26. Optické zobrazování lomem a odrazem, jeho využití v optických ...
26. Optické zobrazování lomem a odrazem, jeho využití v optických ...
26. Optické zobrazování lomem a odrazem, jeho využití v optických ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>26.</strong> <strong>Optické</strong> <strong>zobrazování</strong> <strong>lomem</strong> a <strong>odrazem</strong>, <strong>jeho</strong> <strong>využití</strong> v <strong>optických</strong><br />
pístrojích<br />
Svtlo je elektromagnetické vlnní, které mžeme vnímat zrakem. Rozsah <strong>jeho</strong> vlnových<br />
délek je 400 nm – 760 nm.<br />
ODRAZ A LOM SVTLA<br />
Zákon odrazu svtla:<br />
a) velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu = ´;<br />
b) odražený paprsek zstává v rovin dopadu;<br />
c) odraz svtla nezávisí na barv (frekvenci) svtla.<br />
α α‘<br />
n 1<br />
Zákon lomu svtla (Snellv zákon):<br />
n 2<br />
sinα<br />
v1<br />
n2<br />
a) = = = n ,<br />
β<br />
sin β v2<br />
n1<br />
kde n je relativní index lomu pro danou dvojici prostedí, n 1 je absolutní index lomu<br />
c<br />
c<br />
prvního prostedí ( n<br />
1<br />
= ), n 2 je absolutní index lomu druhého prostedí ( n<br />
2<br />
= );<br />
v1<br />
v2<br />
b) lomený paprsek zstává v rovin dopadu;<br />
c) úhel lomu závisí na barv (frekvenci) svtla.<br />
Prostedí opticky hustší je prostedí, ve kterém se svtlo šíí pomaleji (vtší index lomu), v<br />
prostedí opticky idším se svtlo šíí rychleji (menší index lomu).<br />
Lom svtla ke kolmici … n 1 ‹ n 2 Lom svtla od kolmice … n 1 › n 2<br />
n 1 n 1<br />
<br />
<br />
n 2<br />
n 2<br />
› <br />
‹ <br />
Pokud je úhel dopadu tzv. mezní úhel<br />
n2<br />
( sinα m<br />
= ), je úhel lomu = 90°<br />
n1<br />
(paprsek “odchází” po rozhraní). Je-li úhel<br />
dopadu vtší než mezní úhel, nastává tzv.<br />
úplný odraz.<br />
Užití totálního odrazu svtla:<br />
1) refraktometr –pístroj na mení indexu lomu na základ mení mezního úhlu<br />
totálního odrazu
2) odrazné optické hranoly – využívají se v <strong>optických</strong> pístrojích, ve kterých je teba<br />
mnit smr paprsk<br />
3) optická vlákna (vlnovody) – slouží pro penos obrovského množství dat v<br />
kabelových sítích<br />
DISPERZE SVTLA<br />
- je jev závislosti indexu lomu na vlnové délce svtla<br />
n<br />
disperzní kivka<br />
- vlivem disperze se paprsky monofrekvenního svtla lámou pod rznými úhly<br />
(fialové nejvíce – vyšší frekvence, kratší vlnová délka; ervené nejmén – nižší<br />
frekvence, delší vlnová délka)<br />
<br />
- disperze je dkazem, že bílé svtlo je složené z jednoduchých svtel, která již nelze<br />
rozložit<br />
- pi jednom lomu není rozložení tak patrné, proto se používá vícenásobný lom (optický<br />
hranol), tento hranol je vyrobený ze skla, hladké roviny hranolu svírají lámavý úhel<br />
, paprsek se lomí dvakrát a odchylka rzných barev je vtší, na stínítku se jev<br />
zobrazí jako ada na sebe navazujících barevných proužk – hranolové spektrum<br />
- bílé svtlo se v hranolu rozloží na spektrum, ve kterém jsou zastoupeny všechny<br />
