21.3.2013

1

Optické přístroje

úvod

Rozdělení • přístroje zobrazovací

– obraz zdánlivý – subjektivní přístroje

• lupa

• mikroskop

• dalekohled

– obraz skutečný – objektivní přístroje

• fotoaparát

• projekční přístroje

• přístroje laboratorní (slouží k měření) – spektrometry, spektroskopy – zkoumání

rozloženého světla (vlastnosti zdroje)

• složení hvězd

– refraktometry (měření indexu lomu)

– interferometry (využití interference)

• měření vzdáleností

• koncentrace plynů

– polarizační přístroje (zkoumání vlastností látek v polarizovaném světle)

• koncentrace bílkovin v roztocích

– fotometrické přístroje (měření intenzity světla)

• účelem optických přístrojů je zvětšení zorného úhlu – lze pak pozorovat předměty pro „neozbrojené oko“ příliš vzdálené (dalekohled) nebo příliš malé (lupa, mikroskop)

• oko dokáže z konvenční zrakové vzdálenosti (d=25 cm) rozlišit dva body vzdálené 0,08 mm

• určete zorný úhel tomu odpovídající – výsledek 1‘ (jsme schopni pozorovat předměty pod

zorným úhlem 1‘)

• z této hodnoty určete, jak velký je ještě rozpoznatelný předmět vzdálený 1 km – 32 cm

Lupa

• spojka s ohniskovou vzdáleností menší než je konvenční zraková vzdálenost (f < d)

• jaká je tedy optická mohutnost takové lupy?

– větší než 4D

• předmět je umístěn v předmětovém ohnisku lupy, příp. ve vzdálenosti o něco menší (a ≤ f)

• obraz je zdánlivý, vzpřímený a zvětšený

• jednoduchou lupou dosáhneme zvětšení maximálně cca 6x, při větším zvětšení dochází k výrazným optickým vadám

zvětšení zorného úhlu u lupy

úhlové zvětšení γ = d / a

d ... konvenční zraková vzdálenost (25 cm)

a ... vzdálenost předmětu

21.3.2013

2

příklad

• Při pozorování předmětu lupou byl zdánlivý obraz předmětu pětkrát větší než předmět umístěný ve vzdálenosti 4 cm před lupou. Jaká je optická mohutnost lupy a jaké je v daném případě její úhlové zvětšení?

mikroskop

• základní části jsou objektiv (blíže k pozorovanému objektu) a okulár (blíže k oku)

• objektiv je spojka (z několika čoček) s malou ohniskovou vzdáleností (řádově milimetry)– vytvoří zvětšený a skutečný obraz (uvnitř tubusu přístroje)

• tento obraz prohlížíme okulárem, který má stejnou funkci jako lupa

zobrazení mikroskopem

F1´ o.o.

y F2´

F1

F2

y´

y´´

objektiv okulár

obraz je zvětšený a převrácený

zvětšení mikroskopu • optický interval ∆ je vzdálenost obrazového

ohniska objektivu a předmětového ohniska okuláru

• zvětšení mikroskopu je součin zvětšení objektivu (γ1) a okuláru (γ2) a platí

• kde d je konvenční zraková vzdálenost (d= 25 cm), f1 je ohnisko objektivu, f2 je ohnisko okuláru

21´FF

21

21 .f

d

fZ

příklad

• Ohnisková vzdálenost objektivu mikroskopu je 0,8 cm, okuláru 5 cm, vzdálenost mezi objektivem a okulárem je 21 cm. Určete zvětšení mikroskopu.

21.3.2013

3

mikroskop v historii

• předchůdci mikroskopu: rok 1590 – Z. Jansen, Holandsko

• 1610 – G. Galilei

• mikroskop – r. 1676 – A. van Leewenhoek, Holandsko

použití mikroskopu

• biologie, lékařství, mineralogie

• optické přístroje dosahují zvětšení max. 1000krát (při větším zvětšení bude obraz zkreslený)

• elektronové mikroskopy (na principu „skenování“ povrchu svazkem elektronů) mají zvětšení až v řádu statisíců

dalekohled

• podle konstrukce – zrcadlový dalekohled = reflektor

– čočkový dalekohled = refraktor

• podle účelu: – dalekohledy astronomické

– dalekohledy pozemní (terestrické) - včetně zaměřovacích a geodetických

– divadelní kukátka

– triedry

Základní typy čočkových dalekohledů

F1´= F2 o.o.

F2´

F1 y´

objektiv

okulár

Keplerův (astronomický) dalekohled - 2 spojky, obraz je převrácený

při zaostření na nekonečno ohniska splývají

Zvětšení Keplerova dalekohledu

• Z = f1:f2 , kde f1 je ohnisková vzdálenost objektivu, f2 je ohnisková vzdálenost okuláru

Použití Keplerova dalekohledu • astronomické refraktory – krátký film

• triedry pro pozemská pozorování

příklady

• Objektiv Keplerova dalekohledu má ohniskovou vzdálenost 1,5 m, okulár 6 cm. V jakém zorném úhlu se v něm jeví Měsíc, jestliže se bez dalekohledu jeví v zorném úhlu 0,5°?

• Keplerův dalekohled, jehož objektiv a okulár jsou při zaostření na nekonečno od sebe vzdáleny 80 cm, zvětšuje 19krát. Určete ohniskovou vzdálenost objektivu a okuláru.

21.3.2013

4

triedr – obsahuje převracecí hranoly a obraz tedy není převrácený

refraktor

čočkový dalekohled – hvězdárna v

Nice

Galileův dalekohled – systém spojka + rozptylka

–použití: divadelní kukátko

–obraz je vzpřímený, nepotřebuje převracecí hranoly

– krátký film

dalekohled v historii

• 1608 – Hans Lippershey, Holandsko

• 1609 – G. Galilei – typ spojka + rozptylka – astronomická pozorování (objev čtyř měsíců Jupitera – „galileovské měsíce“) – viz zde

• 1611 – J. Kepler

fotoaparát

21.3.2013

5

základní části fotoaparátu

• objektiv

• závěrka

• světlocitlivý materiál (film, senzor)

schéma zrcadlovky objektiv

-soustava spojek

• širokoúhlý - malá ohnisková vzdálenost

• teleobjektiv

– velké ohnisko

příklad

• určete, jak daleko může být předmět, aby se zobrazil na celou výšku políčka filmu (24 mm), jestliže jeho výška je 5 m a ohnisko objektivu

a) 28 mm (širokoúhlý)

b) 50 mm (základní)

c) 200 mm (teleobjektiv)

21.3.2013

6

světelnost objektivu

• bezrozměrná hodnota udávající, jaký poměr světla objektiv propustí vzhledem k ideálnímu objektivu (světelnost 1) – je nepřímo úměrná kvalitě objektivu

• např. světelnost 2 značí, že objektiv propustí ½ dopadajícího světla

• souvisí s pojmem clona

Clona objektivu

• reguluje pomocí zákrytových lamel množství světla, které objektivem prochází

• obr. 1 – clona č. 2,8 (propustí 1 / 2,8 dopadajícího světla

• obr. 2 – clona č. 22 (propustí 1 / 22 dopadajícího světla

různé příklady velikostí clony Hloubka ostrosti

• clona dále ovlivňuje tzv. hloubku ostrosti snímku – vyšší clonové číslo znamená, že snímek bude ostrý ve větším rozsahu vzdáleností od přístroje

stejný motiv s použitím nižšího (vlevo) a vyššího (vpravo) clonového čísla

Závěrka • zařízení, které umožňuje vstup světla na film

(senzor) po přesně určenou dobu (tzv. doba expozice)

• u běžných digitálních fotoaparátů je závěrka elektronická – data se načítají z trvale osvětleného snímače pouze po určitou dobu, u digitálních zrcadlovek (DSLR) je princip obvykle jako u klasických fotoaparátů

21.3.2013

7

Doba expozice

• kratší doba expozice odpovídá menšímu množství světla, které dopadne na film (senzor)

• bývá nastavitelná od hodnoty cca 1/1000 s do několika sekund, nebo i libovolné doby otevření závěrky (režim B = BULB)

• člověk „udrží“ v ruce zhruba čas do hodnoty 1/20 s.

porovnání snímků s různou dobou expozice

Osvětlení snímku

• je určeno dvěma parametry – clonovým číslem (čím vyšší clona, tím méně světla) a dobou expozice

• fotograf tedy musí kombinovat tyto dvě veličiny pro správnou hodnotu osvětlení snímku (což za něj může dělat i automatika)

ISO • u digitálních fotoaparátů navíc přibývá možnost

nastavení „citlivosti filmu“ – tzv. ISO – bývá v hodnotách od 50, 100, 200, 400, 800, 1600, ...

• vyšší citlivost vyžaduje méně světla, ale snímek má potom více „šumu“

ukázka snímku podexponovaného (tmavého – vlevo), snímku přeexponovaného (světlého – vpravo)

21.3.2013

8

Vady objektivů

víceméně odpovídají vadám čoček

chromatická aberace – především focení v protisvětle

bokeh

• vlastnost rozostřeného pozadí snímku

• podle množství lamel objektivu se např. svítící body jeví jako mnohoúhelníky

počet „paprsků“ vyfotografovaného slunce také odpovídá počtu lamel

clony

vinětace

• ztmavení snímku v rozích

• především širokoúhlé objektivy

zkreslení obrazu

• především soudkovité zkreslení u extrémně širokoúhlých objektivů

21.3.2013

9

odrazy v protisvětle vlivem odrazů uvnitř objektivu

projekční přístroje

• dataprojektor, promítačka diapozitivů, zvětšovací přístroj – totožný princip

předmět

projekční plocha čočka přístroje

příklad

• určete ohniskovou vzdálenost čočky projekčního přístroje, jestliže promítaný předmět o rozměrech 8 x 8 cm se zobrazí na plátně vzdáleném 4,5 m v rozměrech 2,5 x 2,5 m