Виды оптических систем[править | править код]
Оптические системы разделяются на натуральные (биологические) и оптические системы, созданные человеком .
Оптические натуральные (биологические) системыправить | править код
Глаз, Оптические элементы: 1- деформируемый хрусталик, 2-управляемая диафрагма глаза, 3-сетчатка глаза, 4-изображение в глазу
К природным (биологическим) оптическим системам относятся системы, существующие в природе.
К оптическим биологическим системам относятся, например, глаза.
Переход от большего к меньшемуправить | править код
- Основная статья: Нанотехнология
Нанотехнологии подразумевают методы создания микроскопических устройств с помощью всё меньших и меньших инструментов либо соответствующих методов. Конструкторы и технологи стремятся создать меньшие устройства при использовании больших, чтобы их использовать в нужных решениях.
Много технологий начиная от обычных методов применения, например, кремния как твердого тела в настоящее время при изготовлении микропроцессоров теперь способны выполнять функции, присущие элементам меньших чем 100нанометров, благодаря новым нанотехнологиям. Гигантские накопители на жестких дисках на основе магнитосопротивления уже заменяются малогабиритными устройствами и при изготовлении и работе используются нанотехнологии от большего к меньшему с использованием метода смещение атомного слоя (ALD). Питер Грзаджк 0кснберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по Физике за открытия Гигантского магнитосопротивления и вкладов в область спинтроники в 2007 году.
Методы твердого тела могут также использоваться при создании устройств, известные как наноэлектомеханические (en:nanoelectromechanical, NEMS) системы — развитие с микроэлектромеханических систем (MEMS).
Субмикронная литография
Разрешение современных атомных силовых микроскопов позволяют внести химикат на поверхность в желательном образце в процессе, названном Субмикронная литография (то есть техника литографии исследования просмотра, где используется силовой микроскоп, чтобы передать молекулы поверхности через растворитель мениск. Эта техника позволяет копировать элементы поверхности с размерами до 100 нм). Это сочетается с нарастающим объёмом внедрения методов субмикронной литографии. Например, сосредоточенные ионные потоки могут непосредственно удалить материал (ионное травление), или внести материал на подложку.
Нанооптикаправить | править код
Наносреда из электромагнитно-двойных пар золотых точек
В наносозданной среде получен эффект взаимодействия электромагнитных волн с сильным магнитным ответом в зоне видимого спектра электромагнитных волн («видимых-легких частот»), включая полосу с отрицательным магнетизмом. Среда сделана из электромагнитночувствительных двойных пар золотых точек с геометрией и симметрией, тщательно разработанной на нанометрическом уровне. Возникающий магнитный ответ получен в зоне частот 600—700 ТГц (1012Гц), в диапазоне зелёный — часть фиолетового цветов получается благодаря возбуждению антисимметричного плазменного резонанса. Высокочастотная проходимость проявляет себя качественно с новым эффектом оптического взаимодействия в данных условиях применения нанотехнологий. Это впервые показывает возможность применения электромагнетизма в зоне видимых частот и прокладывает путь в видимой оптике для получения оптических систем с лучшими показателями преломления, прозрачности к определённым лучам света.
Оптические достижения (разработки)править | править код
К оптическим разработкам относятся открытия, изобретения, технологии (нанотехнология), используемые на практике, реализованные в оптическом оборудовании, оптических приборах, измерительной оптической аппаратуре, микроскопы, Медицинское оборудование, фототехника, оптические материалы, Медикобиологические оптические разработки, Оптические биоинженерные технологии и т. д.
К оптическим системам также относится элементная база сложніх устройств, єлементы оптических приборов часто называют оптическими деталями.
Оптические приборы (микроскопы, ультрамикроскопы и т. д.) предназначены для управления спектром видимых электромагнитных волн, световых лучей (фотонов) с целью получения нужного изображения для его рассмотрения или для анализа одного из множеств характерных свойств волны.
