Optika ČVUT FEL Sieger, 2012.

Prezentace na téma: "Optika ČVUT FEL Sieger, 2012."— Transkript prezentace:

1 Optika ČVUT FEL Sieger, 2012

2 Co se dozvíme Fermatův princip
Snellův zákon lomu, absolutní a relativní index lomu Hranol Zobrazovací rovnice čočky

3 Vlnové délky v rozsahu 360-780 nm
Geometrická optika Vlnové vlastnosti světla lze zanedbat => λ = 0 Platí Fermatův princip Vlnové délky v rozsahu nm

4 Zákon lomu a odrazu je důsledek Fermatova principu
Světlo se šíří mezi dvěma body po takové dráze, kdy čas průchodu je extrémní - nejkratší (nejdelší)

5 Odraz a lom světla Odraz a lom světla n1 sin n2 sin
Odraz a lom na rovinném rozhraní   n1 sin n2 sin n1 Frekvence světla se při průchodu rozhraním nemění: n2 Index lomu absolutní:  Vlnová délka: f f f Odraz na drsném rozhraní Charakteristická velikost nerovností je mnohem větší než vlnová délka  Taková rozhraní jsou důležitá pro zobrazování předmětů. drsný povrch matnice 5

6 Index lomu světla N1 …absolutní index lomu, je vztažen k rychlosti světla ve vakuu, tedy maximální možné n1…relativní index lomu je vztažen k rychlosti světla v daném prostředí (sklo/voda apod.) c0 … 3·108 ms-1, rychlost světla ve vákuu Typické hodnoty N1 = 1 pro vakuum N1 = 1,33 pro vodu N1 = 1,6-1,8 pro optická skla N1 = 2,5 pro diamant

7 Rozklad světla hranolem Index lomu je funkcí vlnové délky!!!
Index lomu světla není konstanta, ale funkce vlnové délky. Proto na hranolu rozkladem bílého světla dostaneme duhu a u čoček existuje barevná vada. Index lomu je funkcí vlnové délky!!!

8 Rozklad světla hranolem

9 Zobrazení čočkou Optická čočka není nic jiného, než soustava hranolů

10

11 Geometrická konstrukce obrazu
Tenká spojná čočka Konstrukční paprsky budeme kreslit modře, skutečné červeně y     P(x,y) f´>0 x<0 F´(f´,0) C(0,0) x F(f,0) f<0 P´(x´,y´) x´>0 Pravidla pro geometrickou konstrukci polohy obrazu (tenká čočka): 1) Paprsek rovnoběžný s osou se lomí do obrazového ohniska F’ 2) Paprsek jdoucí středem čočky nemění svůj směr 3) Paprsek procházející předmětovým ohniskem pokračuje rovnoběžně optickou osou. Kde se tyto paprsky protnou, tam je obraz P’ a prochází jím obrazová rovina ’. 11

12 Čočková rovnice Předmětová rovina Obrazová rovina předmět obraz
předmětová vzdálenost obrazová vzdálenost

13 Čočková rovnice

14 Newtonova zobrazovací rovnice
Čočková rovnice Newtonova zobrazovací rovnice

15 Obecná zobrazovací rovnice

16 Čočková rovnice Je-li před čočkou i za čočkou stejné optické prostředí (vzduch-vzduch) je ohnisko zleva i zprava stejné

17

18 Ohnisková vzdálenost čočky

19 Optické vady Koma

20 Optické vady

21 Optické vady

22 Optické vady

23 Optické vady

24 Optické vady

25 Barevná vada čočky Index lomu skla n je funkcí vlnové délky, proto má čočka pro různé barvy světla různá ohniska

26 Jednoduché optické přístroje
Zrcadlo, koutový odražeč Lupa Dalekohled Mikroskop Fotoaparát CD mechanika Web kamera

27 Obecná zobrazovací rovnice

28 Čočková rovnice Je-li před čočkou i za čočkou stejné optické prostředí (vzduch-vzduch) je ohnisko zleva i zprava stejné

29 Stejné jako čočka, jen chod paprsků je obrácený, proto znaménko +
Duté zrcadlo Stejné jako čočka, jen chod paprsků je obrácený, proto znaménko +

30 Duté zrcadlo a rozptylka Vzniká virtuální obraz
Stejné jako duté zrcadlo. Platí čočková rovnice, pozor na znaménka

31

32 Zvětšení příčné úhlové celkové tedy

33 Koutový odražeč Vrací paprsek do původního směru Dopravní značky
Odrazky Měření vzdálenosti Země – Měsíc Radarové odrazky na plachetnicích

34 Lupa zvětšení Konvenční pozorovací vzdálenost

35 Dalekohled × mikroskop

36 Dalekohled

37 Vše co je v ohnisku je ostré (záměrná osnova)
Dalekohled Vše co je v ohnisku je ostré (záměrná osnova)

38 Puškohled, zeměměřičské teodolity

39

40 Vstupní pupila a pohled přes klíčovou dírku
Vstupní pupila oka je 2-8 mm Pohled malou dírou (malá světelnost objektivu) omezuje pozorovací schopnosti Pohled velkou dírou (světelný objektiv) nás neomezuje

