Optické zariadenia; Základné vedomosti z fyziky
Oko¶
Z hľadiska geometrickej optiky sa oko skladá zo šošovkového systému dvoch zbiehajúcich sa šošoviek - jednak zakrivenej rohovkovej vrstvy a jednak z očnej šošovky, ktorá sa môže deformovať kruhovým svalom. Obraz produkovaný šošovkami prebieha pozdĺž sietnice. Existujú senzorické bunky (tyčinky a kužele), ktoré absorbujú dopadajúce svetelné lúče a prenášajú príslušné signály do mozgu optickým nervom.
Schematická štruktúra oka.
Aby bolo možné obraz vnímať, musí sa na sietnicu dostať dostatočné množstvo svetla. Veľkosť zrenice riadi, koľko svetla dopadá do oka; Zornica sa zúži, keď do oka vstupuje príliš veľa svetla, a mohla by poškodiť senzorické bunky sietnice („adaptácia“). Svetelné lúče blokuje aj dúhovka, ktorá by inak zasiahla okraj šošovky a mohla by spôsobiť sférický obraz v dôsledku sférickej aberácie.
Dráha lúča a tvorba obrazu v oku.
Ako je zrejmé z priebehu svetelných lúčov v oku, šošovka oka vytvára na sietnici obrátený a obrátený obraz. Iba v mozgu dochádza k „premysleniu“ (nevedomky), ktoré zase vytvára vzpriamený obraz z prijatých obrazových signálov. [1]
Očná rohovka má refrakčnú schopnosť asi, refrakčná sila (uvoľnenej) očnej šošovky je asi. Ak je to potrebné, zvierač môže zvýšiť refrakčnú schopnosť očnej šošovky až pri pohľade na blízke objekty, čím sa táto schopnosť známa ako „akomodácia“ môže „len“ s vekom znižovať. V takom prípade sú okuliare vybavené konvergenčnou šošovkou nevyhnutné, aby ste boli schopní vidieť blízke objekty.
Ďalekozrakosť a krátkozrakosť
Takzvaná ďalekozrakosť alebo krátkozrakosť patria medzi najčastejšie zrakové chyby.
- Pri ďalekozrakosti je očná guľa „príliš malá“, takže obraz generovaný šošovkou oka je za sietnicou. V takom prípade môže vhodná konvergujúca šošovka poskytnúť prostriedok, ktorý zvýši lomivosť výsledného systému šošoviek alebo zníži jeho ohniskovú vzdialenosť.
Ďalekozrakosť s vizuálnou pomôckou a bez nej.
- Pri krátkozrakosti je očná guľa „príliš veľká“, takže obraz generovaný šošovkou oka je pred sietnicou. V takom prípade môže poskytnúť nápravu vhodný divergentný objektív, ktorý zníži lomivosť výsledného systému šošoviek alebo zvýši jeho ohniskovú vzdialenosť.
Krátkozrakosť s vizuálnymi pomôckami alebo bez nich.
Obidve zrakové chyby môžu byť vrodené, ak sa veľkosť očnej gule líši od „normálnej“ veľkosti. V prípade krátkozrakosti môže byť šošovka oka v prípade krátkozrakosti tiež zakrivená príliš ostro alebo príliš slabo.
V prípade ďalekozrakosti môže vekový pokles kruhového svalu alebo zatvrdnutie očnej šošovky viesť k slabej refrakčnej schopnosti očnej šošovky. V takom prípade už šošovka oka nemôže byť dostatočne zakrivená („prispôsobená“) na to, aby dokázala zobraziť zaostrené blízke objekty; v tomto prípade sa hovorí o „presbyopii“. Rovnako ako vrodená ďalekozrakosť sa dá kompenzovať konvergujúcou šošovkou s vhodnou refrakčnou schopnosťou.
Uhol pohľadu a rozlíšenie
To, ako veľký objekt je vnímaný, závisí od veľkosti jeho obrazu, ktorý sa vytvorí na sietnici. Veľkosť obrázka sa dá určiť graficky zakreslením stredových lúčov vychádzajúcich z objektu. Uhol, ktorý tieto lúče tvoria, sa nazýva pozorovací uhol.
Reprezentácia uhla pohľadu, pod ktorým sa pozorovaný objekt objaví na sietnici.
Čím menší je pozorovací uhol, tým menší je obraz sledovaného objektu na sietnici. Minimálny pozorovací uhol, ktorý je potrebný na to, aby sme mohli vnímať dva objektové body ako priestorovo oddelené od seba, sa nazýva rozlišovacia sila (optického zariadenia). V ľudskom oku je nevyhnutný pozorovací uhol asi jednej šesťdesiatiny stupňa (jedna oblúková minúta), aby sa stimulovali dva rôzne senzorické bunky na sietnici, a teda aby bolo možné vnímať dva objektové body oddelene od seba (vzdialenosť medzi senzorickými bunkami na sietnici je približne). Normálne vidiace oko dokáže zvyčajne vnímať dva body od seba vzdialené na vzdialenosť takzvaného jasného vizuálneho rozsahu.
