Optické soustavy vytvářejí obrazy předmětů prostřednictvím uspořádání optických prostředí a jejich rozhraní, která mění směr chodu paprsků. Hlavními prvky optických soustav jsou zrcadla a čočky, dále optické hranoly, clony a další prvky, jejichž kombinací získáváme požadované vlastnosti obrazu. Obraz vzniká, když světelné paprsky po průchodu soustavou buď sbíhají a protínají se, nebo se rozbíhají a nekříží, což určuje jeho reálnost či zdánlivost.
Základní principy geometrické optiky
Postup, kterým získáme optické obrazy bodů, vychází z obecných zákonů paprskové optiky: přímočaré šíření světla, zákon odrazu, zákon lomu a nezávislost chodu světelných paprsků. Z jednotlivých bodů svítícího nebo osvětleného předmětu vychází rozbíhavý svazek paprsků; pokud dopadá do oka, oční čočka tento svazek změní na sbíhavý a na sítnici oka vytvoří obraz daného bodu. Souhrn obrazů všech bodů potom tvoří obraz předmětu.
Obraz je buď skutečný (reálný) a vznikuje při soustředění sbíhavých paprsků do průsečíku, nebo zdánlivý (neskutečný) a vzniká v průsečíku prodloužených rozbíhavých paprsků za soustavou; takový obraz nelze zachytit na stínítko. Pokud jsou předmět a obraz orientovány stejně, hovoříme o přímém (vzprímném) obrazu; pokud jsou orientovány opačně, obraz je převrácený.
Hlavní optické soustavy a jejich obrazy
- Mikroskop - základní optické prvky: objektiv (blíže k předmětu) a okulár (blíže oku). Objektiv je spojná čočka s malou ohniskovou vzdáleností; pozorovaný předmět je před ohniskem objektivu a obraz je skutečný, převrácený a zvětšený. Okulár nastavuje obraz do své předmětové ohniskové roviny, kde jej zvětšuje; úhlové zvětšení mikroskopu je součin zvětšení objektivu a okuláru. U běžných mikroskopů se dosahuje zvětšení až 100×, speciální mikroskopy až 2000×. Pro vyšší úhlové zvětšení se používají elektronové mikroskopy, kde se zobrazení realizuje elektronovým paprskem.
- Dalekohled - zrakové soustavy pro pozorování vzdálených objektů, opět se skládá z objektivu a okuláru. Keplerův dalekohled vytváří skutečný a převrácený obraz ve své ohniskové zobrazovací rovině; v Galileho dalekohledu je objektiv spojná soustava a okulár soustava rozptylná, s tím, že obraz vzniká ve specifické rovině a je zvětšený a vzpřímený. Newtonův zrcadlový dalekohled využívá parabolické zrcadlo k vytvoření skutečného obrazu, který se dále pozoruje okulárem. Dalekohledy umožňují zkoumat strukturu vesmíru a jejich volba závisí na požadovaném zvětšení a charakteru obrazu (vzpriamněný vs. převrácený).
- Optické lupy a zvětšovací přístroje - jednoduché spojky slouží ke čtení malých písmen a pro pozorování velmi malých objektů, dosahují přibližně 6násobného úhlového zvětšení a jejich zvětšení je omezeno vadami čoček.
Charakteristiky obrazů a jejich měření
Velmi důležitou vlastností obrazu je srovnání jeho příčného rozměru (výšky obrazu y´) s příčným rozměrem předmětu (výškou y). Z tohoto hlediska může být obraz zvětšený, stejně velký nebo zmenšený. Důležitým pojmem je úhlové zvětšení, které pro obecný objektiv souvisí s ohniskovými vzdálenostmi a režimem soustavy; například u mikroskopu bývá úhlové zvětšení dáno jako součin zvětšení objektivu a okuláru.
V případě zobrazení na sítnici se světlo mění z rozbíhavého svazku na sbíhavý díky oční čočce; jde tedy o proces, kdy oko „přeměňuje“ rozbíhavé paprsky na sbíhavé, a obraz vidíme v určitém bodě či rovině. Někdy lze obraz pozorovat i za soustavou, kdy paprsky se prodlouží a za daných podmínek lze vnímat obraz v určitém průsečíku.
Historie a praktické poznámky
Historie objevu mikroskopu a vývoje optických soustav je spjata se jmény Často: Holandů Z. Janssen a A. van Leeuwenhoek, a anglického fyzika R. Hooke’a. Pojem optické zobrazení zahrnuje postup, kterým získáváme optické obrazy předmětů, a je založen na jednoduchých principech světelných šíření a interakcí s médii. Ke změně směru paprsků dochází odrazem či lomem; vhodné konstrukce umožňují vytvořit obraz požadovaných vlastností a použití v různých oborech - od biologii až po fotografii a astronomii.
U zrcadel a čoček vznikají dva druhy obrazů: skutečný (pokud paprsky v průsečíku skutečně protínají) a zdánlivý (obraz není reálně na stínítku, ale lze jej na sítnici nebo při prodloužení paprsků určit). Optické soustavy tak umožňují zkoumání světa kolem nás a jejich praktické aplikace sahají od každodenních pomůcek, jako jsou lupy, až po sofistikované vědecké přístroje.
Kulové zrcadlo - Zobrazování dutým a vypuklým zrcadlem - fyzika SŠ
tags: #zobrazovani #optickymi #soustavami