Optisk illustration

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

I optik er optisk billeddannelse dannelsen af ​​et billedpunkt fra et objektpunkt ved at kombinere lys, der kommer fra objektpunktet ved hjælp af et optisk system. Et billede er totaliteten af ​​alle individuelle pixels, der repræsenterer alle objektpunkter.

Et ægte billede kan tages på en skærm. Lyset er virkelig forenet der. Et virtuelt billede ser ud til at flyde i rummet. Med en stråle-optisk konstruktion kombineres stråler også i pixels. Når man observerer, synes lyset at komme fra de virtuelle pixels.

Det optiske system kan bestå af linser, spejle, membraner osv. eksisterer. Kun punkterne i hvert tilfælde på et objektplan er kortlagt i et specifikt billedplan. Jo længere objektpunkterne er væk fra dette objektplan, jo mindre skarpe vises de i billedplanet. I de fleste rigtige optiske systemer er den acceptable afstand fra objektplanet - dybdeskarpheden - meget lille.

Optiske systemer

Udover linser og spejle producerer membraner med punkterede åbninger optiske billeder. De kan derfor bruges alene som optiske systemer - f.eks. Som hulhulskameraer - til billeddannelse. Mere komplekse systemer består af flere optiske komponenter .

For at reducere afvigelser består linser ofte af flere typer linser af forskellige typer glas, men de fungerer altid som en konvergerende linse . Indsamling af linser og objekter frembringer et omvendt, omvendt billede, f.eks. På film i et fotokamera .

Ved hjælp af et omvendt prisme eller en anden billedkonvergerende linse kan det billede, der genereres af linsen, straks roteres igen for at konvertere mellembilledet f.eks. B. i kameraets søger eller til projektion i forstørrelsen eller diasprojektoren korrekt sideværts og oprejst. Afstanden mellem to objektiver svarer nogenlunde til summen af ​​deres brændvidder. Det skal øges, hvis et nært objekt skal ses.

Princippet for et astronomisk teleskop er at se på billedet genereret af linsen med et forstørrelsesglas eller et okular . Dette forstørrelsesglas eller okularet skaber kun et billede på nethinden sammen med øjenlinsen. Derfor er billederne af et astronomisk teleskop og også af et mikroskop, der fungerer på samme måde, på hovedet. Kikkert og mange stereomikroskoper har derfor ofte oprejst prismer, som ofte også tjener til at forkorte den samlede længde.

Optisk billeddannelse med individuelle linser og sfæriske spejle

Den idealiserende stråleoptik starter normalt fra en uendeligt fjern punktlyskilde. Strålerne, der kommer derfra, løber parallelt med hinanden. Hvis det afbildede objekt ikke er i det uendelige, men på afstanden af ​​en endelig objektafstand , genereres billedet i den tildelte billedafstand , som i tilfælde af den konvergerende linse altid er større end brændvidden. Billedplanet er buet.

De yderligere overvejelser gælder for en såkaldt paraxial strålebane . Alle overvejelser gælder strengt taget kun for et meget smalt område omkring den optiske akse . Linserne er idealiseret til uendeligt tynde planer, og lysets farve negligeres. Denne forenkling er vigtig, fordi brændvidden er forskellig for hver farve.

De samme principper gælder for spejle som for linser. Når man ser på de billedlige repræsentationer, skal man kun være opmærksom på, at strålens retning faktisk skulle vendes på hver spejloverflade.

En konvergerende linse fokuserer indfaldende lysstråler parallelt med den optiske akse ind i brændpunktet , som er afstanden , brændvidden , har af linsen; omvendt afbøjes lys fra brændpunktet og falder gennem linsen til et bundt af parallelle lysstråler.

Konstruktion af et rigtigt billede på en konvergerende linse

Generelt kan objekter kortlægges ved hjælp af en konvergerende linse. Her udpeget objektets afstand fra linsen (også kaldet objektafstand) og billedets afstand fra linsen (billedafstand). Hvis linsen er tynd, holder linsens ligning

.

Denne talemåde udtrykker, at et objekt, der er på afstand fra et objektiv med brændvidde er kortlagt på en skærm, der er på afstand placeret på den anden side af linsen. kravet er, at er. Et kamera fungerer efter dette princip; I dette tilfælde er skærmen den film, der skal eksponeres (eller, i digitale kameraer, det halvlederlag, der skal eksponeres), hvorpå det såkaldte virkelige billede kortlægges.

Men hvis objektet er mellem brændpunktet og linsen (dvs. ), Så bliver det negativ; billedet er derefter virtuelt og vises foran linsen. Selvom et virtuelt billede ikke kan vises på en skærm, er det synligt for en observatør, der kigger gennem linsen uden yderligere hjælpemidler. Et forstørrelsesglas fungerer efter dette princip.