barvy odpovídající monofrekvenkním paprskm v posloupnosti – ervená,<br />
oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová
ZOBRAZOVÁNÍ OPTICKÝMI SOUSTAVAMI<br />
Paprsková optika - fyzikální obor, v nmž se pi popisu šíení svtla a vytváení obraz pedmt<br />
používá model svtelného paprsku (ásticový nebo vlnový charakter se neuvažuje).<br />
Viditelná tlesa- ta, která svtlo vyzaují, nebo se od nich svtlo odráží.<br />
Z každého bodu viditelného tlesa vychází rozbíhavý svazek svtelných paprsk.<br />
Optická soustava- je soustava <strong>optických</strong> prostedí, která mní smr chodu paprsk.<br />
Tvoí-li paprsky po prchodu soustavou sbíhavý svazek, vzniká skutený (reálný) obraz.<br />
Tvoí-li rozbíhavý svazek, pak vzniká obraz neskutený (virtuální, zdánlivý) v míst, ve<br />
kterém by byl prseík paprsk prodloužených proti smru jejich šíení. Tento obraz nelze<br />
zachytit na stínítku. Postup získávání <strong>optických</strong> obraz nazýváme optické <strong>zobrazování</strong>.<br />
Pedpokládáme: 1) pímoaré šíení svtla<br />
2) platnost zákona odrazu<br />
3) platnost zákona lomu<br />
4) chod svtelných paprsk je na sob nezávislý<br />
Typy opt. soustav: 1) zrcadla (zobrazení <strong>odrazem</strong>)<br />
2) oky (zobrazení <strong>lomem</strong>)<br />
ZRCADLA<br />
Rovinné zrcadlo<br />
Rovinné zrcadlo vytváí obraz zdánlivý, vzpímený, stranov pevrácený a stejn velký jako<br />
pedmt a je s pedmtem soumrný podle roviny zrcadla.
Kulové zrcadlo<br />
paraxiální paprsky – paprsky<br />
v blízkosti osy, kterými se bod<br />
zobrazí jako bod, pímka jako<br />
pímka – tzv. ideální zobrazení<br />
paraxiální prostor – prostor, ve<br />
kterém jsou paraxiální paprsky<br />
Popis:<br />
S – sted kulové plochy<br />
o – optická osa zrcadla<br />
V – vrchol zrcadla<br />
r – polomr kivosti SV<br />
F – ohnisko<br />
SF = VF<br />
A<br />
y<br />
a – pedmtová vzdálenost AV ,<br />
a‘ – obrazová vzdálenost A' V<br />
y – velikost pedmtu<br />
y‘ – velikost obrazu<br />
r<br />
f – ohnisková vzdálenost f = FV =<br />
2<br />
3význané paraxiální paprsky:<br />
1) paprsek jdoucí rovnobžn s optickou osou – odráží se do ohniska<br />
2) paprsek procházející ohniskem – odráží se rovnobžn s optickou osou<br />
3) paprsek procházející stedem kivosti – odráží se sám do sebe<br />
S<br />
zrcadlo<br />
duté<br />
a<br />
F<br />
V<br />
y<br />
A<br />
V F S<br />
A‘ r<br />
zrcadlo<br />
f<br />
vypuklé<br />
a‘<br />
A‘<br />
1. Užitím význaných paprsk sestrojte obraz pedmtu vytvoeného dutým zrcadlem:<br />
y A’<br />
V<br />
A S y’ F o<br />
’<br />
2. Užitím význaných paprsk sestrojte obraz pedmtu vytvoeného vypuklým<br />
zrcadlem:<br />
y<br />
V y’<br />
A A’ F S o
1 1 1<br />
Zobrazovací rovnice: = +<br />
f a a'<br />
Znaménková konvence: r, f, a, a‘ – pokud jsou ped zrcadlem, jsou vždy kladné.<br />
y'<br />
a'<br />
f a − f<br />
Zvtšení: Z = = − = − = −<br />
'<br />
y a a − f f<br />
a‘0 obraz skutený<br />
Z0 obraz neskutený<br />
Z < 1 zmenšený<br />
Z > 1 zvtšený<br />
Duté zrcadlo<br />
Vzdálenost<br />
Vzdálenost obrazu Velikost obrazu Druh<br />
pedmtu<br />