Zorný uhol je možné určiť pomocou nasledujúceho vzťahu
Pre malé pozorovacie uhly platí približne v radiánoch a teda:
Jedným zo spôsobov, ako zväčšiť pozorovací uhol, je priblížiť sledovaný objekt k oku alebo naopak. Normálne vidiace oko dokáže zaostriť iba na vzdialenosť okolo; Okrem toho je táto napätá vízia vnímaná ako vyčerpávajúca po dlhšiu dobu. Ukázalo sa, že použitie optického prístroja, napríklad zväčšovacieho skla, je pre prezeranie malých predmetov pohodlnejšie. V takom prípade zväčšenie vyplýva zo skutočnosti, že sledovaný objekt sa s takouto pomôckou javí vo väčšom pozorovacom uhle. Zväčšenie optického zariadenia možno formálne definovať takto:
Keplerov ďalekohľad¶
Keplerov ďalekohľad („ďalekohľad“) sa v podstate skladá z veľkej, mierne zakrivenej konvergujúcej šošovky ako objektívu a relatívne malej, silnejšie zakrivenej šošovky ako okuláru. [2]
Keplerov ďalekohľad sa zvyčajne používa na pozorovanie objektov, ktoré sú veľmi ďaleko a ktoré sú ďaleko mimo dvojnásobku ohniskovej vzdialenosti objektívu. V takom prípade šošovka objektívu vytvára zmenšený, obrátený a obrátený obraz objektu vo vnútri ďalekohľadu. Toto sa pozerá zväčšené cez okulár, ktorý funguje ako zväčšovacie sklo. [3]
Dráha lúča v Keplerovom ďalekohľade.
Celkovo vedie Keplerov ďalekohľad k zväčšeniu, ktoré zodpovedá pomeru ohniskovej vzdialenosti objektívu k ohniskovej vzdialenosti okuláru:
(1) ¶
Okrem (relatívne malého) zväčšenia pozorovacieho uhla systém šošoviek Keplerovho ďalekohľadu zaisťuje, že celé množstvo svetla dopadajúceho na objekt je zamerané na podstatne menšiu šošovku okuláru a teda vnímané okom; obraz produkovaný ďalekohľadom sa javí jasnejší.
Minimálna dĺžka Keplerovho ďalekohľadu sa rovná súčtu ohniskových vzdialeností objektívu a okuláru, t. J. Dôvod je ten, že generovaný prechodný obraz je (len) mimo ohniskovú vzdialenosť objektívu a takmer na ohniskovej vzdialenosti okuláru.
Svetelný mikroskop¶
Vo svetelnom mikroskope sa na presvetlenie vzorky ležiacej na stole mikroskopu používa silný zdroj svetla umiestnený v podstavci mikroskopu. Na tento objekt sa pozerá cez systém dvoch zbiehajúcich sa šošoviek (objektív a okulár).
Vzdialenosť medzi sledovaným objektom a objektívom sa upravuje výškou stolíka mikroskopu tak, aby vzdialenosť medzi objektom a jednoduchou a dvojnásobnou ohniskovou vzdialenosťou objektívu. V tomto prípade objektív produkuje zväčšený, obrátený a obrátený obraz objektu vo vnútri tubusu.
Dráha lúča vo svetelnom mikroskope. Fialové šípky ukazujú veľkosť obrázka na sietnici alebo pozorovací uhol bez mikroskopu.
(Stredný) obraz generovaný objektívom sa pozerá cez okulár, ktorý funguje ako zväčšovacie sklo, s ďalším zväčšením. Celkové zväčšenie mikroskopu zodpovedá súčinu zväčšenia objektívu a okuláru.
Ďalekohľad Galileo¶
Galileovský ďalekohľad sa v podstate skladá z veľkej, mierne zakrivenej konvergujúcej šošovky ako objektívu a relatívne malej, oveľa silnejšie zakrivenej, rozbiehajúcej sa šošovky ako okuláru.
Dráha lúča v ďalekohľade Galileo.
Zvyčajne sa ďalekohľad Galileo používa na sledovanie objektov, ktoré sú veľmi vzdialené a ktoré sú ďaleko za dvojnásobkom ohniskovej vzdialenosti objektívu. Na rozdiel od Keplerovho ďalekohľadu sa však svetelné lúče spojené s objektívom objektívu nepretínajú; dopadajúce lúče sú skôr okulárom rozptýlené tak, že prebiehajú rovnobežne s pôvodnými lúčmi.
Galileovský ďalekohľad neprodukuje prechodný obraz, ale iba zväčšuje uhol pohľadu, pod ktorým sa objekt, na ktorý sa pozerá, objaví. Zväčšenie ďalekohľadu Galileo možno vypočítať - rovnako ako u Keplerovho ďalekohľadu - pomocou (kladných) ohniskových vzdialeností a dvoch šošoviek:
(2) ¶
Minimálna dĺžka Keplerovho ďalekohľadu sa rovná rozdielu medzi ohniskovými vzdialenosťami objektívu a okuláru, t.j. Dôvodom je to, že ohnisková vzdialenosť šošovky okuláru je zvolená tak, aby sa ohniskové body oboch šošoviek zhodovali. Týmto spôsobom sa svetelné lúče dopadajúce paralelne zase zobrazujú na paralelné lúče, keď prechádzajú ďalekohľadom.
Táto schopnosť ešte nie je k dispozícii u novorodencov v prvých dňoch života; trvá asi týždeň, kým mozog „správne“ spracuje zmysly oka.
Pomocou takzvaných „obrátených okuliarov“ možno v neskoršom veku experimentálne vytvoriť aj opačné skúsenosti.
Pre túto časť existujú cvičenia .