Распространённые оптические устройства[править | править код]
Nikon D90
Дихроические фильтры
Микроскоп
Световод
Бронхоскоп Видео
Протез сетчатки бионического глаза
Сложные устройстваправить | править код
- Общетехнические устройства
- Телескоп
- Микроскоп
- Ультрамикроскоп
- Спектроскоп
- Оптический измерительный прибор
- Видеоаппаратура
- Киноаппаратура
-
фототехника
- Фотоаппарат
- Объектив
- Светофильтр
- Дихроические фильтры
- Дихроическая призма
-
Медицинское оборудование
Бронхоскоп, Цистоскоп
-
Оптические биоинженерные технологии
Бионический глаз
Некоторые важные оптические системы и их элементыправить | править код
- Очки
- Бинокль и Подзорная труба
- Линза и Лупа
- призма
- Зеркало
- Диафрагма
- Прозрачная пластинка, пластинка в полволны, пластинка в четвертьволны
- Оптический клин
- Оптическая линейка
- Светофильтр
- Щели
- Поляризатор
- Дифракционная решетка
- Зонная пластинка
- Модулятор
- Оптические материалы
- Оптоволокно (Световод)
- Медикобиологические оптические разработки
- Спектроскоп
Спектральные аппараты.
Для наблюдения
спектров пользуются спектроскопом.
Наиболее
распространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, между
которыми помещают трехгранную призму (рис. 17).
В трубе А,
называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать
поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого
необходимо исследовать. Щель располагается в фокальной плоскости коллиматора, и
поэтому световые лучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя
через призму, световые лучи направляются в трубу В, через которую наблюдают
спектр. Если спектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра
с помощью специального устройства накладывается изображение шкалы с делениями,
что позволяет точно установить положение цветовых линий в спектре.
При
исследовании спектра часто бывает целесообразней сфотографировать его, а затем
изучать с помощью микроскопа.
Прибор для
фотографирования спектров называется спектрографом.
Схема
спектрографа показана на рис. 18.
Спектр
излучения с помощью линзы Л2 фокусируется на матовое стекло АВ,
которое при фотографировании заменяют фотопластинкой.
Фотоаппарат
Важнейшими
частями всех аппаратов являются фотокамера, объектив, устройство для фокусировки
объектива, видоискатель, затвор в лентопротяжный механизм. Более совершенные
фотоаппараты оснащаются дополнительно экспонометрическим устройством или
встроенным экспонометром, синхроконтактом, автоспуском и другими
приспособлениями.
В зависимости
от типа используемого фотоматериала все фотоаппараты подразделяют на плёночные
и пластиночные.
В зависимости
от системы видоискателя и способа фокусировки фотоаппараты бывают
дальномерные, зеркальные (одно и двухобъективные) и с простейшей фокусировкой
по шкале расстояний.
Оптические приборы. Глаз как оптическая система
Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.
Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.
Увеличение лупы рассчитывается по формуле:
где \( d_0 \) – расстояние наилучшего зрения, \( d_0 \) = 0,25 м.
Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.
Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.
Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:
где \( F_1 \) – фокусное расстояние объектива; \( F_2 \) – фокусное расстояние окуляра.
Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.
Предметы могут находиться на разных расстояниях.
Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.
Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.
Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.
Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.
На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.
Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.
Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.
Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.
\( \varphi \) – угол зрения.
Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.
Предел аккомодации – от \( \infty \) до 10 см.
Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:
Дефекты зрения
- Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
- Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.
Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.
Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.
Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.
Применение аппарата в школе
На биологии в 5 классе такие аппараты используются для исследования строения микроскопических тканей. В задачу учащихся включается требование подготовить прибор для работы. Для этого используются составляющие:
- основное стекло;
- накрывающее стекло;
- препаровальная игла;
- фильтровальная бумага;
- пипетка;
- игла.
На основное стекло с помощью пипетки наносится капля воды. Берется изучаемая живая ткань, отпрепарируется иглой в виде тонкой пленки и укладывается в каплю воды. Сверху ткань накрывается покрывным стеклом. При помощи фильтровальной бумаги убирается лишняя вода. Также нельзя допускать присутствие воздуха.
Исследование проводится со следующими тканями:
- Листьями деревьев и кустарников.
- Плесневелых грибов.
- Спор растений.
- Клеток живых организмов или растений.
Телескоп
Телескопы (зрительные трубы) предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз – обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двух типов:
-
Зрительная труба Кеплера, предназначенная для астрономических наблюдений. Одна дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтому неудобна для земных наблюдений.
-
Зрительная труба Галилея, предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямые изображения. Окуляром в трубе Галилея служит рассеивающая линза.
