Optične naprave

Optične naprave temeljijo na optičnih preslikavah, ki jih omogočajo leče in zrcala .

Uporabljamo jih lahko, da si izboljšamo vid (očala). Omogočajo opazovanje bližnjih majhnih predmetov (lupa, mikroskop) ali zelo oddaljenih predmetov (daljnogled). Omogočajo zajemanje slik (fotoaparat, kamera) in projekcijo slik ali filmov na veliko platno (projektorji).

V nadaljevanju bomo spoznali osnove omenjenih optičnih naprav.

Človeško oko je že samo po sebi optična naprava. Očesna leča preslika predmet na mrežnico, ki je v ozadju očesnega dna. Mrežnica ima za svetlobo obučutljive celice, s pomočjo katerih zaznamo sliko. Slika, ki jo dobimo na mrežnici je realna, pomanjšana in obrnjena - občutek pokončne slike ustvarijo centri za vid v možganih.

Očesna leča je sposobna na mrežnico preslikati različno oddaljene predmete. Mišice ob lečah namreč vsakokrat oblikujejo lečo tako, da se ji spreminja goriščna razdalja. Če gledamo zelo oddaljene predmete, ko so vpadni žarki vzporedni, je goriščna razdalja f enaka razdalji med lečo in mrežnico b. Pri bližnih predmetih se goriščna razdalja zmanjša - radij krivine očesne leče se zmanjša. Na mrežnici ponovno dobimo ostro sliko.

Zdravo človeško oko se je sposobno prilagajati na predmete, ki so zelo oddaljeni in tudi bližnje predmete - vse do razdalje 25 cm. Predmete na še manjši razdalji človeško oko ne more izostriti.

Včasih vidimo ostro oddaljene predmete, bližnjih pa ne. Pravimo, da smo daljnovidni. Nasprotno, če vidimo ostro bližnje predmete, oddaljenih pa ne, je to kratkovidnost. V obeh primerih potrebujemo očala. Kakšna očala potrebujemo, bomo pokazali v naslednjih dveh podpoglavjih.

Korekcijo daljnovidnega očesa bomo najlaže spoznali na primeru.

Kratkovidno oko vidi ostro samo bližnje predmete. Slika oddaljenih predmetov se preslika pred mrežnico. Potrebujemo očala z razpršilno lečo - glej primer.

Z zdravim očesom vidimo ostro predmete, ki so oddaljene vsaj 25 cm. Kako velika bo slika na mrežnici, določa enačba leče:

Velikost slike na mrežnici je odvisna od velikosti tangensa zornega kota in razdalje med očesno leča in mrežnica b (na b ne moremo vplivati).

Brez lupe velja:

Zorni kot opazovanja bi povečali, če bi predmet postavili še bliže očesu. Na žalost v tem primeru slika ne bi bila več ostra.

Pomagamo si z lupo. Predmet postavimo na goriščno razdaljo konveksne leče, ki jo imenujemo lupo. Slika predmeta se pojavi v neskončnosti, žarki so po lomu vzporedni - glej Optična preslikava - leče. Predmet sedaj vidimo pod zornim kotom (glej slika 3):

Razmerje med tangensoma obeh zornih kotov je ojačanje lupe:

Fotoaparat sestavlja objektiv (leča na sliki 4), zaklopka, zaslonka in tipalo, s katerim zajemamo sliko (lahko je tudi film).

Najpomembnejši del fotoaparata je objektiv. Najbolj preprost objektiv je konveksna leča. Objektiv je gibljiv - menjamo razdaljo med lečo in tipalom tako, da je slika na tipalu (ali filmu) ostra ne glede na oddaljenost predmeta.

Zaklopka omogoča osvetlitev tipala za nastavljen čas.

Zaslonka širi ali oža snop svetlobe, ki prehaja skozi objektiv. Odprtost zaslonke je na fotoaparatu izpisana kot razmerje med goriščno razdaljo f in premerom zaslonke d.

Tipalo pri digitalnih aparatih ali film pri analognih aparatih zajema sliko. Tipalo ima določeno velikost in je sestavljeno iz velikega števila na svetlobo občutljivih elementov. Če je svetlobni snop ožji od velikosti slikovnega elementa, ga bo tipalo zaznalo kot en sam žarek. Slika bo ostra.

Na klasičnem filmu vzamemo namesto velikosti slikovnega elementa velikost zrna filma.

