ТЕМА 7. СМЕННЫЕ ОБЪЕКТИВЫ

Для изготовления оптических деталей применяется специальное оптическое стекло. Стекло изготавливается из оксида кремния (SiO2) при добавлении различных примесей (различные металлы и др.). В зависимости от примесей стекло может приобретать разные оптические свойства.

Показатели качества стекла.

1. Оптическая однородность. Определяет однородность стекла по всей своей массе, то есть стекло по всей своей массе должно иметь одинаковые характеристики.

2. Бесцветность. Определяет отсутствие в оптическом стекле свилей и других нитевидных включений.

3. Пузырность. Определяет отсутствие в массе стекла пузырьков воздуха.

4. Светопоглащение. Определяет, какое количество светового потока пропало при прохождении через стекло. Эта характеристика определяется коэффициентом светопоглащения.

Из оптического стекла изготавливаются плоскопараллельная пластина, оптический клин, призма, зеркала, линзы.

Плоскопараллельная пластина представляет собой поверхность, ограниченную двумя параллельными поверхностями (листовое оптическое стекло). Применяется при изготовлении светофильтров, контактных и прижимных стекол.

Клин представляет собой оптическую деталь в сечении напоминающую остроугольный треугольник. Применяется в дальномерах, системах отражения и т. д.

Призма – это оптическая деталь, напоминающая в сечении трапецию. Призмы бывают отражательные, спектральные, разлагающие.

Зеркала бываю плоские и сферические. Применяются в качестве отражающих деталей.

Линзы представляют собой деталь, у которой хотя бы одна поверхность является поверхностью тела вращения. Обычно это диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями — сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и так называемые «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

В зависимости от форм различают собирательные (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы (рис. 7.1.). К группе собирательных линз относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно, только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде —

Собирающие линзы:

1 — двояковыпуклая;

2 — плоско-выпуклая;

3 — вогнуто-выпуклая (положительный мениск).

Рассеивающие линзы:

4 — двояковогнутая;

5 — плоско-вогнутая;

6 — выпукло-вогнутая (отрицательный мениск).

Рис. 7.1. Виды линз

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием. Оптическая сила – это величина обратная фокусному расстоянию. 1 диоптрия = 1/100см.

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Главная оптическая ось линзы - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу (NN на рис. 7.2.);

Оптический центр линзы - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре) (О на рис. 7.2.).

Ход лучей на рис. 7.2. показан, как в идеализированной (плоской) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела фаз. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы.

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу, не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется главным фокусом F’, а расстояние от центра линзы до главного фокуса — главным фокусным расстоянием.

Рис. 7.3. Мнимый фокус рассеивающей линзы

Сказанное о фокусе на главной оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на побочной или наклонной оптической оси, т. е. линии, проходящей через центр линзы под углом к главной оптической оси.

Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси, расположенная в главном фокусе линзы, называется главной фокальной плоскостью, а в сопряжённом фокусе — просто фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от центра линзы.

Свойства тонкой линзы. 1. Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления. 2. Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

Рис. 7.4. Построение изображения тонкой собирающей линзой

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A1B1, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым. В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки (рис. 7.5.).

Рис. 7.6. Расстояние превышает двойное фокусное

Рис. 7.7. Расстояние равно двойному фокусному

Рис. 7.8. Расстояние между передним фокусом и двойным фокусным

Рис. 7.9. Предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы

Рис. 7.10. Расстояние меньше главного фокусного

Объектив – это сложное оптико-механическое устройство, предназначенное для построения оптического изображения.

Объектив состоит из оправы, оптических деталей, узла диафрагмирования и узла фокусировки.

Оправа предназначена для обеспечения точного взаимного расположения оптических деталей, а также для сбора остальных устройств в единое изделие. Оправа изготавливается из лёгких металлов и пластмасс. На оправу нанасятся название объектива, его фокусное расстояние и светосила. Например, «Гелиос 44-6 58/2» (Гелиос 44 – конструкция объектива; 6 – модификация объектива; 58 – фокусное расстояние, ½ - светосила). Также на оправе имеется шкала расстояний, шкала относительных отверстий, шкала глубины резкости. В некоторых объективах может быть шкала фокусных расстояний.

В качестве оптических деталей в основном используются линзы. Лишь в некоторых объективах внутри имеются зеркала. Такие объективы называются зеркально-линзовыми.

Диафрагменное устройство рассмотрено в теме 5.

Механизм фокусировки – представляет собой кольцо фокусировки, вращая которое объектив раздвигается либо сжимается, двигаясь по установленной внутри многозаходной резьбе. При раздвижении объектива меняются его оптические параметры, что позволяет в фокальной плоскости строить резкое изображение предметов, находящихся на определённом расстоянии и от фотоаппарата (см. тему 2).

Конструктивные характеристики объективов. Объектив является собирающей системой, поэтому многие характеристики аналогичны характеристикам собирающей линзы.

1. Переднее и заднее фокусное расстояние, f.

2. Угол поля изображения объектива 2ω. Определяет какая часть пространства будет охвачена объективом для проекции на фокальную плоскость.

3. Переднее и заднее вершинное фокусное расстояние.

4. Рабочий отрезок – расстояние от опорной поверхности объектива до заднего фокуса. У объективов, принадлежащих к одному фотоаппарату рабочий отрезок должен быть одинаковым.

5. Диаметр входного зрачка – апертура (диаметр отверстия диафрагменного устройства).

6. Диаметр выходного зрачка – диаметр заднего корпуса объектива.

7. Геометрическое относительное отверстие – отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию (формула 7.1.).

Двход / f = 1/ n, (7.1.)

Где n – диафрагменное число (значение, которое обозначается на шкале диафрагм).

Пример. Относительное отверстие ½ соответствует установке кольца диафрагмы на значение 2 и означает, что диаметр входного отверстия в 2 раза меньше фокусного расстояния.

Фотометрические характеристики объективов.

1. Светосила – эта характеристика определяет способность объектива создавать определённую освещённость в зависимости от яркости снимаемого объекта. Максимальной светосилой объектива является максимальное значение относительного отверстия. Светосила прямо пропорционально зависит от диаметра входного отверстия и обратно пропорционально - от фокусного расстояния объектива.

2. Равномерность освещения поля кадра – эта характеристика зависит от угла поля зрения объектива. Чем больше угол поля изображения, тем равномерность хуже. Соответственно, узкоугольные объективы создают хорошую равномерность освещения, а широкоугольные – худшую равномерность освещения.

Характеристики качества изображения объективов.

1. Частотно-контрастная характеристика. Выражает зависимость контраста изображения от величины снимаемого объекта. Мелкие детали на изображении, как правило, меньшего контраста. Это связано со светорассеиванием в объективе и появлением ореолов вокруг светлых деталей. Соответственно, чем меньше деталь, тем сильнее указанные недостатки оказывают на неё воздействие. Эта характеристика определяется с помощью штриховых мир. Ми́ра — испытательная пластинка с нанесённым на неё стандартным рисунком в виде полос или секторов. На штриховой мире рисунок образован чередующимися тёмными и светлыми прямоугольными полосками с закономерно изменяющейся частотой.

2. Разрешающая способность объектива. Показывает сколько объектив может передать раздельно мелких деталей изображения на определённой площади. За единицу площади принимается 1мм и, соответственно, высчитывают количество штрихов (черных и белых), которые объектив может передать без смаза изображения. Определяется также с помощью штриховых мир. Количественно эта характеристика определяет количество линий раздельно читаемых на одном изображении (линии на мм).