На рис. 6.1.3 изображен ход лучей в астрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, поэтому лучи от каждой точки удаленного предмета выходят из окуляра параллельным пучком. Такой ход лучей называется телескопическим. В астрономической трубе телескопический ход лучей достигается при условии, что расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний F= F1 + F2.
Зрительная труба (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением g. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом j, а при наблюдении через телескоп под углом y, то угловым увеличением называют отношение
|
Угловому увеличению g, как и линейному увеличению, можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубы Кеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.
Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусные расстояния:
|
3 |
Рисунок 6.1.3. Телескопический ход лучей. |
В качестве объектива в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматической аберрацией.
У нас в стране построен самый большой в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м. Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.
Лупа.
Одним из простейших оптических
приборов является лупа – собирающая линза, предназначенная для рассматривания
увеличенных изображений малых объектов. Линзу подносят к самому глазу, а
предмет помещают между линзой и главным фокусом. Глаз увидит мнимое и
увеличенное изображение предмета. Удобнее всего рассматривать предмет через
лупу совершенно ненапряженным глазом, аккомодированным на бесконечность. Для
этого предмет помещают в главной фокальной плоскости линзы так, что лучи,
выходящие из каждой точки предмета, образуют за линзой параллельные пучки. На
рис. 12 изображено два таких пучка, идущих от краев предмета. Попадая в
аккомодированный на бесконечность глаз, пучки параллельных лучей фокусируются
на ретине и дают здесь отчетливое изображение предмета.
Угловое увеличение.
,
где
2γ – угол зрения, при наблюдении через лупу;
2β — угол зрения, при наблюдении невооруженным глазом;
F – расстояние от предмета до лупы;
Z – половина длины рассматриваемого предмета.
Принимая во внимание, что через
лупу рассматривают обычно мелкие детали и поэтому углы γ и β малы,
можно тангенсы заменить углами. Таким образом, получится следующее выражение
для увеличения лупы = =
Следовательно,
увеличение лупы пропорционально 1 / F , то есть её оптической силе.
Проекционные устройства.
Для показа
зрителям на экране увеличенного изображения рисунков, фотоснимков или чертежей
применяют проекционный аппарат. Рисунок на стекле или на прозрачной пленке
называют диапозитивом, а сам аппарат, предназначенный для показа таких
рисунков, — диаскопом. Если аппарат предназначен для показа непрозрачных картин
и чертежей, то его называют эпископом. Аппарат, предназначенный для обоих
случаев называется эпидиаскопом.
Линзу, которая
создает изображение находящегося перед ней предмета, называют объективом.
Обычно объектив представляет собой оптическую систему, у которой устранены
важнейшие недостатки, свойственные отдельным линзам. Чтобы изображение предмета
на было хорошо видно зрителям, сам предмет должен быть ярко освещен.
Схема
устройства проекционного аппарата показана на рис.16.
Источник света
S помещается в
центре вогнутого зеркала (рефлектора) Р. свет идущий непосредственно от
источника S и отраженный
от рефлектора Р,
попадает на конденсор К, который состоит из двух
плосковыпуклых линз. Конденсор собирает эти световые лучи на
объективе О,
который уже
направляет их на экран Э,
где получается изображение диапозитива Д.
Сам диапозитив помещается между главным фокусом объектива и точкой, находящейся
на расстоянии 2
F
от объектива. Резкость
изображения на экране достигается перемещением объектива, которое часто
называется наводкой на фокус.
Микроскоп.
Прибор, позволяющий получить
большое увеличение при рассматривании малых предметов, называется микроскопом.
Простейший микроскоп состоит из
двух собирающих линз. Очень короткофокусный объектив L1 даёт сильно
увеличенное действительное изображение предмета P»Q» (рис. 13), которое
рассматривается окуляром, как лупой.
|
Обозначим
линейное увеличение, даваемое объективом, через n1, а окуляром через
n2, это значит, что = n1 и = n2
,
где P»Q» – увеличенное действительное
изображение предмета;
PQ – размер предмета;
Перемножив эти
выражения, получим = n1 n2 ,
где PQ – размер предмета;
P»»Q»»
— увеличенное
мнимое изображение предмета;
n1 – линейное увеличение
объектива;
n2 – линейное увеличение
окуляра.
Отсюда видно,
что увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и
окуляром в отдельности. Поэтому возможно построить инструменты, дающие очень
большие увеличения – до 1000 и даже больше. В хороших микроскопах объектив и
окуляр — сложные.
Окуляр обычно
состоит из двух линз объектив же гораздо сложнее. Желание получить большие
увеличения заставляют употреблять короткофокусные линзы с очень большой
оптической силой. Рассматриваемый объект ставится очень близко от объектива и
дает широкий пучок лучей, заполняющий всю поверхность первой линзы. Таким
образом, создаются очень невыгодные условия для получения резкого изображения:
толстые линзы и нецентральные лучи. Поэтому для исправления всевозможных
недостатков приходится прибегать к комбинациям из многих линз различных сортов
стекла.
В современных
микроскопах теоретический предел уже почти достигнут. Видеть в микроскоп можно
и очень малые объекты, но их изображения представляются в виде маленьких
пятнышек, не имеющих никакого сходства с объектом.
При
рассматривании таких маленьких частиц пользуются так называемым
ультрамикроскопом, который представляет собой обычный микроскоп с конденсором,
дающим возможность интенсивно освещать рассматриваемый объект сбоку,
перпендикулярно оси микроскопа.
С помощью
ультрамикроскопа удаётся обнаружить частицы, размер которых не превышает
миллимикронов.
Оптические материалы[править | править код]
- Основная статья: Оптические материалы
К оптическим материалам можно отнести прозрачные стёкла и светофильтры, полимеры с органическими красителями для квантовой электроники, материалы черного цвета для чернения поверхностей и герметизации фотодиодов, оптоволокно, эпоксидный компаунд для герметизации оптоэлектронных приборов, оптические клеи и т.д.
Оптические деталиправить | править код
Элементы оптических приборов называют оптическими деталями.
Любые детали приборов могут взаимодействовать со светом, но далеко не все являются оптическими, предназначенными для его изменения (корпус, винты, оправы линз). С другой стороны, совокупность беспорядочно разбросанных оптических деталей также не образует оптические детали. (Такие оптические детали участвуют при изготовлении приборов или существуют как запчасти).
Устройство и эволюция оптических систем[править | править код]
Первые оптические приспособления были относительно простыми, однокомпонентными (линза, лупа, зеркало, призма).
В современных оптических системах, в оптических приборах и устройствах, обычно можно выделить несколько подсистем, имеющих самостоятельное функциональное назначение. Чаще всего это объектив и окуляр (например, в микроскопе или зрительной трубе); коллиматор, диспергирующая система и камера в спектрографе. Эти оптические подсистемы, в свою очередь, можно делить на меньшие подсистемы, и так далее вплоть до оптических деталей, которые неразложимы с функциональной точки зрения, то есть являются элементами.
От камеры-обскуры — к моноклюправить | править код
Простейшая оптическая система — камера-обскура, в которой можно выделить экран (например, белую стену, холст, или лист бумаги) и небольшое отверстие, играющее роль объектива.
Триплетправить | править код
Эволюция оптических схем привела к появлению систем из трёх линз, благодаря чему удалось существенно скомпенсировать наиболее заметные аберрации. Наиболее известна схема Триплет – несимметричный объектив, состоящий из собирающей, рассеивающей, и задней собирающей линзы.
Диафрагма в триплетах обычно расположена перед задней линзой. Триплеты характеризуются заметным падением резкости при открытой диафрагме (почти как монокли), но при малых относительных отверстиях (ниже F/16) они дают хорошую резкость. Эти объективы были широко распространеты в середине ХХ века, их выпускали практически все оптические фирмы в качестве штатного (базового) фотообъектива.
Близкие понятия[править | править код]
Понятие оптическая система в русском языке традиционно несколько уже англоязычных понятий optical system и optical instrument.
Следует различать понятия ‘оптическая система’, ‘оптическая схема’ и ‘оптический прибор’.
Оптическая схема — графическое представление процесса изменения света в оптической системе. Кроме оптических подсистем на оптической схеме показывают излучатели и некоторые другие вспомогательные элементы.