a>r r>a‘>f y ' < y<br />
skutený pevrácený<br />
a=r a‘=r y ' = y<br />
skutený pevrácený<br />
r>a>f a‘>r y ' > y<br />
skutený pevrácený<br />
a=f<br />
a '→ ∞ y ' → ∞<br />
a
OKY<br />
spojky<br />
ploskovypuklá<br />
rozptylky<br />
ploskodutá<br />
dvojvypuklá<br />
dutovypuklá<br />
dvojdutá<br />
vypuklodutá<br />
Zobrazují pomocí dvojího lomu svtla.<br />
O – optický sted oky<br />
o – optická osa<br />
S 1 , S 2 – stedy <strong>optických</strong> ploch<br />
r 1 , r 2 – polomry kivosti<br />
V 1 , V 2 – vrcholy oky<br />
r > 0 1. 2.<br />
r < 1. 2.<br />
2 1<br />
0<br />
F, F‘ (F, G) – ohniska<br />
V 2 S 1 V 1 V 2 S 2<br />
f – ohnisková vzdálenost f = F 0 = F ' 0<br />
S 2 V 1 O<br />
r > S 1<br />
0<br />
O<br />
r <<br />
1 2<br />
0<br />
oka musí být zanedbateln tenká ve<br />
srovnání s její ohniskovou vzdáleností.<br />
Zobrazení okami<br />
SPOJKA<br />
ROZPTYLKA<br />
A A<br />
F O F’ F A´ O F’<br />
A´<br />
3 význané paraxiální paprsky:<br />
1) paprsek jdoucí rovnobžn s optickou osou – láme se do ohniska<br />
2) paprsek procházející ohniskem – láme se rovnobžn s optickou osou<br />
3) paprsek procházející optickým stedem oky – nemní po prchodu okou svj smr<br />
1 1 1<br />
Zobrazovací rovnice: = +<br />
f a a'<br />
Znaménková konvence: a je kladná, a‘ je kladná za okou (v obrazovém prostoru) a<br />
záporná ped okou (v pedmtovém prostoru).<br />
<strong>Optické</strong> plochy vypuklé mají polomr kivosti kladný, duté mají záporný.<br />
y'<br />
a'<br />
f<br />
Zvtšení: Z = = − =<br />
y a<br />
− a − f<br />
= a − f<br />
− ' f
1. Sestrojte obraz pedmtu umístného v pedmtovém prostoru spojné oky tak, že<br />
f < a < 2f:<br />
y<br />
o<br />
A F O G A’<br />
2. Sestrojte obraz pedmtu umístného v pedmtovém prostoru spojné oky tak, že<br />
a < f (lupa!!!!!!!)<br />
y’ y<br />
F A’ A O G o<br />
3. Sestrojte obraz pedmtu umístného v pedmtovém prostoru rozptylné oky:<br />
y<br />
A F A’ O G o<br />
________________________________________________________________________________<br />
Dležité!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!<br />
Spojná oka vytváí<br />
• ve všech pípadech, kdy je pedmt od spojky vzdálen více než pedstavuje<br />
ohnisková vzdálenost f, obraz, který je skutený a<br />
pevrácený a <strong>jeho</strong> velikost záleží na tom, jak daleko je<br />
pedmt od oky<br />
• v pípad, že umístíme pedmt do ohniska, obraz nevznikne<br />
• v pípad, že umístíme pedmt mezi ohnisko a optický sted oky, vznikne vždy<br />
pímý, zdánlivý a zvtšený obraz (toto je jediná situace, kdy<br />
spojka vytvoí zdánlivý obraz!! - LUPA)<br />
Rozptylná oka nikdy nemže vytvoit skutený obraz. A umístíme pedmt kamkoliv, obraz<br />
je vždy zdánlivý (neskutený), pímý a zmenšený.<br />
________________________________________________________________________________
Zobrazení spojkou<br />
Vzdálenost pedmtu Vzdálenost obrazu Velikost obrazu Druh<br />
a>2f 2f>a‘>f y ' < y skutený, pevrácený<br />
f>0<br />
a=2f a‘=2f y ' = y skutený, pevrácený<br />
2f>a>f a‘>2f y ' > y skutený, pevrácený<br />
a=f<br />
a '→ ∞<br />
