Проекционные оптические приборы.

Проекционные приборы дают на экране действительное, увеличенное изображение картины или предмета. Такое изображение может рассматриваться со сравнительно большого расстояния и благодаря этому может быть видно одновременно большому числу людей. На рис.240 изображена схема проекционного аппарата, предназначенного для демонстрации прозрачных объектов, например рисунков и фотографических изображений на стекле (диапозитивы), фотопленке (слайды) и т.п. Такие аппараты называются диаскопами (диа – прозрачный). Освещение объекта 1 производится ярким источником света 2 с помощью системы линз 3, называемой конденсором (рис.36). За источником устанавливается вогнутое зеркало 4, в центре которого находится источник. Это зеркало, отражая обратно в систему свет, падающий на заднюю стенку осветителя, увеличивает освещенность объекта

Рис.36. Схема диаскопа.

Объект помещается вблизи фокальной плоскости объектива 5, который дает изображение на экране 6. Для резкой наводки объектив может плавно перемещаться. Проекционные системы очень часто употребляются для демонстрации рисунков, чертежей и т.п. во время лекций (проекционный фонарь).

Киноаппарат представляет собой проекционную систему того же типа с тем усложнением, что демонстрируемые картины (кадры) очень быстро сменяют одна другую (24 кадра в секунду).

Интересна история создания киноаппарата. В 1893 г. профессор Московского университета Н.Любимов высказал механику Новороссийского (Одесского) университета Иосифу Тимченко свои соображения о необходимости скачкообразной смены фотокадров в диаскопе. Вскоре И.Тимченко сконструировал скачковый механизм - грейфер, зубец которого, попадая в отверстие перфорации пленки осуществлял прерывистую смену кадров. Этот механизм сравнительно долгие остановки зубчатого колеса ритмично чередовал с мгновенными и короткими его проворотами, сменявшими кадры фотопленки. Фильм передвигается скачками – каждый раз на один кадр. В момент передвижения фильма световой пучок перекрывается подвижной заслонкой обтюратором. На основе этого механизма И.Тимченко вместе с другим русским изобретателем, одесситом М.Фрейденбергом создал киноаппарат для съемок и демонстрации «живой фотографии». Это было в конце 1893 г., по шутке судьбы – в те самые дни, когда в Одессе демонстрировался электротахископ – громоздкое сооружение немецкого инженера О.Аншютца, где в небольшом окошечке зритель видел фотографии фаз движения, причем при смене фотографий на миг гасла лампа, освещавшая их.

Уже 9 января 1894 г. на заседании секции физики IX съезда русских естествоиспытателей и врачей в Москве аппарат И.Тимченко с механизмом прерывистого передвижения ленты и с проекцией на экран был показан зрителям, На экране они увидели скачущих кавалеристов и метателей копья. Участники съезда русские ученые-физики А.С.Столетов, П.Н.Лебедев, Н.А.Умов дали высокую оценку изобретению. Через два дня был опубликован протокол заседания, который зафиксировал «акт публичной демонстрации профессором Н.Любимовым «снаряда для анализа стробоскопических явлений, устроенного в осуществление его мечты механиком Новороссийского университета г.Тимченко. Секция отнеслась весьма сочувственно к работам г.Тимченко, его остроумию и оригинальности, засвидетельствованными профессорами Умовым и Клоссовским, и по предложению председателя профессора Пильчикова и профессора Боргмана решила выразить г.Тимченко благодарность...». Первое официальное известие о созданном И.Тимченко «снаряде для анализа «стробоскопических явлений» было опубликовано 11 января 1894 г., однако из-за недальновидности царских чиновников И.А.Тимченко не получил патент на свое изобретение.

Поэтому история принимает за дату рождения кинематографа – 28 декабря 1895 года. Именно в этот день сыновья процветающего владельца фабрики фотопластинок Луи и Огюст Люмьер, арендовав в самом фешенебельном районе Парижа подвал «Гран кафе», дали первый в мире платный публичный киносеанс (а кинематограф в Одессе существовал уже больше года! Другое дело, что владельцы фирмы фототоваров «Люмьер», имевшие представителей во всех крупных странах, сразу же взялись за энергичное продвижение своего аппарата, а гениальный механик И.Тимченко, тративший свое жалование на оборудование и станки, вынужден был брать частные заказы).

