Le concept d'objectif et ses types. Lentilles

Lentille concave-convexe

Lentille plan-convexe

Caractéristiques des lentilles fines

Selon les formulaires, il existe collectif(positif) et diffusion lentilles (négatives). Le groupe des lentilles collectrices comprend généralement des lentilles dont le milieu est plus épais que leurs bords, et le groupe des lentilles divergentes comprend des lentilles dont les bords sont plus épais que le milieu. Il convient de noter que cela n'est vrai que si l'indice de réfraction du matériau de la lentille est supérieur à celui de environnement. Si l’indice de réfraction de la lentille est inférieur, la situation sera inversée. Par exemple, une bulle d’air dans l’eau est une lentille divergente biconvexe.

Les lentilles sont généralement caractérisées par leur puissance optique (mesurée en dioptries) ou leur distance focale.

Pour construire instruments optiques avec l'aberration optique corrigée (principalement chromatique, causée par la dispersion de la lumière - achromates et apochromates), d'autres propriétés des lentilles/de leurs matériaux sont également importantes, par exemple l'indice de réfraction, le coefficient de dispersion, la transmission du matériau dans la plage optique sélectionnée.

Parfois, les lentilles/systèmes optiques à lentilles (réfracteurs) sont spécialement conçus pour être utilisés dans des environnements avec un indice de réfraction relativement élevé (voir microscope à immersion, liquides d'immersion).

Types de lentilles :
Collecte:
1 - biconvexe
2 - plat-convexe
3 - concave-convexe (ménisque positif)
Diffusion:
4 - biconcave
5 - plat-concave
6 - convexe-concave (ménisque négatif)

Une lentille convexe-concave est appelée ménisque et peut être collectif (s'épaissit vers le milieu) ou dispersé (s'épaissit vers les bords). Un ménisque dont les rayons de surface sont égaux a puissance optique, égal à zéro (utilisé pour corriger la dispersion ou comme lentille de couverture). Ainsi, les verres des lunettes pour myopes sont généralement des ménisques négatifs.

Une propriété distinctive d'une lentille collectrice est la capacité de collecter les rayons incidents sur sa surface en un point situé de l'autre côté de la lentille.

Les principaux éléments de la lentille : NN - l'axe optique principal - une ligne droite passant par les centres des surfaces sphériques délimitant la lentille ; O - centre optique - le point qui, pour les lentilles biconvexes ou biconcaves (avec les mêmes rayons de surface), est situé sur axe optiqueà l'intérieur de l'objectif (en son centre).
Note. Le trajet des rayons est représenté comme dans une lentille idéalisée (plate), sans indiquer la réfraction à la limite de phase réelle. De plus, une image quelque peu exagérée est affichée lentille biconvexe

Si un point lumineux S est placé à une certaine distance devant la lentille collectrice, alors un rayon lumineux dirigé le long de l'axe traversera la lentille sans être réfracté, et les rayons qui ne passent pas par le centre seront réfractés vers le axe optique et se croisent sur lui en un certain point F, qui sera l'image du point S. Ce point est appelé foyer conjugué, ou simplement se concentrer.

Si la lumière tombe sur la lentille à partir d'une source très éloignée, dont les rayons peuvent être représentés comme venant dans un faisceau parallèle, alors en sortant, les rayons se réfracteront selon un angle plus grand et le point F se déplacera sur l'axe optique plus près du lentille. Dans ces conditions, le point d'intersection des rayons sortant de la lentille est appelé objectif principal F’, et la distance entre le centre de l’objectif et le foyer principal est la distance focale principale.

Les rayons incidents sur une lentille divergente seront réfractés vers les bords de la lentille à sa sortie, c'est-à-dire diffusés. Si ces rayons se poursuivent dans la direction opposée comme le montre la figure en pointillé, alors ils convergeront en un point F, qui sera se concentrer cet objectif. Cette astuce va imaginaire.

Foyer imaginaire d'une lentille divergente

Ce qui a été dit à propos de la focalisation sur l'axe optique principal s'applique également aux cas où l'image d'un point est sur un axe optique secondaire ou incliné, c'est-à-dire une ligne passant par le centre de la lentille formant un angle par rapport à l'axe optique principal. axe. Le plan perpendiculaire à l'axe optique principal, situé au foyer principal de la lentille, est appelé plan focal principal, et au foyer conjugué - simplement plan focal.

Les lentilles collectives peuvent être dirigées vers un objet de chaque côté, ce qui permet de collecter les rayons traversant la lentille à la fois d'un côté et de l'autre. Ainsi, l'objectif a deux foyers - devant Et arrière. Ils sont situés sur l'axe optique des deux côtés de la lentille à la distance focale du centre de la lentille.

Construire une image avec une lentille convergente fine

Lors de la présentation des caractéristiques des lentilles, le principe de construction d'une image d'un point lumineux au foyer d'une lentille a été considéré. Les rayons incidents sur la lentille depuis la gauche passent par son foyer arrière, et les rayons incidents vers la droite passent par son foyer avant. Il est à noter qu'avec les lentilles divergentes, au contraire, la mise au point arrière est située devant la lentille, et la mise au point avant est derrière.

La construction d'une image d'objets ayant une certaine forme et taille par une lentille est obtenue comme suit: Disons que la ligne AB représente un objet situé à une certaine distance de l'objectif, nettement supérieure à sa distance focale. De chaque point de l'objet, un nombre incalculable de rayons traverseront la lentille, dont, pour plus de clarté, la figure montre schématiquement le trajet de trois rayons seulement.

Trois rayons émanant du point A traverseront la lentille et se croiseront à leurs points de fuite respectifs en A 1 B 1 pour former une image. L'image résultante est valide Et à l'envers.

DANS dans ce cas l'image a été obtenue au niveau d'un foyer conjugué dans un certain plan focal FF, quelque peu éloigné du plan focal principal F'F', qui lui est parallèle à travers le foyer principal.