41 Značení dalekohledů 10 x 20 10x je zvětšení
20 mm je průměr vstupního čočky 10x20 (20:10= 2) pupila 2 mm pozorování ve dne 8x30 (30:8 ~ 4) pupila 4 mm pozorování pod mrakem 8x60 (60:8= 7,5) pupila 7,5 mm pozorování v noci

42 Mikroskop

43 Maximální zvětšení mikroskopu
Je funkcí vlnové délky. Nemůžeme dosáhnout řádově většího rozlišení než je velikost vlnové délky. U optických mikroskopů je to maximálně × Pro větší zvětšení se používají elektronové mikroskopy. Preparát je pokoven a ve vakuu. Světelný paprsek je nahrazen letícími elektrony, čočky jsou realizovány cívkami s nehomogenním magnetickým polem

44 Základní objektiv fotoaparátu
Při zachování pozorovacího úhlu okolo 50° platí, že základní objektiv fotoaparátu má ohniskovou vzdálenost, rovnající se úhlopříčce políčka filmu

45 Běžné formáty klasických fotoaparátů
Nejčastější kinofilmový formát políčko 24 × 36 mm úhlopříčka ~ 43 mm, f = 50 mm Starší 6 × 6 cm, úhlopříčka 85 mm, f = 85 mm 6 × 9 cm, úhlopříčka 108 mm, f = 110 mm Protože u digitálních fotoaparátů mají čipy různou velikost, vše se přepočítává vzhledem ke kinofilmu jako nepsanému standardu

46 Fotoaparát a teleobjektiv
Pro zobrazení ve stejné velikosti (úhlově) je třeba použít objektiv se základní ohniskovou vzdáleností Teleobjektiv zvětšuje (přibližuje) tolikrát, kolikrát se ohnisková vzdálenost základního objektivu vejde do ohniskové vzdálenosti teleobjektivu. Např. pro kinofilm je základní objektiv f = 50 mm. Má-li teleobjektiv f = 200 mm, tak zvětšuje 4 × . Širokoúhlé objektivy mají f < 50 mm, obvykle v rozmezí f = 28 – 38 mm

47 Expozice a citlivost filmu
Pro zaznamenání informace na čipu či filmu potřebuji energii. Ta je dána součinem intenzity světla a času, tedy expozicí. Při expozici mohu volit Citlivost filmu (100, 200, 400, 800 ASA American Standard Asociation), resp. (21, 24, 27, 30 DIN – Deutsche Industrie Norme). Rozumné hodnoty jsou 100 a 200 ASA, jinak narůstá zrno. Clonu (1,8; 3,6; 6,3; 12,6) relativní clonové číslo. Čím větší, tím menší otvor a větší hloubka ostrosti Čas (1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000) s. 1/60 s je nejdelší čas, který lze rozumně udržet v ruce.

48

49 Nastavení času, expozice
Nastavení clony Nastavení času, expozice

50

51 Teleobjektiv se zrcadlem
Světelnost, minimální clonové číslo (8) Ohnisková vzdálenost f = 500 mm

52 Snímače fotoaparátů Normální (základní) ohnisková vzdálenost je rovna délce úhlopříčky snímacího prvku. Vše se přepočítává na velikost políčka „kinofilmu“ 35 mm, tedy velikost políčka 2436 mm. Délka úhlopříčky je zhruba 50 mm. Teleobjektiv má delší ohniskovou vzdálenost než 50 mm. Např. f = 200 mm je 4  50 mm, tedy obraz 4  zvětší.

53 Anatomie fotoaparátu

54 Anatomie fotoaparátu Motorem ovládaný zoom objektivu USB konektor

55 Anatomie fotoaparátu Rozsah zoomu objektivu 5,8-17,4 mm. Nepřepočítaná ohnisková vzdálenost objektivu. Světelnost objektivu, relativní clonové číslo 2,8 - 4,9

56 Objektiv při pohledu směrem k focenému objektu
Elektromagnet ovládání závěrky Optika objektivu Ozubení motorem ovládaného zoomu objektivu. Zajišťuje jednak zaostření a jednak změnu ohniska (zvětšení).

57 CCD, snímací prvek fotoaparátu
Anatomie fotoaparátu CCD, snímací prvek fotoaparátu

58 Clony a závěrka fotoaparátu
Dvě clony vymezující světelnost 2,8 a 4,9. U levného fotoaparátu nejsou clony plynule nastavovány. Pohyblivé segmety závěrky

59 Anatomie fotoaparátu Transformátor měniče blesku Výbojka blesku
Vysokonapěťový kondenzátor blesku

60 CD mechanika Záznam laserem Výkon pro ROM vypalování do zlaté vrstvy
CD = 708 nm DVD = 650 nm HD DVD= 405 nm , blue ray Výkon pro ROM vypalování do zlaté vrstvy čtení P = 5 mW zápis P = 100 mW a více

61 WEB kamera Elektronika s objektivem. Průměr objektivu můžeme mít i jen 1 mm, tzv. „pin hole“ objektiv. Lze snadno konstruovat i špionážní techniku. Ohnisková vzdálenost objektivu je 3-6 mm. Aktivní plocha CCD čipu. Celou elektroniku lze vtěsnat na plochu menší než 11 cm.

62 CD mechanika

63 CD RW mechanika Při zápisu řízený ohřev na 200°C, nebo 600°C
Mění se tím struktura materiálu a tím odrazivost

64 Citlivost lidského oka

65 Barevný trojúhelník