Konstruktion af et virtuelt billede på en konvergerende linse

Forstørrelsen af en linse er igennem

givet, hvor er forstørrelsesfaktoren. En negativ her betyder et ægte og omvendt billede; en positiv betyder et virtuelt billede, der står oprejst.

Ovenstående formel kan også bruges til divergerende linser. Sådanne linser producerer virtuelle billeder i alle tilfælde.

Konstruktion af et virtuelt billede på en divergerende linse

Beregningen (modelleringen) af rigtige optiske systemer fra et stort antal linser eller spejle er naturligvis uforligneligt mere kompleks, men udføres på samme måde som proceduren for individuelle objektiver.

Billedfejl

Man taler om billedbehandlingsfejl, når de forskellige lysstråler, der kommer fra objektpunktet, ikke alle er fokuseret i ét billedpunkt.

De vigtigste afvigelser er sfærisk og kromatisk aberration .

Sfæriske og kromatiske aberrationer korrigeres af systemer, der består af flere linser af forskellige glastyper, sfæriske aberrationer korrigeres af asfæriske linser eller gradientlinser.

Spejloptik har ingen kromatisk aberration. Den sfæriske aberration af et sfærisk spejl kan rettes med en korrigerende glasplade opfundet af Bernhard Schmidt . Det såkaldte Schmidt-teleskop (også Schmidt-spejl) udviklet af ham har derfor et særligt stort synsfelt.

En glasplade (plan plade ) skaber et billedplan offset eller sløring at stiger som åbningsvinklen stiger.

Proces svarende til optisk billeddannelse

Kvasi-optiske billeder

Generelt kan et kvasi-optisk billede også opnås med andre former for stråling ( mikrobølger , røntgenstråler , millimeterbølger , terahertz-stråling , ultraviolet , infrarød stråling ), hvis et billede kan genereres ved brydning eller refleksion på buede overflader (f.eks. Røntgenteleskop , radioteleskop ).

Elektronoptik er fokuseret stråleafbøjning af elektroner ved hjælp af magnetiske eller elektriske felter. Analogt med optiske linser er der derfor elektronlinser , der består af felter, men disse har alvorlige afvigelser. De kan findes som billedlinser i billedforstærkere og transmissionselektronmikroskoper , men også til fokusering i katodestrålerør og elektronkanoner .

Skygge

Skyggeudkastet repræsenterer heller ikke et optisk billede i streng forstand.Her garanteres et skarpt billede ved, at praktisk talt kun en stråle udgår fra et punkt på objektet, så der ikke kræves noget optisk system for at kombinere lyset. Dette kan gøres ved hjælp af en defineret lyskilde (punktlignende eller med parallelt lys). Objektet er i strålebanen og absorberer en del af lyset. I modsætning til illustrationen er stort set ethvert plan bag objektet egnet som projektionsplan. Dette er z. B. bruges i røntgendiagnostik . En anden mulighed er den direkte hvile af objektet på projektionsplanet, f.eks. B. med kontakteksemplarer.

historie

Enkle former for optisk billeddannelse kan allerede findes i det store udendørs: lyspunkter, der er synlige under en baldakin af blade på jorden, får ikke hullernes form, men lyskildens . Det vil sige, at de er runde i solskin (bortset fra delvise solformørkelser , i måneskin tager de form af halvmånen.)

I en første abstraktion fører denne observation til udviklingen af camera obscura : I et mørkt rum, hvis ene væg har et lille hul, skabes et billede af ekstern virkelighed på bagsiden. Dette velkendte fænomen afspejles også i filosofiens allegori .

Billedet, der er skabt i camera obscura, er lysere, jo større hullet er. Men efterhånden som hullets størrelse stiger, stiger billedets skarphed også. Dette dilemma kan løses ved at fokusere lyset ved hjælp af en konvergerende linse . Hver konvergerende linse har et fokus (fokuspunkt), som er defineret ved, at lyset fra en imaginær, uendeligt fjern, punktformet lyskilde genforenes til et punkt. Udvidede objekter fører til et todimensionalt billede i brændplanet defineret af brændpunktet. Dette kan let spores på et ark papir med forstørrelsesglas og lyset fra en struktureret lyskilde (glødelampe, dagslys i vindueskorset).

Se også

litteratur

  • Heinz Haferkorn: Optik. Fysisk-tekniske basics og applikationer. 4., reviderede og udvidede udgave. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8 .
  • Eugene Hecht: optik. Addison-Wesley, Bonn et al. 1989, ISBN 3-925118-86-1 .