Tre sistemi di imaging ottici comuni

Sulla base dello studio dei vari fenomeni di trasmissione della luce, sono stati progettati e realizzati vari strumenti ottici, come i microscopi per l'osservazione di piccoli oggetti, i telescopi per l'osservazione di oggetti lontani, telecamere, telecamere e così via.

Gli strumenti ottici di solito hanno un sistema ottico, la cui funzione è quella di visualizzare l'oggetto osservato per l'occhio umano o per la rilevazione con dispositivi optoelettronici.

Un sistema ottico è solitamente costituito da uno o più componenti ottici. Ogni componente ottico è costituito da un mezzo con un determinato indice di rifrazione, che è circondato da una superficie sferica, piana o non sferica.

Il centro di curvatura della superficie di ciascun elemento ottico che compone il sistema ottico sulla stessa linea è chiamato sistema ottico coaxiale, e questa linea è chiamata asse ottico.

Ci sono anche sistemi ottici non coaxiali (ad esempio, sistemi di spettrometro che includono prismi di dispersione o griglie di dispersione).

Tutti gli elementi ottici nel sistema ottico sono costituiti da una sfera, chiamata sistema sferico.

Se un sistema ottico contiene una superficie non sferica, è chiamato un sistema asferico.

La lente singola è l'unità di base del sistema sferico coaxiale.

Le lenti possono essere suddivise in due categorie in base alla forma: la prima classe è chiamata lente convergente o lente positiva, caratterizzata da spessore intermedio, bordo sottile; Il secondo tipo è la lente diffusa o la lente negativa, caratterizzata da un mezzo sottile e spessa su entrambi i lati.

In base alla legge di propagazione della luce e al piano d'onda, è stata studiata la propagazione del fascio attraverso la lente.

(1) Lenti convergenti o lenti positive.

Come mostrato nella Figura 1, per un raggio concentrico emesso dal punto A, il suo PQ frontale è una sfera al centro di A. Quando il raggio passa attraverso la lente, perché l'indice di rifrazione del vetro è maggiore dell'indice di rifrazione dell'aria, in base al rapporto tra l'indice di rifrazione e la velocità della luce, la velocità di propagazione della luce nel vetro è inferiore alla velocità di propagazione nell'aria, lo spessore del centro della lente è maggiore dello spessore del bordo, quindi la parte centrale si propaga più lentamente e la parte del bordo si propaga più velocemente. Nel caso di Figura 1, quando la luce centrale si diffonde da O a O', la luce sul bordo è già stata propagata da P e Q a P', Q', rispettivamente, e la superficie dell'onda emessa si piega da sinistra a destra, l'intero fascio si piega nella direzione dell'asse della luce, chiamato "aggregazione". Se la superficie della lente seleziona la forma di superficie appropriata, la superficie dell'onda di emissione può ancora essere sferica. I corrispondenti raggi emessi si intersecano al punto A’, che è ovviamente il centro dell'onda sferica emessa. "A" è un "punto simile" formato dal punto A attraverso l'obiettivo e il punto A è chiamato "punto".

Nella Figura 1, A 'è l'intersezione della luce reale. Se si posiziona lo schermo in A', uno dei punti luminosi può essere visto sullo schermo, e tali punti sono chiamati "punti reali".

(2) Lente diffusa o lente negativa

Poiché i bordi della lente diffusa sono più spessi del centro, la parte centrale del fascio si diffonde più velocemente rispetto alla lente aggregata, mentre i bordi si diffondono più lentamente. come mostrato nella figura 2. Dopo che il raggio passa attraverso la lente, la superficie d'onda si piega a sinistra e la corrispondente luce emessa si deforma verso l'esterno, chiamata "differenza". Se la superficie dell'onda emessa è sferica, tutte le estensioni della luce passano attraverso il centro sferico dell'onda sferica A'. Quando si guarda da dietro l'obiettivo, ciò che si vede è esattamente la stessa luce emessa da A ', ma non può essere visualizzato sullo schermo. Tali punti sono chiamati “punti immaginari”.

Nella figura 1 e nella figura 2, il punto A è il punto di partenza della luce effettiva, chiamato "punto".

Se il punto A non è un punto luminoso effettivo, ma un punto simile a quello di un altro sistema ottico, prima che la luce raggiunga il punto A, incontra il primo lato del sistema ottico posteriore e inizia a cambiare la direzione di propagazione, come mostrato nella Figura 3. A questo punto, la luce effettiva non passa attraverso il punto A, ma la sua linea estesa interseca il punto A, chiamato "punto immaginario".

(3) Sistema ottico coaxiale

Set O1, O2, L, Ok indica un sistema ottico con facce k, come mostrato in Figura 4.

L'onda sferica emessa dal punto luminoso A1 emette un raggio concentrico al centro del punto A1, il punto A è chiamato punto. Se la sfera è ancora un'onda sferica dopo aver attraversato il sistema ottico, cioè un raggio concentrico al centro del punto Ak 'e il punto Ak ' è anche un punto geometrico, allora l'immagine è perfetta per A1. Pertanto, la condizione per l'immagine perfetta di un sistema ottico è che quando l'onda incidente è un'onda sferica, l'onda emessa è anche un'onda sferica. Oppure, secondo la legge di Marius, il raggio di luce tra i punti corrispondenti prima dell'onda in entrata e prima dell'onda in uscita è un valore fisso. Pertanto, il raggio di luce tra il punto A1 e il suo punto ideale come Ak’ è una costante. Per un sistema ottico con facce k come mostrato in Figura 4,

Lo spazio in cui si trova l'oggetto (compresi gli oggetti reali e virtuali) è chiamato spazio oggetto. Lo spazio in cui si trovano le immagini (sia reali che immaginarie) è chiamato spazio immagine. Questi due spazi si estendono all'infinito, senza essere separati meccanicamente dalla superficie di rifrazione o dai lati destro e sinistro del sistema ottico.

Tuttavia, l'indice di rifrazione del mezzo spaziale deve essere calcolato in base all'indice di rifrazione del mezzo spaziale davanti al sistema in cui si trova la luce effettiva incidente; L'indice di rifrazione di un mezzo spaziale come quello deve essere calcolato in base all'indice di rifrazione del mezzo spaziale dietro il sistema in cui viene effettivamente emessa la luce. Calcola se sono punti fisici o punti immaginari, punti reali o punti immaginari.

Ad esempio, il punto immaginario A nella Figura 3, anche se posizionato dietro il sistema, l'indice di rifrazione del mezzo spaziale è ancora calcolato in base all'indice di rifrazione del mezzo nello spazio in cui si trova la luce incidente effettiva che punta al punto A (cioè lo spazio di fronte alla lente). . Allo stesso modo, in base all'indice di rifrazione del mezzo nello spazio in cui si trova la luce effettivamente emessa (cioè lo spazio dietro la lente), viene calcolato l'indice di rifrazione corrispondente al punto immaginario A' come il mezzo nello spazio.

Secondo il teorema della reversibilità del percorso ottico, se il punto A' è considerato come un punto di ritaglio, la luce emessa da A' deve intersecarsi con il punto A e il punto A diventa un'immagine formata da A' attraverso il sistema ottico. Questa corrispondenza tra il punto A e il punto A 'è chiamata coniugazione.