Si un objet est à une distance infinie de l'objectif, alors son image est obtenue au foyer arrière de l'objectif F' valide, à l'envers Et réduit jusqu'à ce que cela ressemble à un point.

Si un objet est proche de l'objectif et se trouve à une distance supérieure à deux fois la distance focale de l'objectif, alors son image sera valide, à l'envers Et réduit et sera situé derrière le foyer principal dans le segment situé entre celui-ci et la double focale.

Si un objet est placé à deux fois la distance focale de l’objectif, alors l’image résultante se trouve de l’autre côté de l’objectif à deux fois la distance focale de celle-ci. L'image est obtenue valide, à l'envers Et taille égale sujet.

Si un objet est placé entre la mise au point avant et la double focale, alors l'image sera obtenue derrière la double focale et sera valide, à l'envers Et agrandi.

Si l'objet se trouve dans le plan du foyer principal avant de l'objectif, alors les rayons traversant l'objectif seront parallèles et l'image ne pourra être obtenue qu'à l'infini.

Si un objet est placé à une distance inférieure à la distance focale principale, alors les rayons sortiront de la lentille dans un faisceau divergent, sans se croiser nulle part. L'image est alors imaginaire, direct Et agrandi, c'est-à-dire que dans ce cas la lentille fonctionne comme une loupe.

Il est facile de remarquer que lorsqu'un objet s'approche du foyer avant de l'objectif depuis l'infini, l'image s'éloigne du foyer arrière et, lorsque l'objet atteint le plan de foyer avant, il apparaît à l'infini de celui-ci.

Ce modèle a grande valeur en pratique différents types travail photographique, par conséquent, pour déterminer la relation entre la distance de l'objet à l'objectif et de l'objectif au plan de l'image, vous devez connaître les bases formule de lentille.

Formule pour lentilles fines

Les distances du point objet au centre de la lentille et du point image au centre de la lentille sont appelées focales conjuguées.

Ces quantités sont interdépendantes et sont déterminées par une formule appelée formule pour lentilles fines:

où est la distance entre la lentille et l'objet ; - distance de l'objectif à l'image ; - la focale principale de l'objectif. Dans le cas d'une lentille épaisse, la formule reste inchangée à la seule différence que les distances ne sont pas mesurées à partir du centre de la lentille, mais à partir des plans principaux.

Pour trouver l'une ou l'autre quantité inconnue avec deux inconnues connues, utilisez les équations suivantes :

Il est à noter que les signes des quantités toi , v , f sont sélectionnées sur la base des considérations suivantes - pour une image réelle d'un objet réel dans une lentille convergente - toutes ces quantités sont positives. Si l'image est imaginaire, la distance à elle est considérée comme négative ; si l'objet est imaginaire, la distance à lui est négative ; si la lentille est divergente, la distance focale est négative ;

Échelle de l'image

L'échelle de l'image () est le rapport des dimensions linéaires de l'image aux dimensions linéaires correspondantes de l'objet. Cette relation peut être indirectement exprimée par la fraction , où est la distance de l'objectif à l'image ; - distance de l'objectif à l'objet.

Il existe ici un facteur de réduction, c'est-à-dire un nombre indiquant combien de fois les dimensions linéaires de l'image sont plus petites que les dimensions linéaires réelles de l'objet.

Dans la pratique des calculs, il est beaucoup plus pratique d'exprimer cette relation en valeurs ou , où est la distance focale de l'objectif.

.

Calcul de la distance focale et de la puissance optique d'un objectif

Les lentilles sont symétriques, c'est-à-dire qu'elles ont la même distance focale quelle que soit la direction de la lumière - gauche ou droite, ce qui ne s'applique toutefois pas à d'autres caractéristiques, par exemple les aberrations, dont l'ampleur dépend de quel côté de la lentille est face à la lumière.

Combinaison de plusieurs objectifs (système centré)

Les lentilles peuvent être combinées entre elles pour créer des systèmes optiques complexes. La puissance optique d'un système de deux lentilles peut être trouvée comme la simple somme des puissances optiques de chaque lentille (en supposant que les deux lentilles peuvent être considérées comme minces et qu'elles sont situées proches l'une de l'autre sur le même axe) :

.

Si les lentilles sont situées à une certaine distance les unes des autres et que leurs axes coïncident (un système d'un nombre arbitraire de lentilles ayant cette propriété est appelé système centré), alors leur puissance optique totale peut être trouvée avec un degré de précision suffisant à partir de l'expression suivante :

,

où est la distance entre les plans principaux des lentilles.

Inconvénients d'un objectif simple

Les équipements photographiques modernes imposent des exigences élevées en matière de qualité d'image.

L'image produite par un objectif simple, en raison d'un certain nombre de défauts, ne satisfait pas à ces exigences. L'élimination de la plupart des défauts est obtenue par la sélection appropriée d'un certain nombre de lentilles de manière centrée. système optique- lentille. Les images obtenues avec des objectifs simples ont divers inconvénients. Les inconvénients des systèmes optiques sont appelés aberrations, qui sont divisées en les types suivants :

• Aberrations géométriques
• Aberration de diffraction (cette aberration est causée par d'autres éléments du système optique et n'a rien à voir avec la lentille elle-même).

Lentilles aux propriétés particulières

Lentilles en polymère organique

Lentilles de contact

Lentilles à quartz

Lentilles en silicone

Le silicium combine une dispersion ultra-élevée avec la plus grande valeur absolue indice de réfraction n=3,4 dans la gamme IR et opacité complète dans la gamme visible du spectre.

Nous savons que la lumière, tombant d'un milieu transparent à un autre, est réfractée - c'est le phénomène de réfraction de la lumière. De plus, l’angle de réfraction est inférieur à l’angle d’incidence lorsque la lumière pénètre dans un milieu optique plus dense. Qu’est-ce que cela signifie et comment peut-il être utilisé ?