Večji slikovni element pomeni večjo globinsko ostrino, kar bomo spoznali v naslednjem podpoglavju. Večanje velikosti slikovnega elementa pomeni pri isti velikosti tipala manjšanje njihovega števila in s tem ločljivosti slike - to je velikost najmanjšega predmeta, ki ga še lahko razločimo. Kakovostni fotoaparati imajo zato veliko tipalo in razumno veliko slikovnih elementov.

Globinska ostrina pomeni, koliko se lahko razlikujeta oddaljenosti dveh predmetov od fotoaparata, da bo slika obeh predmetov na tipalu ostra. Ugotovili smo že, do bo slika ostra, če se bo posamezna točka predmeta preslikala na tipalo kot krog s premerom manjšim od velikosti slikovnega elementa .

Od česa zavisi globinska ostrina?

Vzemimo primer, da je fotoaparat nastavljen na neskončno. Iz tega sledi, da bodo zanesljivo ostro preslikani zelo oddaljeni predmeti. Kolikšna pa je najmanjša razdalja predmeta, da bo njegova preslikava še ostra - nenatančnost preslikave bo manjša od velikosti slikovnega elementa?

Najprej preslikamo na tipalo zelo oddaljen predmet. Žarki pred objektivom so vzporedni in se za objektivom sekajo v gorišču leče, kjer se nahaja tipalo.

Sedaj postavimo točkasto svetilo na razdaljo a od objektiva. Objektiv je še vedno nastavljen na neskončno, zato se slika na tipalu razmaže na velikost (glej sliko 4).

Iz podobnih trikotnikov na sliki 4 razberemo, da velja:

Še enkrat izrazimo s pomočjo enačbo leče:

Izenačimo desni strani enačbe (5) in (6):

Projektor preslika prosojno sliko (film, diapozitiv) na platno. Slika je običajno močno povečana, da pa bo tudi dovolj svetla, moramo imeti močan vir svetlobe. Če ga postavimo preblizu filma, lahko pride do pregrevanja.

Pomembno je, da je vir svetlobe zadosti ločen od predmeta (filma). Postavimo ga v gorišče konkavnega zrcala - slika 5. Odbiti vzporedni žarki in direktni žarki vpadajo na lečo, ki ji pravimo kondenzator. Svetilo je v gorišču kondenzatorja tako, da je na drugi strani leče paralelni snop svetlobe. Na ta način dosežemo, da je film, ki je postavljen za kondenzatorjem dovolj osvetlen in da se ne pregreva.

Za samo preslikavo uporabimo konveksno lečo. Imenujemo jo objektiv. Predmet (film) naj bo dovolj blizu gorišča leče, da bo slika povečana, realna in obrnjena.

Za izračun projektorja uporabimo enačbi leče.

Daljnogled sestavlja objektiv in okular (lupa) - slika 6. Objektiv je konveksna leča z veliko goriščno razdaljo f. Okular ima majhno goriščno razdaljo f. Oddaljeni predmet opazujemo preko okularja.

Povečavo daljnogleda določa razmerje med tangensom zornega kota, pod katerim bi videli oddaljeni predmet brez daljnogleda, in tangensom zornega kota, pod katerim vidimo predmet s pomočjo daljnogleda. Tangense kotov razberemo s slike 6 (pri objektivu je zaradi razvidnosti slike narisan samo središčni žarek).

Povečava pa je:

Mikroskop je po sestavi podoben daljnogledu. Predmet, ki ga želimo opazovati, položimo pred objektiv (konveksna leča) na razdaljo, ki je le malo večja od goriščne razdalje objektiva. Realna, povečana in obrnjena slika se pojavi na razdalji b na drugi strani objektiva. Sliko opazujemo skozi okular - lupo.

Povečavo mikroskopa določamo podobno kot povečavo lupe: primerjamo tangens zornega kota, pod katerim vidimo predmet skozi mikroskop s tangensom zornega kota, če bi ga gledali s prostimi očmi na razdalji 25 cm - bliže ne moremo, ker bi dalo oko neostro sliko.

Predmet gledamo najprej s prostimi očmi:

Preko okularja ga vidimo pod zornim kotom - slika7:

Povečava pa je:

Primerjajmo podobna trikotnika na levi strani objektiva (na strani predmeta):

Dobljeno enačbo vstavimo v enačbo za povečavo in dobimo:

Povečava mikroskopa bo tem večja, čim večja bo goriščna razdalja objektiva, čim bliže bo opazovan predmet goriščni razdalji objektiva in čim manjša bo goriščna razdalja okularja.