Рис. 37. Схема простейшего киноаппарата.

Свет от лампы 1 через конденсор 2 освещает проецируемый кадр на фотопленке 4. Синхронно действующие обтюратор 6, лентопротяжный механизм 5 и грейфер 4 осуществляют скачкообразное продвижение пленки, кадры которой объективом 3 проецировались на экран (рис.37).

При проецировании фильма на экране получается сильно увеличенное изображение. Так, например, при проецировании кадра кинофильма размером 18 х 24 мм на экран с размерами 3,6 х 4,8 м линейное увеличение равно 200, а площадь изображения превышает площадь кадра в 40 000 раз. Для того чтобы освещенность объекта была достаточно равномерной, важную роль играет правильный подбор конденсора Попытки «концентрации» света на объекте при- водят обычно только к тому, что конденсор дает на нем сильно уменьшенное изображение источника, и если этот последний не очень велик, то объект будет освещен крайне неравномерно. Кроме того, при этом часть светового потока пойдет мимо проекционного объектива, т.е. не будет участвовать в образовании изображения на экране. Выбор конденсора дает возможность избежать этих недостатков.

Рис.38. Освещение объекта с помощью конденсора.

Конденсор 1 устанавливается таким образом, чтобы он давал изображение 6 небольшого источника 2 на самом объективе 3 (рис.38.) Размеры конденсора выбираются с таким расчетом, чтобы весь диапозитив (кадр) 4 был равномерно освещен. Лучи, проходящие через любую точку кадра, должны затем пройти через изображение 6 источника света; следовательно, они попадут в объектив и по выходе из него образуют на экране изображение этой точки кадра. Таким образом, объектив даст на экране изображение всего объекта, которое будет правильно передавать распределение светлых и темных областей на прозрачном объекте (кадре).

С развитием механики и оптики получили распространение широкоэкранное кино (соотношение сторон кадра 16:9), широкоформатное кино (съемка производится на кинопленку шириной 70 мм, что позволяет значительно увеличить качество и размеры изображения на экране), стереокино (съемка и демонстрация производится двумя камерами, дающими изображение для рассматривания правым и левым глазом, что создает объемное впечатление, т.е стереоэффект), панорамное кино (съемка и демонстрация производится синхронно действующими несколькими камерами, направленными на различные участки протяженного объекта, что позволяет создать на закругленном экране, изображение, рассматриваемое зрителем под широким углом поля зрения до 120^о-180^о. Созданы системы – циклорамы – создающие «круговое» изображение, охватываемое углом поля зрения 360^о.

Для демонстрации на экране непрозрачных предметов например чертежей и рисунков, выполненных на бумаге, их сильно освещают сбоку с помощью ламп и зеркал и проецируют с помощью светосильного объектива.

Рис.39. Проекционный аппарат для демонстрации непрозрачных объектов

Схема такого прибора, называемого эпископом или эпипроектором, изображена на рис.39. Источник 1 с помощью вогнутого зеркала 2 освещает объект 3, лучи от каждой точки S объекта поворачиваются плоским зеркалом 4 и направляются в объектив 5, который дает изображение на экране 6.

Часто применяют приборы, имеющие двойную систему для проецирования как прозрачных, так и непрозрачных предметов. Такие приборы называются эпидиаскопами.

15.Фотографический аппарат.

Фотоаппарат состоит из объектива 1 и корпуса 2 со светонепроницаемыми стенками, называемого камерой (рис.40). За объективом зеркальной камеры располагается откидное зеркало 4, при поднятом зеркале лучи, прошедшие сквозь объектив попадают на чувствительный к свету фотоприемник 3, при опущенном зеркале 4 изображение создается на матовом стекле 5 видоискателя. Это изображение рассматривается фотографом через увеличивающий окуляр видоискателя 6 при помощи оборачивающей призмы (пентапризмы) 7 (см.рис.7).