Si nous prenons par exemple un morceau de verre aux bords parallèles, verre à vitre, on obtient alors un léger décalage dans l'image visible à travers la fenêtre. C'est-à-dire qu'en entrant dans le verre, les rayons de lumière seront réfractés et, en entrant à nouveau dans l'air, ils se réfracteront à nouveau aux valeurs précédentes de l'angle d'incidence, mais en même temps ils se déplaceront légèrement, et l'ampleur du déplacement dépendra de l'épaisseur du verre.

Évidemment, d'un tel phénomène avantage pratique Un peu. Mais si nous prenons du verre dont les plans sont inclinés les uns par rapport aux autres, par exemple un prisme, alors l'effet sera complètement différent. Les rayons traversant un prisme sont toujours réfractés vers sa base. C'est facile à vérifier.

Pour ce faire, dessinez un triangle et tracez un rayon entrant dans l'un de ses côtés. En utilisant la loi de la réfraction de la lumière, nous traçons chemin supplémentaire faisceau. Après avoir effectué cette procédure plusieurs fois sous différentes significations angle d'incidence, nous découvrirons que quel que soit l'angle sous lequel le faisceau entre dans le prisme, compte tenu de la double réfraction en sortie, il s'écartera toujours vers la base du prisme.

Lentille et ses propriétés

Cette propriété du prisme est utilisée très appareil simple, vous permettant de contrôler la direction des flux lumineux - la lentille. Une lentille est un corps transparent délimité des deux côtés par des surfaces incurvées du corps. Ils examinent la structure et le principe de fonctionnement des lentilles dans un cours de physique de huitième année.

En fait, une section transversale d’une lentille peut être représentée par deux prismes placés l’un sur l’autre. L'effet optique de la lentille dépend des parties de ces prismes qui sont situées les unes par rapport aux autres.

Types de lentilles en physique

Malgré l'énorme diversité, il n'existe que deux types de lentilles en physique : respectivement convexes et concaves, ou convergentes et divergentes.

Une lentille convexe, c’est-à-dire une lentille convergente, a des bords beaucoup plus fins que le milieu. Une lentille convergente en section est constituée de deux prismes reliés par des bases, de sorte que tous les rayons qui la traversent convergent vers le centre de la lentille.

U lentille concave les bords, au contraire, sont toujours plus épais que le milieu. Une lentille divergente peut être représentée par deux prismes reliés par leurs sommets et, par conséquent, les rayons traversant une telle lentille divergent du centre.

Les gens ont découvert les propriétés similaires des lentilles il y a longtemps. L'utilisation de lentilles a permis à l'homme de concevoir une grande variété d'instruments et de dispositifs optiques qui facilitent la vie et facilitent la vie quotidienne et la production.

Instruments optiques- dispositifs dans lesquels le rayonnement de n'importe quelle région du spectre(ultraviolet, visible, infrarouge) transforme(transmis, réfléchi, réfracté, polarisé).

Rendant hommage à la tradition historique, Les appareils optiques sont généralement appelés appareils fonctionnant à la lumière visible..

Lors de l'évaluation initiale de la qualité de l'appareil, seul basique son caractéristiques:

• ouverture- capacité à concentrer le rayonnement ;
• pouvoir de résolution- la capacité de distinguer les détails de l'image adjacents ;
• augmenter- le rapport entre la taille d'un objet et son image.
• Pour de nombreux appareils, la caractéristique déterminante s'avère être champ de vision- l'angle sous lequel on peut voir depuis le centre de l'appareil points extrêmes sujet.

Pouvoir de résolution (capacité)- caractérise la capacité des instruments optiques à produire des images séparées de deux points d'un objet proches l'un de l'autre.

La plus petite distance linéaire ou angulaire entre deux points, à partir de laquelle leurs images fusionnent, est appeléelimite de résolution linéaire ou angulaire.

La capacité de l’appareil à distinguer deux points ou lignes proches est due à la nature ondulatoire de la lumière. La valeur numérique du pouvoir de résolution d'un système de lentilles, par exemple, dépend de la capacité du concepteur à gérer les aberrations des lentilles et à centrer soigneusement ces lentilles sur le même axe optique. La limite théorique de résolution de deux points imagés adjacents est définie comme l'égalité de la distance entre leurs centres au rayon du premier anneau sombre de leur diagramme de diffraction.

Augmenter. Si un objet de longueur H est perpendiculaire à l'axe optique du système et que la longueur de son image est h, alors le grossissement m est déterminé par la formule :

m = h/H .

Le grossissement dépend des distances focales et de la position relative des lentilles ; Il existe des formules correspondantes pour exprimer cette dépendance.

Une caractéristique importante des dispositifs d'observation visuelle est augmentation apparente M. Il est déterminé à partir du rapport entre la taille des images d'un objet qui se forment sur la rétine de l'œil lors de l'observation directe de l'objet et de sa visualisation à travers un appareil. Habituellement, l'augmentation apparente de M est exprimée sous la forme du rapport M = tgb/tga, où a est l'angle sous lequel l'observateur voit l'objet à l'œil nu, et b est l'angle sous lequel l'œil de l'observateur voit l'objet à travers l'appareil.

La partie principale de tout système optique est la lentille. Les lentilles font partie de presque tous les instruments optiques.

Lentille – un corps optiquement transparent délimité par deux surfaces sphériques.

Si l'épaisseur de la lentille elle-même est petite par rapport aux rayons de courbure des surfaces sphériques, alors la lentille est dite mince.

Il y a des lentilles collecte Et diffusion. La lentille convergente au milieu est plus épaisse que sur les bords, la lentille divergente, au contraire, est plus fine au milieu.

Types de lentilles :

• convexe:
  • biconvexe (1)
  • plan-convexe (2)
  • concave-convexe (3)

• concave:
  • biconcave (4)
  • plat-concave (5)
  • convexe-concave (6)

Désignations de base dans l'objectif :

Une droite passant par les centres de courbure O 1 et O 2 des surfaces sphériques est appelée axe optique principal de la lentille.

Dans le cas de lentilles minces, on peut approximativement supposer que l'axe optique principal coupe la lentille en un point, ce que l'on appelle habituellement centre optique de la lentille O. Le faisceau lumineux traverse le centre optique de la lentille sans s'écarter de sa direction d'origine.

