Оптические системы записи и наблюдения информации

Любой оптический прибор строится из одной или набора линз. Качественный объектив состоит из огромного количества разных линз (их может быть до 10шт., больше бывает редко). Любая линза построена с помощью сферических поверхностей.

Большие телескопы строятся по зеркальной схеме, хотя она и является неудобной.

Если предмет находится очень далеко, то нужно увеличить f (, если две плоскости).

- формула линзы.

Вывод формулы:

α – угол падения,

n– показатель преломления,

β – преломленный угол.

Если собирающую (в воздухе) линзу поместить в глицерин, то она будет рассеивающей, т.к. показатели преломления меняются местами.

Если , то

- для тонкой линзы и с постоянным соотношениемnиn₀.

мнимое изображение

,D– апертура (диаметр),f– фокус.

Разрешение оптической системы определяется следующим образом: сколько штрихов можно различить на 1мм, причем со 100%-ой контрастностью.

Разрешающая способность , гдеК– количество штрихов на 1мм.

Разрешающая способность оптической системы может приближаться к дифракционному пределу.

, т.е. 1000 штрихов на 1мм разрешающая способность «мыльницы» (на самом деле в лучшем случае «мыльница» различает не более 100 штрихов на 1мм).

Для качественного объектива , у качественного объектива.

На самом деле на разрешающую способность очень сильно влияет та система, которая помещается в область регистрации информации. В общем случае возникает взаимодействие регистрирующего материала и оптической системы, и этим взаимодействием определяется разрешающая способность.

Разрешающая способность стандартных фотопленок составляет 200-400 линий на 1мм, однако, увеличение разрешающей способности приводит к уменьшению чувствительности пленки.

На пленках пишется чувствительность к свету, т.е. чем больше число на пленке (например, 400), тем в более плохо освещенных местах можно снимать, но при этом ухудшается качество изображения.

Цифровые камеры построены на основе матрицы (фотоэлемент, разбитый на ячейки); здесь используется поточечное снятие информации. Существующие матрицы имеют малую разрешающую способность, каждая ячейка ~ 10микрон, т.е. разрешающая способность ~ 100 линий на 1мм.

Для голографии необходимы материалы разрешением не менее 10³мм^-1. Современные голографические материалы обладают разрешением 10⁴мм^-1, но чувствительность их очень мала. Чтобы записывать информацию на такие носители, нужен когерентный источник света очень большой мощности.

Любая оптическая система обладает так называемыми искажениями при построении изображения, эти искажения называются аберрациями.

Виды аберраций:

1. хроматическая(свет представляет из себя набор длин волн). При взаимодействии электромагнитных волн с материалом возникает явлениедисперсии, т.е. разложение света.

Показатель преломления материала ,

ε– диэлектрическая проницаемость среды,

μ – магнитная проницаемость среды;и- тензоры.

- функции отλ.

Проходя через призму, луч света разбивается на составляющие.

Линза, которую в пределе можно рассмотреть как призму.

При хроматической аберрации точка превращается в радужное пятно.

Уменьшить хроматическую аберрацию можно добавлением рассеивающей линзы.

2. сферическая

Если в каждой точке построить свою призму.

Чтобы построить хороший объектив, нужно взять большую апертуру.

3. кома

нарушение симметричности в изображении точки для наклонных углов падения.

Чтобы уменьшить кому, необходимо ограничить объектив.

4. астигматизм

связан с тем, что построить оптическую систему идеально сферической очень сложно, всегда возникает искажение, т.е. не будет сферы. Такая оптическая система будет иметь разные фокусы.

От наклонного изображения получается два четких изображения (две плоскости), т.е. как бы получится «двойное» изображение, что тоже приводит к ухудшению разрешающей способности.

5. дисторсия

связана с изменением геометрического подобия между предметом и изображением.

Чем больше объектив, тем больше дисторсия.

6. аберрация кривизны поля

плоскость в области предмета переходит в поверхность высших порядков в плоскости изображения.

Поверхность не менее второго порядка.

Широкоформатные (панорамные) объективы: изменяется резкость по краям, искажается передача предметов (кривизна). Чтобы этого не было, зная кривизну поля, пленку располагают по кривой поверхности.

Зная кривизну поля, можно найти действительное расположение фокальной плоскости.

В дверном глазке очень большой обзор, но аберрации не убраны.

Все объективы обладаютуглом поля зрения– тот телесный угол, под которым этот объектив может построить качественное изображение. Чем дальше от центра, тем больше искривлений, поэтому ограничивается угол поля зрения для получения качественного изображения.

Размер кадра на пленке, а, следовательно, и размер самой пленки стандартны (кадр 24*36мм).

У оптической системы существует такое свойство, как глубина резкости.

В точках 1, 2, 3изображение будет одинаковым, т.к.хразличается незначительно.

Δх– глубина резкости.

Область Δхдовольно растянута в пространстве.

- формула построения изображения в пространстве

Для b₁ иb₂можно рассчитатьа₁иа₂.

Глубина резкости зависит от апертуры, если fуменьшается, то глубина резкости увеличится. «Мыльницы» имеют большую глубину резкости, поэтому не нужно настраивать фокус. Чем качественней объектив, тем меньше у него глубина резкости.

Каждый объектив, кроме угла поля зрения и глубины резкости, обладает еще так называемым рабочим расстоянием.

d– рабочее расстояние

Не у всех фотоаппаратов рабочее расстояние стандартизировано. Фокусное расстояние меняется, а рабочее расстояние постоянно.

У цифрового фотоаппарата вместо пленки – ПЗС-матрица, состоящая из фоточувствительных элементов (5-11млн), к каждому из которых подводится управляющий сигнал. Снимается сразу весь кадр и «забрасывается» в память. В цифровых аппаратах при такой схеме никакого искажения нет. Если окуляр отдельно от объектива и нет LCD-экрана, то могут получаться искажения. В зеркальных фотоаппаратах ставится откидывающееся зеркало для поворота изображения.