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Jeśli nie stosujemy oświetlacza, to rurę kolimatora można zamknąć matówką (po co?). W
wielu przypadkach między oświetlacz a płytkę ogniskową wstawia się zielony (dlaczego
zielony?) filtr świetlny. Zamiast matówki można nałożyć na kolimator okular, nastawiony na
ostre widzenie płytki ogniskowej (w jakim celu?).
Rysunek płytki ogniskowej ustawia się w jego płaszczyźnie ogniskowej z dokładnością nie mniejszą niż
0,001 dioptrii (bo tak).
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Rysunek płytki ogniskowej kolimatora wykonuje się
zwykle metodą fotograficzną lub przez rysowanie na
warstwie srebra i trawienie kwasem lub też
napylanie (chromem) w aparaturze próżniowej.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Obiektywy kolimatorów muszą być doskonale skorygowane (na korekcję jakich aberracji
należy zwrócić szczególną uwagę?) a ich zdolność rozdzielcza w zakresie wykorzystywanego
pola powinna być równa teoretycznej.
Dla niewielkiego pola widzenia (2-3) używane są na ogół dwusoczewkowe obiektywy
aplanatyczne o sile światła od 1:12 do 1:8 i o ogniskowej 300, 1200 i 1500 mm.
Mimo niewielkiego pola widzenia kolimatora należy zwrócić uwagę na dobre skorygowanie
krzywizny pola, które może być źródłem paralaksy na brzegu pola.
Ogólną zasadą, która kierujemy się przy wyborze obiektywu kolimatora jest konieczność
stosowania obiektywu o dłuższej ogniskowej niż ogniskowa obiektywu przyrządu
sprawdzanego przy użyciu kolimatora. Im dłuższa ogniskowa obiektywu, tym „lepszą
nieskończoność” daje kolimator.
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Specjalny rodzaj kolimatorów: szerokokątne (pole widzenia 2w=30-45).
Kolimatorów tych używa się do:
- pomiarów kąta pola widzenia lunet;
- sprawdzania mechanizmów pomiaru kąta w przyrządach celowniczych;
- sprawdzania „martwych” ruchów przyrządach celowniczych;
- sprawdzania kątowej wartości działek w tychże przyrządach.
Kolimatory te muszą mieć bardzo dobrze skorygowane
wszystkie aberracje osiowe i pozaosiowe (w
szczególności dystorsję, krzywiznę pola i astygmatyzm).
Dr hab. inż. Władysław Artur WoźniakOptyka instrumentalna
Kolimatory
Ustawianie kolimatorów „na nieskończoność”:
1) Autokolimacja (patrz: lunety autokolimacyjne);
2) Obserwacja bardzo dalekiego punktu;
3) Metoda pentagonu i lunety;
4) Metoda trzech kolimatorów.
Można pokazać, że dokładność ustawienia
kolimatora „na nieskończoność” zależy od
wielkości źrenicy wyjściowej.
Ad. 3) Stosowana do ustawiania kolimatorów o dużej średnicy.