Centre optique de la lentille- le point par lequel passent les rayons lumineux sans être réfractés dans la lentille.

Axe optique principal– une droite passant par le centre optique de la lentille, perpendiculaire à la lentille.

Toutes les droites passant par le centre optique sont appelées axes optiques secondaires.

Si un faisceau de rayons parallèle à l'axe optique principal est dirigé vers une lentille, alors après avoir traversé la lentille, les rayons (ou leur continuation) convergeront en un point F, appelé le foyer principal de l’objectif. Une lentille mince possède deux foyers principaux, situés symétriquement sur l'axe optique principal par rapport à la lentille. Les lentilles convergentes ont des foyers réels, tandis que les lentilles divergentes ont des foyers imaginaires.

Les faisceaux de rayons parallèles à l'un des axes optiques secondaires, après avoir traversé la lentille, sont également focalisés au point F", qui est situé à l'intersection de l'axe secondaire avec le plan focal Ф, c'est-à-dire le plan perpendiculaire au axe optique principal et passant par le foyer principal.

Plan focal– une ligne droite, perpendiculaire à l’axe optique principal de la lentille et passant par le foyer de la lentille.

La distance entre le centre optique de la lentille O et le foyer principal F est appelée distance focale. Il est désigné par la même lettre F.

Réfraction d'un faisceau parallèle de rayons dans une lentille collectrice.

Réfraction d'un faisceau de rayons parallèles dans une lentille divergente.

Les points O 1 et O 2 sont les centres des surfaces sphériques, O 1 O 2 est l'axe optique principal, O est le centre optique, F est le foyer principal, F" est le foyer secondaire, OF" est l'axe optique secondaire, Ф est le plan focal.

Dans les dessins, les lentilles fines sont représentées par un segment avec des flèches :

collecter : diffusion:

La principale propriété des lentilles– capacité à donner des images d'objets. Les images viennent droit Et à l'envers, valide Et imaginaire, agrandi Et réduit.

La position de l'image et son caractère peuvent être déterminés à l'aide de constructions géométriques. Pour ce faire, utilisez les propriétés de certains rayons standards dont le parcours est connu. Il s'agit de rayons passant par le centre optique ou l'un des foyers de la lentille, ainsi que de rayons parallèles à l'axe optique principal ou à l'un des axes optiques secondaires. Pour construire une image dans une lentille, deux rayons sur trois sont utilisés :

Un rayon incident sur une lentille parallèle à l’axe optique traverse le foyer de la lentille après réfraction.

Le rayon passant par le centre optique de la lentille n'est pas réfracté.

Le rayon, passant par le foyer de la lentille après réfraction, est parallèle à l'axe optique.

La position de l'image et sa nature (réelle ou imaginaire) peuvent également être calculées grâce à la formule des lentilles fines. Si la distance de l'objet à la lentille est notée d et la distance de la lentille à l'image par f, alors la formule pour une lentille mince peut s'écrire :

La valeur de D, l’inverse de la distance focale, est appelée puissance optique lentilles.

L'unité de mesure de la puissance optique est dioptrie (doptre). Dioptrie – puissance optique d'un objectif d'une focale de 1 m : 1 dioptrie = m –1

Les distances focales des objectifs sont généralement attribuées certains signes: pour une lentille convergente F > 0, pour une lentille divergente F< 0.

Les quantités d et f obéissent également une certaine règle signes :
d > 0 et f > 0 – pour des objets réels (c'est-à-dire de vraies sources de lumière, et non des extensions de rayons convergeant derrière l'objectif) et des images ;
d< 0 и f < 0 – для мнимых источников и изображений.

Verres fins présentent un certain nombre d'inconvénients qui ne permettent pas d'obtenir des images de haute qualité. Les distorsions qui se produisent lors de la formation de l'image sont appelées aberrations. Les principales sont les aberrations sphériques et chromatiques.

Aberration sphérique se manifeste par le fait que dans le cas de faisceaux lumineux larges, les rayons éloignés de l'axe optique le traversent de manière floue. La formule des lentilles fines n'est valable que pour les rayons proches de l'axe optique. L'image d'une source ponctuelle lointaine, créée par un large faisceau de rayons réfractés par une lentille, s'avère floue.

Aberration chromatique est dû au fait que l'indice de réfraction du matériau de la lentille dépend de la longueur d'onde de la lumière λ. Cette propriété média transparent appelée dispersion. La distance focale de l'objectif s'avère différente pour la lumière avec différentes longueurs ondes, ce qui conduit à un flou de l’image lors de l’utilisation d’une lumière non monochromatique.

Les appareils optiques modernes n'utilisent pas de lentilles fines, mais des systèmes multi-lentilles complexes dans lesquels diverses aberrations peuvent être approximativement éliminées.

La formation d'une image réelle d'un objet par une lentille convergente est utilisée dans de nombreux instruments optiques, comme une caméra, un projecteur, etc.

Si vous souhaitez créer un dispositif optique de haute qualité, vous devez optimiser un ensemble de ses principales caractéristiques : rapport d'ouverture, résolution et grossissement. Par exemple, vous ne pouvez pas fabriquer un bon télescope en obtenant uniquement un grossissement apparent élevé et en laissant le rapport d'ouverture (ouverture) petit. Sa résolution sera médiocre car elle dépend directement de l'ouverture. Les conceptions de dispositifs optiques sont très diverses et leurs caractéristiques sont dictées par la fonction de dispositifs spécifiques. Mais lors de la mise en œuvre d'un système optique conçu dans un dispositif optique-mécanique fini, il est nécessaire de disposer tous les éléments optiques en stricte conformité avec le schéma adopté, de les fixer solidement, d'assurer un réglage précis de la position des pièces mobiles et de placer des diaphragmes pour éliminer rayonnement dispersé de fond indésirable. Il est souvent nécessaire de maintenir des valeurs de température et d'humidité spécifiées à l'intérieur de l'appareil, de minimiser les vibrations, de normaliser la répartition du poids et d'assurer l'évacuation de la chaleur des lampes et autres équipements électriques auxiliaires. La valeur est donnée apparence dispositif et facilité de manipulation.

Microscope, loupe, loupe.

Si nous examinons un objet situé derrière la lentille pas plus loin que son foyer à travers une lentille positive (convergente), nous voyons un objet agrandi. image virtuelle sujet. Cet objectif est microscope simple et s'appelle une loupe ou une loupe.

La taille de l'image agrandie peut être déterminée à partir de la conception optique.

Lorsque l'œil est réglé sur un faisceau de lumière parallèle (l'image de l'objet est à une distance indéfinie). longue distance, ce qui signifie que l'objet est situé dans le plan focal de l'objectif), le grandissement apparent M peut être déterminé à partir de la relation : M = tgb /tga = (H/f)/(H/v) = v/f, où f est la distance focale de l'objectif, v - distance meilleure vision, c'est-à-dire la distance la plus courte à laquelle l'œil voit bien avec une accommodation normale. M augmente de un lorsque l'œil est ajusté pour que l'image virtuelle de l'objet soit à la distance de meilleure vision. Les capacités d’adaptation sont différentes pour chacun et s’aggravent avec l’âge ; 25 cm est considérée comme la distance de meilleure vision oeil normal. Dans le champ de vision d'un seul objectif positif, à mesure que l'on s'éloigne de son axe, la netteté de l'image se détériore rapidement en raison des aberrations transversales. Bien qu'il existe des loupes avec un grossissement de 20x, leur grossissement typique est de 5 à 10. Le grossissement d'un microscope composé, généralement appelé simplement microscope, atteint jusqu'à 2000x.

Télescope.

Le télescope grossit dimensions visibleséléments distants. Le circuit de télescope le plus simple comprend deux lentilles positives.

Les rayons d'un objet distant, parallèles à l'axe du télescope (rayons a et c sur le schéma), sont collectés au foyer arrière de la première lentille (objectif). La deuxième lentille (oculaire) est retirée du plan focal de la lentille à sa distance focale, et les rayons a et c en émergent à nouveau parallèlement à l'axe du système. Un rayon b, émanant de différents points de l'objet d'où proviennent les rayons a et c, tombe selon un angle a par rapport à l'axe du télescope, traverse le foyer avant de la lentille et est ensuite parallèle à l'axe du système. . L'oculaire le dirige vers son foyer arrière selon un angle b. Puisque la distance entre le foyer avant de la lentille et l'œil de l'observateur est négligeable par rapport à la distance à l'objet, à partir du diagramme, nous pouvons obtenir une expression pour le grossissement apparent M du télescope : M = -tgb /tga = -F /f" (ou F/f). Signe négatif montre que l'image est à l'envers. Dans les télescopes astronomiques, cela reste ainsi ; Les télescopes permettant d'observer des objets terrestres utilisent un système d'inversion pour visualiser des images normales plutôt qu'inversées. Le système d'emballage peut comprendre lentilles supplémentaires ou, comme dans les jumelles, des prismes.

Jumelles.

Un télescope binoculaire, communément appelé jumelles, est un instrument compact permettant d'observer avec les deux yeux en même temps ; son augmentation est généralement de 6 à 10 fois. Les jumelles utilisent une paire de systèmes enveloppants (le plus souvent Porro), dont chacun comprend deux prismes rectangulaires (avec une base à 45°), orientés l'un vers l'autre avec des bords rectangulaires.

Pour obtenir un fort grossissement sur un champ de vision large sans aberrations optiques, et donc un angle de vue important (6-9°), les jumelles ont besoin d'un oculaire de très haute qualité, plus perfectionné qu'un télescope à angle de vue étroit. L'oculaire des jumelles assure la mise au point de l'image et la correction de la vision - son échelle est marquée en dioptries. De plus, dans les jumelles, la position de l'oculaire est ajustée à la distance entre les yeux de l'observateur. Généralement, les jumelles sont étiquetées en fonction de leur grossissement (en multiples) et du diamètre de leur lentille (en millimètres), par exemple 8*40 ou 7*50.

Viseur optique.

Tout télescope destiné aux observations au sol peut être utilisé comme viseur optique si des marques claires (grilles, marques) correspondant à l'objectif donné sont appliquées dans n'importe quel plan de son espace image. La conception typique de nombreuses installations optiques militaires est telle que la lentille du télescope regarde ouvertement la cible et que l'oculaire se trouve dans un abri. Ce schéma nécessite une courbure de l'axe optique du viseur et l'utilisation de prismes pour le déplacer ; ces mêmes prismes convertissent l'image inversée en image directe. Les systèmes avec déplacement de l'axe optique sont appelés périscopiques. Généralement viseur optique est calculé de manière à ce que la pupille de sa sortie soit éloignée de la dernière surface de l'oculaire à une distance suffisante pour protéger l'œil du tireur de heurter le bord du télescope lors du recul de l'arme.

Télémètre.

Les télémètres optiques, qui mesurent les distances aux objets, sont de deux types : monoculaires et stéréoscopiques. Bien qu'ils diffèrent dans les détails de conception, la partie principale de la conception optique est la même et le principe de fonctionnement est le même : fête connue(base) et deux angles connus d'un triangle, son côté inconnu est déterminé. Deux télescopes orientés parallèlement, séparés par une distance b (base), construisent des images du même objet distant de manière à ce qu'il semble être observé depuis eux dans des directions différentes (la taille de la cible peut également servir de base). Si, à l'aide d'un dispositif optique approprié, les champs d'images des deux télescopes sont combinés de manière à pouvoir être visualisés simultanément, il s'avère que les images correspondantes de l'objet sont spatialement séparées. Il existe des télémètres non seulement avec recouvrement plein champ, mais aussi avec recouvrement demi-champ : la moitié supérieure de l'espace image d'un télescope est combinée avec la moitié inférieure de l'espace image de l'autre. Dans de tels dispositifs, à l'aide d'un élément optique approprié, des images spatialement séparées sont combinées et la valeur mesurée est déterminée à partir du décalage relatif des images. Souvent, l'élément de cisaillement est un prisme ou une combinaison de prismes.

TÉLÉMÈTRE MONOCULAIRE. A - prisme rectangulaire ; B - pentaprismes ; C - objectifs de lentilles ; D - oculaire ; E - œil ; P1 et P2 sont des prismes fixes ; P3 - prisme mobile ; I 1 et I 2 - images des moitiés du champ de vision

Dans le circuit télémétrique monoculaire représenté sur la figure, cette fonction est assurée par le prisme P3 ; il est associé à une échelle graduée en distances mesurées à l'objet. Les pentaprismes B sont utilisés comme réflecteurs de lumière à angle droit, car de tels prismes dévient toujours le faisceau lumineux incident de 90°, quelle que soit la précision de leur installation dans le plan horizontal de l'appareil. Dans un télémètre stéréoscopique, l'observateur voit les images créées par deux télescopes avec les deux yeux à la fois. La base d'un tel télémètre permet à l'observateur de percevoir la position d'un objet en trois dimensions, à une certaine profondeur dans l'espace. Chaque télescope possède un réticule avec des repères correspondant aux valeurs de portée. L'observateur voit une échelle de distance s'enfonçant profondément dans l'espace représenté et l'utilise pour déterminer la distance de l'objet.

Éclairage et appareils de projection. Projecteurs.

Dans la conception optique du projecteur, la source lumineuse, par exemple le cratère d'une décharge d'arc électrique, est située au foyer d'un réflecteur parabolique. Les rayons émanant de tous les points de l'arc sont réfléchis par un miroir parabolique presque parallèle les uns aux autres. Le faisceau de rayons diverge légèrement car la source n'est pas un point lumineux, mais un volume de taille finie.

Diascope.

La conception optique de cet appareil, conçue pour visualiser des transparents et des cadres de couleur transparents, comprend deux systèmes de lentilles : un condenseur et une lentille de projection. Le condenseur éclaire uniformément l'original transparent, dirigeant les rayons vers la lentille de projection, qui crée une image de l'original sur l'écran. L'objectif de projection assure la mise au point et le remplacement de ses objectifs, ce qui permet de modifier la distance à l'écran et la taille de l'image qui s'y trouve. La conception optique du projecteur de film est la même.

DIAGRAMME DIASCOPIQUE. A - diapositive ; B - condenseur de lentille ; C - lentilles d'objectif de projection ; D - écran ; S - source de lumière

Appareils spectraux.

L'élément principal d'un dispositif spectral peut être un prisme de dispersion ou un réseau de diffraction. Dans un tel dispositif, la lumière est d'abord collimatée, c'est-à-dire est formé en un faisceau de rayons parallèles, puis décomposé en un spectre, et enfin, l'image de la fente d'entrée du dispositif est focalisée sur sa fente de sortie à chaque longueur d'onde du spectre.

Spectromètre.

Dans cet appareil de laboratoire plus ou moins universel, les systèmes de collimation et de focalisation peuvent être tournés par rapport au centre de la scène sur laquelle se trouve l'élément qui décompose la lumière en un spectre. L'appareil dispose d'échelles pour lire les angles de rotation, par exemple un prisme de dispersion, et les angles de déviation après celui-ci des différentes composantes de couleur du spectre. Sur la base des résultats de ces lectures, par exemple, les indices de réfraction de solides transparents sont mesurés.

Spectrographe.

C'est le nom d'un appareil dans lequel le spectre résultant ou une partie de celui-ci est enregistré sur du matériel photographique. Vous pouvez obtenir un spectre à partir d'un prisme en quartz (plage 210-800 nm), en verre (360-2500 nm) ou en sel gemme (2500-16000 nm). Dans les plages spectrales où les prismes absorbent faiblement la lumière, les images des raies spectrales dans le spectrographe sont lumineuses. Dans les spectrographes à réseaux de diffraction, ces derniers remplissent deux fonctions : ils décomposent le rayonnement en un spectre et focalisent les composantes de couleur sur le matériau photographique ; De tels dispositifs sont également utilisés dans le domaine ultraviolet.

Caméra C'est une chambre fermée et étanche à la lumière. L'image des objets photographiés est créée sur un film photographique par un système de lentilles appelé objectif. Un obturateur spécial permet d'ouvrir l'objectif pendant toute la durée de l'exposition.

Une particularité de l'appareil photo est que le film plat doit produire des images assez nettes d'objets situés à différentes distances.

Dans le plan du film, seules les images d'objets situés à une certaine distance sont nettes. La mise au point est obtenue en déplaçant l'objectif par rapport au film. Les images de points qui ne se trouvent pas dans le plan de pointage net apparaissent floues sous la forme de cercles de diffusion. La taille d de ces cercles peut être réduite en arrêtant la lentille, c'est-à-dire réduire l'ouverture relative a/F. Cela entraîne une augmentation de la profondeur de champ.

L'objectif d'un appareil photo moderne se compose de plusieurs objectifs combinés en systèmes optiques (par exemple, la conception optique Tessar). Le nombre d'objectifs dans les objectifs des appareils photo les plus simples est de un à trois, et dans les appareils photo modernes et coûteux, il y en a jusqu'à dix, voire dix-huit.

Conception optique de Tessar

Il peut y avoir de deux à cinq systèmes optiques dans la lentille. Presque tous les circuits optiques sont conçus et fonctionnent de la même manière : ils concentrent les rayons lumineux traversant les lentilles sur une matrice photosensible.

La qualité de l'image sur la photo dépend uniquement de l'objectif, si la photo sera nette, si les formes et les lignes de la photo seront déformées, si elle transmettra bien les couleurs - tout cela dépend des propriétés de l'objectif, c'est pourquoi l'objectif est l'un des plus éléments importants appareil photo moderne.