y ' → ∞<br />
a
Složení oka:<br />
- citlivost sítnice není všude stejná, nejvtší je v okolí prseíku s optickou osou<br />
(nejhustší oblast tyinek a ípk) – žlutá skvrna<br />
- akomodace oka – oka oka je spojená s kruhovými svaly, které mní její mohutnost<br />
a ohniskovou vzdálenost (zaostování) podle vzdálenosti pedmtu od oka<br />
- vzdálený bod oka – nejvtší vzdálenost, na kterou mže oko akomodovat, u zdravého<br />
oka v nekonenu<br />
- blízký bod oka – nejbližší bod, který se ješt zobrazí oste, u zdravého oka 15 cm<br />
- konvenní zraková vzdálenost – doporuená vzdálenost na tení, psaní, oko se<br />
neunaví tak rychle, jako pi menší vzdálenosti, u zdravého oka 25 cm<br />
Vady oka – korekce brýlemi<br />
1) krátkozrakost<br />
o oko píliš protáhlé, nebo oka moc vypuklá<br />
o vzdálený bod má v konené vzdálenosti a blízký bod posunutý k oku<br />
o mohutnost píliš velká, obraz vzniká ped sítnicí<br />
o mohutnost se zmenšuje rozptylkou<br />
2) dalekozrakost<br />
o oko píliš zploštlé nebo oka málo vypuklá<br />
o blízký bod má posunutý od oka a vzdálený je v nekonenu<br />
o mohutnost malá, obraz vzniká za sítnicí<br />
o mohutnost zvtšujeme spojkou<br />
- zorný úhel τ – úhel, který svírají okrajové paprsky pedmtu, které procházejí<br />
stedem oní oky<br />
- pokud chceme pedmt lépe vidt pozorujeme ho z menší vzdálenosti – zorný úhel<br />
vtší, ím je vtší, tím vidíme zetelnji detaily na pedmtu<br />
- nejmenší zorný úhel, kdy je ješt oko schopno rozlišit dva body je τ ≥ 1'<br />
, což<br />
odpovídá vzdálenosti 0,072 mm.<br />
Podmínky zetelného vidní<br />
1) obraz vzniká na sítnici<br />
2) pedmt je dostaten osvtlen<br />
3) zrakový vjem musí trvat pimenou dobu<br />
Prostorové vidní: Obma oima se v mozku zpracovávají nepatrn odlišné obrazy =<br />
trojrozmrné vidní do vzdálenosti asi 50m.
SUJEKTIVNÍ OPTICKÉ PÍSTROJE<br />
- vytváejí zdánlivý (neskutený) obraz, který pozorujeme okem (subjektivn) pod<br />
zvtšeným zorným úhlem<br />
τ '<br />
- jsou charakterizovány veliinou úhlové zvtšení γ =<br />
τ<br />
Lupa (spojná oka)<br />
Slouží ke zvtšení zorného úhlu pi pozorování drobných pedmt. Poskytuje 5 až 12-ti<br />
násobné zvtšení.<br />
A)Pozorování drobného pedmtu z konvenní zrakové vzdálenosti bez lupy:<br />
B)Pozorování drobného pedmtu lupou:<br />
Pedmt umísujeme mezi spojnou oku a její ohnisko Vzniká neskutený, zvtšený, pímý<br />
obraz.<br />
Úhlové zvtšení: γ =<br />
vzdálenost lupy.<br />
tgτ<br />
'<br />
=<br />
tgτ<br />
d<br />
f<br />
, kde d je konvenní zraková vzdálenost a f je ohnisková<br />
Mikroskop<br />
Slouží ke zvtšení zorného úhlu pi pozorování<br />
malých objekt, zvtšení až 1000x. Pozorovaný pedmt<br />
umístíme do malé vzdálenosti ped pedmtové ohnisko<br />
objektivu.<br />
Objektiv vytvoí skutený, pevrácený, zvtšený obraz,<br />
který pozorujeme okulárem jako lupou.<br />
Zvtšení:<br />
∆ d<br />
Z = Z<br />
ob<br />
⋅γ ok<br />
= ⋅ , kde f 1 je ohnisková vzdálenost<br />
f<br />
1<br />
f 2<br />
objektivu a f 2 okuláru, ∆ je optický interval mikroskopu<br />
a d je konvenní zraková vzdálenost.
Dalekohled<br />
Slouží k zvtšení zorného úhlu pi pozorování velkých, ale velmi vzdálených pedmt.<br />
Druhy dalekohled:<br />
1. používají jako objektiv spojnou oku;<br />
a) Keplerv dalekohled: objektiv je spojná oka s velkou ohniskovou vzdáleností,<br />
okulár je lupa. Vnitní ohniska splývají. Vytváí pevrácený, neskutený, zvtšený obraz.<br />
z obrázku plyne :<br />
Potom pro úhlové zvtšení mikroskopu platí :<br />
f 1 ... ohnisková vzdálenost objektivu<br />
f 2 ... ohnisková vzdálenost okuláru<br />
b) Galileiho dalekohled: objektiv= spojka, okulár= rozptylka. Obraz vzpímený,<br />
neskutený, zvtšený. Na tomto principu pracují nap. divadelní kukátka.<br />
c) Hranolový dalekohled- triedr: souástí konstrukce jsou optické odrazné hranoly,<br />
které pevrací obraz stranov i výškov (do “vzpímené polohy”).
2. používají jako ojektiv duté zrcadlo.<br />
Newtonv dalekohled: objektiv tvoí duté parabolické zrcadlo, okulár tvoí spojka. Vzniká<br />
skutený obraz vzdáleného pedmtu.<br />
OBJEKTIVNÍ OPTICKÉ PÍSTROJE<br />
- pístroje sloužící k záznamu obrazu<br />
- patí sem diaprojektory, fotografický pístroj, zvtšovací pístroj, filmová kamera atd.<br />
Fotografický pístroj- skládá se z objektivu, komory a zaízení na kterém se zachycuje<br />
obraz. Vzdálenost pedmtu bývá vtší než 2f objektivu, obraz pedmtu vzniká v obrazovém<br />
prostoru ve vzdálenosti mezi f a 2f, je skutený, pevrácený, zmenšený.<br />
Za posledních deset let se fotografický proces zmnil zcela revolun. Klasický i digitální<br />
fotoaparát mají v podstat stejnou konstrukci: svtlo odražené od fotografovaného pedmtu<br />
prochází objektivem, <strong>jeho</strong> množství se reguluje zmnou otvoru clony a dobou otevení<br />
závrky. V klasických pístrojích se používá závrka mechanická, digitální pístroje mohou<br />
mít závrku mechanickou i elektronickou. Zásadní rozdíl mezi obma typy spoívá ve<br />
zpsobu, jak v nich vzniká obraz.<br />
:<br />
Obraz se zaznamenává na fotografický film, obvykle barevný. Dopadem svtla na citlivou<br />
vrstvu filmu v ní vzniká latentní (skrytý) obraz. Exponovaný film je teba laboratorn<br />
zpracovat ve vývojce a v ustalovai. Na filmu vznikne negativní obraz, na nmž si barvy<br />
objekt "vymní místo" za barvy doplkové. Zvtšovacím pístrojem se negativní obraz<br />
promítá na fotografický papír, na nmž po vyvolání a ustálení vznikne pozitivní obraz. Tento<br />
klasický (analogový) postup se dnes v profesionálních laboratoích používá jen zásti:<br />
vyvolaný a ustálený negativní film se naskenuje a dále se zpracovává digitáln - pozitivní<br />
snímky vznikají pomocí poítae na barevné tiskárn.<br />
:<br />
Konstrukce digitálního fotoaparátu je podobná konstrukci fotoaparátu klasického, avšak<br />
zpsobem vzniku a zaznamenání obrazu se digitální fotoaparát liší od klasického naprosto<br />
diametráln. Digitální obraz vzniká na plošce polovodiového obrazového snímae - ipu.<br />
Tento kemíkový ip CCD (zkratka slov Charge-Coupled Device) o ploše nkolika cm 2 je<br />
tvoen nkolika milióny svtlocitlivých obrazových bod neboli pixel. Pro posouzení kvality<br />
výsledného obrazu je hlavním kritériem poet pixel na ipu (fotoaparáty v mobilu mají
ozlišení kolem 2 megapixel, kvalitní pístroje pro bžné amatérské použití jsou schopny<br />
zobrazit 8 i více megapixel).<br />
Princip vzniku obrazu: Obrazový sníma využívá citlivosti polovodi na svtlo. Jakmile<br />
stiskneme spouš fotoaparátu, svtlo procházející objektivem vytvoí na plošce ipu obraz<br />
fotografovaného pedmtu podobn jako na fotografickém filmu.<br />
Dopadem svtla se v každé z bunk ipu z vazeb uvolují elektrické náboje. ím víc je uritá<br />
buka osvtlena, tím vtší náboj na ní vznikne. Obraz vytvoený svtlem se ipem pemní na<br />
neviditelný "elektrostatický obraz", tvoený náboji na jednotlivých bukách ipu.Další<br />
operace s obrazem už provádjí elektronické obvody, které jsou "srdcem" každého digitálního<br />
pístroje. Tzv. analogov-digitální pevodník pemní elektrostatický obraz na elektrické<br />
impulzy, které se po zpracování ukládají v digitální podob (jako série "nul" a "jedniek") do<br />
pamové karty fotoaparátu.<br />
Takto zaznamenaný digitální obraz by byl pouze ernobílý. Souasné ipy jsou schopny<br />
rozlišovat jen rozdíly v jasu, ale ne v barv.<br />
Detail obrazového snímae - ipu CCD<br />
Pro zaznamenání barevného obrazu musí ip zaznamenávat informace zvláš pro každou ze<br />
tí základních barev. Proto jsou jednotlivé pixely ipu tvoeny trojicemi svtlocitlivých bunk,<br />
pekrytých filtrem jedné ze základních barev: ervené, modré nebo zelené. Každá z trojice<br />
bunk tedy pedává elektronickým obvodm informace o intenzit svtla odpovídající barvy.<br />
Na obrazovce poítaového monitoru pak dochází k opanému dji. Informace o intenzit<br />
ervené (modré nebo zelené) barvy se pedají bodm záícím erven (mode nebo zelen).<br />
Naše oko z tchto tí barevných složek vytvoí výslednou barvu. Pro každý bod obrazu<br />
existuje asi 16 milión možných kombinací jas základních barev, tedy 16 milión barevných<br />
odstín!<br />
Pár slov z krátké historie:<br />
První experimenty s digitálním obrazem probhly zaátkem 60. let minulého století, kdy se<br />
hledal nejvhodnjší zpsob penosu snímk z kosmických sond na Zemi. První digitální<br />
fotoaparát pro bžné spotebitele se dostal na trh až v roce 1994. Jeho ip tvoilo jen pibližn<br />
300 000 pixel, což je zhruba dvacetkrát mén než u dnešních model! Hned v následujícím<br />
roce pišel na trh první pístroj s LCD displejem na zadní stn a roku 1996 se k ukládání<br />
digitálních obrázk zaaly používat pamové karty.
Projekní pístroje– pedmtem je objekt malých rozmr, pístroj vytváí skutený,<br />
pevrácený a zvtšený obraz na projekní ploše.