21.3.2013
Rozdělení • přístroje zobrazovací – obraz zdánlivý – subjektivní přístroje
Optické přístroje
• lupa • mikroskop • dalekohled
– obraz skutečný – objektivní přístroje
úvod
• 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)
Lupa
• fotoaparát • projekční přístroje
• 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
zvětšení zorného úhlu u lupy
• 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
úhlové zvětšení γ = d / a d ... konvenční zraková vzdálenost (25 cm) a ... vzdálenost předmětu
1
21.3.2013
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
zvětšení mikroskopu • optický interval ∆ je vzdálenost obrazového ohniska objektivu a předmětového ohniska okuláru F1´F2 • zvětšení mikroskopu je součin zvětšení objektivu (γ1) a okuláru (γ2) a platí
Z 1 2
zobrazení mikroskopem objektiv
y
okulár
F1´ F1
F2 y´
F2´ o.o.
y´´
obraz je zvětšený a převrácený
příklad • Ohnisková vzdálenost objektivu mikroskopu je 0,8 cm, okuláru 5 cm, vzdálenost mezi objektivem a okulárem je 21 cm. Určete zvětšení mikroskopu.
d . f1 f 2
• kde d je konvenční zraková vzdálenost (d= 25 cm), f1 je ohnisko objektivu, f2 je ohnisko okuláru
2
21.3.2013
mikroskop v historii
použití mikroskopu
• předchůdci mikroskopu: rok 1590 – Z. Jansen, Holandsko • 1610 – G. Galilei • mikroskop – r. 1676 – A. van Leewenhoek, Holandsko
• 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
Základní typy čočkových dalekohledů Keplerův (astronomický) dalekohled - 2 spojky, obraz je převrácený
okulár
objektiv
• podle účelu: – dalekohledy astronomické – dalekohledy pozemní (terestrické) - včetně zaměřovacích a geodetických – divadelní kukátka – triedry
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
F1
F1´= F2 y´
F2´ o.o.
při zaostření na nekonečno ohniska splývají
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.
3
21.3.2013
triedr – obsahuje převracecí hranoly a obraz tedy není převrácený
refraktor
Galileův dalekohled
čočkový dalekohled – hvězdárna v Nice
dalekohled v historii
– systém spojka + rozptylka – použití: divadelní kukátko – obraz je vzpřímený, nepotřebuje převracecí hranoly – krátký film
fotoaparát
• 1608 – Hans Lippershey, Holandsko • 1609 – G. Galilei – typ spojka + rozptylka – astronomická pozorování (objev čtyř měsíců Jupitera – „galileovské měsíce“) – viz zde • 1611 – J. Kepler
4
21.3.2013
základní části fotoaparátu • objektiv • závěrka • světlocitlivý materiál (film, senzor)
schéma zrcadlovky
• širokoúhlý - malá ohnisková vzdálenost
objektiv -soustava spojek
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
• teleobjektiv – velké ohnisko
a) 28 mm (širokoúhlý) b) 50 mm (základní) c) 200 mm (teleobjektiv)
5
21.3.2013
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
různé příklady velikostí clony
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
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
6
21.3.2013
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.
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)
porovnání snímků s různou dobou expozice
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)
7
21.3.2013
chromatická aberace – především focení v protisvětle
Vady objektivů víceméně odpovídají vadám čoček
bokeh • vlastnost rozostřeného pozadí snímku • podle množství lamel objektivu se např. svítící body jeví jako mnohoúhelníky
vinětace • ztmavení snímku v rozích • především širokoúhlé objektivy
počet „paprsků“ vyfotografovaného slunce také odpovídá počtu lamel clony
zkreslení obrazu • především soudkovité zkreslení u extrémně širokoúhlých objektivů
8
21.3.2013
odrazy v protisvětle vlivem odrazů uvnitř objektivu
projekční přístroje • dataprojektor, promítačka diapozitivů, zvětšovací přístroj – totožný princip
předmět čočka přístroje
projekční plocha
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
9