Les lentilles d'objectif sont fabriquées à partir de types spéciaux de verre optique ou de plastique optique. La création d'objectifs est l'une des parties les plus coûteuses de la création d'un appareil photo. Lorsque l’on compare les lentilles en verre et en plastique, il convient de noter que les lentilles en plastique sont moins chères et plus légères. Actuellement, la plupart des objectifs des appareils photo compacts amateurs bon marché sont en plastique. Mais ces objectifs sont sensibles aux rayures et ne sont pas aussi durables ; après environ deux à trois ans, ils deviennent troubles et la qualité des photographies laisse beaucoup à désirer. Les optiques des appareils photo plus chers sont en verre optique.

De nos jours, la plupart des objectifs d’appareils photo compacts sont en plastique.

Les lentilles d'objectif sont collées ou reliées entre elles à l'aide de montures métalliques calculées très précisément. Les verres collés sont beaucoup plus courants que les montures métalliques.

Appareil de projection conçu pour obtenir des images à grande échelle. L'objectif du projecteur O focalise l'image d'un objet plat (diapositive D) sur un écran distant E. Un système de lentilles K, appelé condenseur, est conçu pour concentrer la lumière de la source S sur la diapositive. Sur l'écran E, une véritable image inversée agrandie est créée. Le grossissement de l'appareil de projection peut être modifié en rapprochant ou en éloignant l'écran E tout en modifiant simultanément la distance entre la diapositive D et l'objectif O.

Objectifs simples Il en existe deux types différents : positifs et négatifs. Ces deux types sont également appelés convergents et divergents car les lentilles positives collectent la lumière et forment une image de la source, tandis que les lentilles négatives diffusent la lumière.

Caractéristiques des lentilles simples

Selon les formulaires, il existe collecte(positif) et diffusion lentilles (négatives). Le groupe des lentilles collectrices comprend généralement des lentilles dont le milieu est plus épais que leurs bords, et le groupe des lentilles divergentes comprend des lentilles dont les bords sont plus épais que le milieu. Il convient de noter que cela n'est vrai que si l'indice de réfraction du matériau de la lentille est supérieur à celui du milieu environnant. Si l’indice de réfraction de la lentille est inférieur, la situation sera inversée. Par exemple, une bulle d’air dans l’eau est une lentille divergente biconvexe.

Les lentilles sont généralement caractérisées par leur puissance optique (mesurée en dioptries) ou leur distance focale.

Pour construire des dispositifs optiques avec une aberration optique corrigée (principalement chromatique, causée par la dispersion de la lumière - achromates et apochromates), d'autres propriétés des lentilles et de leurs matériaux sont également importantes, par exemple l'indice de réfraction, le coefficient de dispersion, la transmission du matériau dans l'optique sélectionnée. gamme.

Parfois, les lentilles/systèmes optiques à lentilles (réfracteurs) sont spécialement conçus pour être utilisés dans des environnements avec un indice de réfraction relativement élevé (voir microscope à immersion, liquides d'immersion).

Types de lentilles : Collecte: 1 - biconvexe 2 - plan-convexe 3 - concave-convexe (ménisque positif (convexe)) Diffusion: 4 - biconcave 5 - plat-concave 6 - convexe-concave (ménisque négatif (concave))

Utiliser une lentille pour modifier la forme du front d’onde. Ici, un front d'onde plan devient sphérique lorsqu'il traverse la lentille

Une lentille convexe-concave est appelée ménisque et peut être collectif (s'épaissit vers le milieu), diffus (s'épaissit vers les bords) ou télescopique (la focale est l'infini). Ainsi, par exemple, les verres des lunettes pour la myopie sont généralement des ménisques négatifs.

Contrairement à une idée reçue, la puissance optique d'un ménisque à rayons égaux n'est pas nulle, mais positive, et dépend de l'indice de réfraction du verre et de l'épaisseur de la lentille. Un ménisque dont les centres de courbure des surfaces sont situés en un point est appelé lentille concentrique (la puissance optique est toujours négative).

Une propriété distinctive d'une lentille collectrice est la capacité de collecter les rayons incidents sur sa surface en un point situé de l'autre côté de la lentille.

Les principaux éléments de la lentille : NN - axe optique - une ligne droite passant par les centres des surfaces sphériques délimitant la lentille ; O - centre optique - le point qui, pour les lentilles biconvexes ou biconcaves (avec les mêmes rayons de surface), est situé sur l'axe optique à l'intérieur de la lentille (en son centre). Note. Le trajet des rayons est représenté comme dans une lentille idéalisée (mince), sans indiquer la réfraction à l'interface réelle entre les milieux. De plus, une image quelque peu exagérée d'une lentille biconvexe est affichée

Si un point lumineux S est placé à une certaine distance devant la lentille collectrice, alors un rayon de lumière dirigé le long de l'axe traversera la lentille sans être réfracté, et les rayons ne passant pas par le centre seront réfractés vers l'axe optique. et se croisent dessus en un point F, qui et sera l'image du point S. Ce point est appelé le foyer conjugué, ou simplement se concentrer.

Si la lumière tombe sur la lentille à partir d'une source très éloignée, dont les rayons peuvent être représentés comme venant dans un faisceau parallèle, alors en sortant, les rayons se réfracteront selon un angle plus grand et le point F se déplacera sur l'axe optique plus près du lentille. Dans ces conditions, le point d'intersection des rayons sortant de la lentille est appelé se concentrer F’, et la distance entre le centre de l’objectif et le foyer est la distance focale.

Les rayons incidents sur une lentille divergente seront réfractés vers les bords de la lentille à sa sortie, c'est-à-dire diffusés. Si ces rayons se poursuivent dans la direction opposée comme le montre la figure en pointillé, alors ils convergeront en un point F, qui sera se concentrer cet objectif. Cette astuce va imaginaire.

Foyer imaginaire d'une lentille divergente

Ce qui a été dit à propos de la focalisation sur l'axe optique s'applique également aux cas où l'image d'un point se trouve sur une ligne inclinée passant par le centre de la lentille selon un angle par rapport à l'axe optique. Le plan perpendiculaire à l'axe optique, situé au foyer de la lentille, est appelé plan focal.

Les lentilles collectives peuvent être dirigées vers un objet de chaque côté, ce qui permet de collecter les rayons traversant la lentille à la fois d'un côté et de l'autre. Ainsi, l'objectif a deux foyers - devant Et arrière. Ils sont situés sur l'axe optique des deux côtés de la lentille à la distance focale des points principaux de la lentille.

a) Types de lentilles.

Les lentilles optiques plus épaisses au milieu qu’au bord sont appelées lentilles convergentes ; au contraire, si le bord est plus épais que le milieu, alors les lentilles agissent comme

diffusion. Par forme coupe transversale distinguer : lentilles collectrices biconvexes, plano-convexes, concaves-convexes ; Lentilles divergentes biconcave, plate-concave, convexe-concave.

Les lentilles minces, en première approximation, peuvent être considérées comme deux prismes minces pliés (Fig. 217, 218). Le parcours des rayons peut être retracé sur la rondelle Hartl.

Lentille convergente concentre les rayons parallèles en un point derrière la lentille, au foyer (Fig. 219)

lentille divergente transforme un faisceau de rayons parallèle en un faisceau divergent qui semble devenir flou (Fig. 220).

La figure montre les éléments d'une lentille biconvexe. C1 et C2 sont les centres des surfaces sphériques délimitantes, appelées centres de courbure; R1 et R2 sont les rayons des surfaces sphériques, appelés rayons de courbure. La droite reliant les centres de courbure C1 et C2 s'appelle axe optique principal. Pour une lentille plan-convexe ou plan-concave, l'axe optique principal est une droite passant par le centre de courbure perpendiculaire à la surface plane de la lentille. Les points d'intersection de l'axe optique principal avec les surfaces A et B sont appelés les sommets de la lentille. La distance entre les sommets AB est appelée épaisseur axiale.

Propriétés des lentilles

La caractéristique la plus importante des lentilles positives est leur capacité à imager des objets. L'effet des lentilles positives est qu'elles captent les rayons incidents, c'est pourquoi on les appelle collectif.

Cette propriété s'explique par le fait qu'une lentille collectrice est un ensemble de nombreux prismes trièdres situés dans un cercle et faisant face au centre du cercle avec leurs bases. Puisque de tels prismes dévient les rayons qui les frappent vers leurs bases, un faisceau de rayons incident sur toute la surface de la lentille collectrice est collecté en direction de l'axe du cercle, c'est-à-dire à l’axe optique.

Si un faisceau de rayons lumineux divergents est dirigé à partir d'un point lumineux S situé sur l'axe optique d'une lentille collectrice, alors le faisceau divergent se transformera en un faisceau convergent, et au point de convergence des rayons a image réelle S` d'un point lumineux S. En plaçant n'importe quel écran au point S`, vous pouvez voir dessus l'image d'un point lumineux S. C'est ce qu'on appelle une image réelle.

Formation d'une image réelle d'un point lumineux. S` - image réelle du point S

Les lentilles négatives, contrairement aux lentilles positives, diffusent les rayons qui tombent sur elles. C'est pourquoi on les appelle diffusion.



Si le même faisceau de rayons divergents est dirigé vers une lentille divergente, alors, après l'avoir traversée, les rayons sont déviés vers les côtés de l'axe optique. En conséquence, les lentilles divergentes ne produisent pas une image fidèle. Dans les systèmes optiques produisant une image réelle, et en particulier dans les objectifs photographiques, les objectifs divergents ne sont utilisés qu'en association avec des objectifs collectifs.

Mise au point et distance focale

Si un faisceau de lumière est dirigé vers la lentille à partir d'un point situé à l'infini sur l'axe optique principal (de tels rayons peuvent être considérés comme pratiquement parallèles), alors les rayons convergeront en un point F, qui se trouve également sur l'axe optique principal. Ce point est appelé objectif principal, la distance f de la lentille à ce point est focale principale, et le plan MN passant par le foyer principal perpendiculaire à l'axe optique de la lentille est plan focal principal.

Foyer principal F et focale principale f de l'objectif

La distance focale d'une lentille dépend de la courbure de ses surfaces convexes. Plus les rayons de courbure sont petits, c'est-à-dire Plus le verre est convexe, plus sa distance focale est courte.

Puissance de l'objectif

La puissance optique d'une lentille s'appelle sa pouvoir réfringent(la capacité de dévier plus ou moins les rayons lumineux). Plus la distance focale est longue, plus le pouvoir réfractif est faible. La puissance optique d'un objectif est inversement proportionnelle à la distance focale.

L'unité de mesure de la puissance optique est dioptrie, désigné par la lettre D. L'expression de la puissance optique en dioptries est pratique car, d'une part, elle permet de déterminer par le signe de quelle lentille (collective ou divergente) on a affaire et, d'autre part, parce qu'elle permet de déterminer facilement la puissance optique du système de deux et plus lentilles

Photos d'éducation

En tombant sur un objet, les rayons de lumière sont réfléchis depuis tous les points de sa surface dans toutes les directions. directions possibles. Si une lentille collectrice est placée devant un objet éclairé, alors un faisceau conique de rayons tombera sur la lentille depuis chaque point de l'objet.



Après avoir traversé la lentille, les rayons se rassembleront à nouveau en un point, et au point de convergence des rayons, une image réelle du point pris de l'objet apparaîtra, et la totalité des images de tous les points de l'objet se forme une image de l’objet entier. Le dessin permet également de comprendre facilement la raison pour laquelle l'image des objets se révèle toujours à l'envers.

De la même manière, une image d'objets apparaît dans un appareil photo à l'aide d'un objectif photographique, qui est un système optique collectif et agit comme un objectif positif.

L'espace qui se trouve devant l'objectif et dans lequel se trouvent les objets photographiés est appelé espace sujet, et l'espace situé derrière l'objectif dans lequel les objets sont visualisés est appelé espace image.