Рис.40.Схема зеркального фотоаппарата.

В «классических» фотоаппаратах фотоприемником 3 является фотопленка. Под действием света в светочувствительном слое фотопленки образуется невидимое глазом скрытое изображение. Для выявления этого изображения экспонированная (освещенная) фотопленка подвергается специальной обработке.

В «цифровых» аппаратах приемником света 3 является мозаичная матрица, в ячейках которой под действием падающего света происходить накапливание электрического заряда. Количество мозаичных ячеек определяет качество получаемого изображения. В настоящее время существуют портативные цифровые аппараты с матрицами, позволяющими получить изображение, насчитывающее до 15-20 млн. пикселей.

Для того чтобы получить отчетливое изображение фотографируемого предмета на пленке наводка на резкость осуществлялась путем передвижения объектива в его тубусе, а качество «наводки на резкость» фотограф контролировал по изображению получаемому на матовом стекле видоискателя. В современных аппаратах наводка на резкость осуществляется автоматически передвижением линзы (группы линз) относительно друг друга в сложных многолинзовых объективах, а качество наводки контролируется специальными сенсорами по контрастности получаемого на фотоприемнике изображения. Такие фотоаппараты называются автофокусными.

Наиболее ответственной частью фотоаппарата является фотообъектив; им в основном определяется качество снимка и возможность снять в данных условиях тот или иной объект. Фотообъективы, сочетающие большую светосилу и большой угол зрения с высоким качеством изображен состоят обычно из нескольких линз и представляют довольно сложную конструкцию. На оправе объектива обычно гравируются характеризующие его величины, а именно, фокусное расстояние и знаменатель дроби относительного отверстия. Обычно применяемые фотообъективы имеют относительное отверстие от 1:5,6 до 1:2,8 при поле зрения 50^о–60^о, существуют и более светосильные объективы.

Существуют различные объективы, предназначенные для различных целей: макрообъективы (съемка малых объектов с расстояний порядка нескольких сантиметров); широкоугольные (поле зрения до 110^о-120^о), с верхширокоугольные («рыбий глаз» – fish eye), обеспечивающие поле зрения 180^о и более; телеобъективы (с фокусным расстоянием до 2 м для фотосъемки удаленных предметов) и прочие.

Для того чтобы регулировать световой поток, поступающий в фотоаппарат, объектив снабжается диафрагмой, диаметр которой можно изменять и таким образом менять относительное отверстие. Необходимо заметить, что реальная светосила объективов значительно меньше той, которая получается из чисто геометрических построений. Дело в том, что не весь световой поток, падающий на систему, ходит через нее; часть света отражается, часть поглощается в системе. Доля поглощенного света обычно невелика, но отражения на поверхностях линз играют большую роль. Как мы знаем, при нормальном падении от границы стекло – воздух или воздух – стекло отражается около 4–5%% падающего света; при наклонном падении доля отраженного света несколько возрастает. Таким образом, в объективе, имеющем три-четыре линзы, т.е. шесть-восемь отражающих поверхностей, потери света достигают 30 – 40%%.

Отражение света от поверхностей линзы не только уменьшает светосилу прибора, но и приводит еще к одному неприятному явлению: отраженный свет создает световой фон, из-за которого скрадывается различие между темными и светлыми местами, т.е. понижается контраст изображения. Для уменьшения потерь на отражение разработан прием, называемый просветлением оптики. Этот прием состоит в том, что на поверхность линзы наносится тонкая прозрачная пленка из подходящего материала. Благодаря явлению интерференции доля отраженного света при правильном подборе пленки (ее толщины и показателя преломления) может 6ыть сильно уменьшена. Обычно толщина слоя выбирается из расчета минимального отражения зеленого света. Тогда для более коротких и более длинных волн отражение больше, чем для зеленого света. Если на такую поверхность падает белый свет, то отраженный свет имеет сине-красный оттенок. Оптические системы с подобными поверхностями получили название «голубой оптики». Такая просветленная оптика имеет значительно большую реальную светосилу и дает более контрастное изображение, чем такая же оптика без просветления. В современных оптических приборах удается в известных пределах сочетать большую светосилу с хорошим качеством изображения за счет использования многолинзовых оптических систем. Такие SMC-объективы (SMC – super multi coating - сверхмногослойное покрытие) получили название «янтарной оптики».