Прибор называют оптическим, если хотя бы одна его основная функция выполняется оптической системой. Таким образом, наличие в приборе оптической системы служит необходимым, но не достаточным признаком оптического прибора. Например, добавление к логарифмической линейке лупы, облегчающей отсчет, не делает линейку оптическим прибором. Оптическая система является обязательной и необходимой частью оптических приборов, несмотря на то, что стоимость ее изготовления может быть сравнительно малой. Основные функции некоторых приборов выполняются не только оптической, но и другими системами: механической (нивелир, теодолит), электронной (телекамера).
Соответственно различают оптико-механические, оптико-электронные и другие комбинированные приборы.
Типы и разновидности оптических систем весьма разнообразны, однако обычно выделяют:
- изображающие оптические системы, которые формируют оптическое изображение
- осветительные системы, преобразующие световые пучки от источников света.
Линза и лупа
Основным элементом в любом оптическом приборе является линза. Она представляет собой стеклянный материал выпуклой или вогнутой формы. Падающие на стекло лучи преломляются и сходятся в одной точке. Это позволяет видеть объект в увеличенной форме.
Линза вставляется в оправу, которая бывает 3 видов:
- резиновая;
- пластиковая;
- металлическая.
Такое устройство называется лупой. Ей можно пользоваться, если не требуется рассматривать микроскопические ткани, поскольку изображение увеличивается только в 25−30 раз.
Существует несколько вариантов таких изделий:
- Штативная лупа. Прибор вставляется в специальную оправу для удобства использования.
- Ручной прибор. Часто к оправе приспосабливается ручка. С ее помощью можно рассматривать изображение, располагая прибор на нужном расстоянии.
- С компасом и подсветкой. Такой прибор распространен среди таежных работников для исследования лесной местности в ночное время.
- Карманная лупа. Складывающийся вариант с крышкой. Он удобен для постоянного ношения.
Физика 8 класс
«Высокая влажность воздуха» — Относительная влажность воздуха. Вред высокой влажности воздуха. Вред влажности воздуха для механизмов, машин. Вред влажности воздуха. Польза влажности воздуха. Средства устранения вреда влажности воздуха. Теплоотдача резко сокращается. Влажность воздуха. Специалисты в области экологии и здоровья человека. Влажность воздуха для человека. Абсолютная влажность воздуха.
««Количество теплоты» 8 класс» — Горячая вода. Энергия. Количество теплоты. Одинаковое количество теплоты. Вода. В чём измеряется количество теплоты. Изменения температуры. Теплоёмкость веществ. Удельная теплоёмкость цинка. Удельная теплоёмкость. Железный цилиндр.
««Строение атома» 8 класс» — Ключевое слово – фамилия известного русского химика и композитора. Фотороботы. Розыск. Опознание личности. Следователи – обрабатывают весь добытый материал. Экспертиза. Описание орудий преступления. Установление места преступления. Группа аналитиков важна в любой организации. Класс. Периодический закон. Строение атома.
«Воздействие ультразвука» — Влияние инфразвука на организм людей. Обезболивающее действие. С помощью ультразвука определяют расстояния находят пищу и обнаруживают врагов. Ультразвуковые волны влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций. Частота колебания Более 20000 Гц. Механические колебания. Планктоны. Ультразвук и инфразвук. Частота колебания Менее 20 Гц. Не воспринимается человеческим ухом. Ультразвуковые волны могут образовывать строго направленные пучки.
«Задачи по тепловым явлениям» — Определение теплопередачи. Дать определение количеству теплоты. Что происходит с веществом в процессе плавления. Работа газа при расширении. Дать полную характеристике удельной теплоте парообразования. Привести формулу расчета количества теплоты. Теплопроводность снега и льда. Способы изменения внутренней энергии. Опреление. Виды тепловых двигателей. Привести формулу расчета количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива.
«Развитие двигателей внутреннего сгорания» — Вариант инжекторного двигателя. Основные типы двигателей. Двигатель внутреннего сгорания. Рудольф Дизель. Самый мощный в мире дизель. Одна из разновидностей двигателей внутреннего сгорания. Этьен Ленуар. Современный инжекторный двигатель. 2-х тактный двигатель. Изучить историю создания и развития двигателей внутреннего сгорания. Дизельный двигатель. История развития двигателей внутреннего сгорания.
«Физика 8 класс»
Эта тема закрыта для публикации ответов.