Промежуток времени, необходимый для освещения пленки (выдержка), зависит от чувствительности пленки и от условий освещения фотографируемого предмета. Для того чтобы можно было производить съемку с очень маленькой выдержкой (сотые и тысячные доли секунды), в пленочных камерах применяется затвор – быстро движущаяся металлическая шторка 8 (см.рис.40) с регулируемой шириной щели. В цифровых камерах роль затвора выполняет импульс тока, считывающий заряд, накопленный отдельными ячейками матрицы, поэтому цифровые камеры работают практически бесшумно – в них отсутствуют шумы от перемотки пленки, спуска затвора и пр.

Во время фотосъемки мимовольное дрожание руки может вызвать размытость изображения, особенно в теле режиме или при относительно больших выдержках (десятые доли секунды). Эта проблема решается при помощи технологии оптической стабилизации изображения (рис.41).

Рис.41.Схема объектива с оптической стабилизацией изображения.

Обнаружив вибрацию камеры, встроенный гироскопический датчик 1 передает сигнал микропроцессору 2 для расчета коррекции. На основе полученных данных линейный мотор смещает корректирующую линзу 3, так, чтобы входной световой луч из объектива направлялся точно на матрицу 4. Весь процесс – от определения вибрации до коррекции положения линзы – занимает десятые доли секунды. Таким образом, можно использовать резкое изображение быстродвижущихся предметов.

Спектроскоп

Особое место среди оптических приборов занимают спектральные аппараты, с помощью которых можно исследовать спектральный состав света. Чаще всего в спектральных аппаратах используется в качестве устройства для разложения света по длинам волн призма, выполненная из материала со значительной дисперсией.

Ход лучей через призменный спектральный аппарат показан на рис.42.

Рис.42. Призменный спектроскоп.

Освещаемая светом щель S помещается в фокальной плоскости линзы L ₁, поэтому на призму падает параллельный пучок света. Призма Р раскладывает свет на составные части. Параллельные пучки, выходящие из призмы имеют для разных длин волн различное направление. Угол между направлением лучей различных длин волн определяется материалом, из которого изготовлена призма, величиной преломляющего угла α и положением призмы в параллельном пучке света, падающего на нее. Затем эти параллельные пучки света после призмы собираются линзой L ₂ (коллиматором) в фокальной плоскости Э в виде спектра. Если свет, падающий на щель S представляет собой набор нескольких монохроматических пучков, то спектр имеет вид отдельных изображений щели в разных длинах волн, т.е. имеет вид отдельных узких линий, разделенных темными промежутками. Если на щель падает белый свет, то все отдельные изображения щели сливаются в цветную полосу.

Получаемую картину можно наблюдать визуально с помощью окуляра, прибор тогда называют спектроскопом, а можно регистрировать с помощью фотопластинки или фотопленки, тогда спектральный прибор называют спектрографом. Если же в фокальной плоскости линзы L ₂, установить выходную щель, с помощью которой будет выделяться узкий участок спектра, то прибор будет называться монохроматором.

В современных спектральных приборах в фокальной плоскости коллиматора устанавливается светочувствительная матрица, аналогичная используемой в цифровых фотоаппаратах, при этом расположение ячеек матрицы соответствует определенным длинам волн. Считывая сигнал с такой ячейки можно сразу определить интенсивность данной спектральной линии. Такие приборы получили название микрофотоспектрометров (МФС).

Обрабатывая полученную МФС информацию на ЭВМ, можно быстро провести атомный спектральный анализ исследуемой пробы. Качественный спектральный анализ дает ответ на вопрос: содержится ли конкретный элемент в данной пробе. Количественный спектральный анализ дает ответ на вопрос: сколько данного элемента содержится в данной пробе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: