Попытка разобраться в оптике и суть линзы.

Эксперименты с телескопом навели на изучение работы линзы, как основной рабочей части для приборов изучения неба, фотоаппаратов, и микроскопов ... Прежде, чем продолжить это исследование уясним для себя главный вопрос : почему изображение фото / видео техники отличается от изображения глаза ? ... Следует учесть два основных момента :

Разрешающая способность глаза.

- Разрешающая способность человеческого глаза, в техническом измерении / мегапиксель : 75 МП - 200 МП ... Разрешающая способность видео / фото техники до 100 раз меньше, примеры :
- простой смартфон, камера 2 МП / $40 ...
- USB PC Web-Camera 3 МП / $4 ; черно / белая, с программным усилением до 30 МП ...
- iPhone 6, камера 8 МП / $300 ...
- смартфон Oppo Find 7, камера 13 МП / $430 ; программная аппроксимация 4 из 10 лучших кадров в один - 50 МП / мегапиксельный фото / кадр ...
- смартфон 8848 Phones, камера 30 МП / $2880 ...
- фотоаппарат Canon 5Dsr, камера 50 МП / $3590...

Может показаться удивительным, как дешманская китайская цифровая фото / видео камера за 4 бакса обещает такие фантастические результаты ... Епт ... Ты, где, Хулия ? Во мху я ... Везде на нас давят бренды и маркетинг ... Думаете, если вы оденете ботинки 75 размера - вы будете бегать в 7 с половиной раз быстрее ? ... Счас ... А, вот, в 2 раза медленнее - это точно ... Именно об этом предупреждает нас автор странички : ... разница в количестве мегапикселей чувствуется не так сильно, как того можно было ожидать ... но, выражается в подтормаживании компьютера ... ... Программное увеличение выходного изображения не имеет никакого отношения к приемной фото / матрице ...

Фото / матрица - это сложнейшее оптическое цифровое устройство, механически ограниченное технологическими особенностями производства по размерам и количеству фото / элементов, трехматричностью / трехмерностью, уровнем цифрового шума и многими другими важными параметрами светопередачи и АЦП преобразования, что в конечном итоге определяет - будет ли изображение непосредственно или программно / обработанным ...

Второй момент - это беспристрастие цифровой камеры, то есть она усиливает все поступившие лучи и даже те, которые не видны человеческому глазу ... Эта особенность затрудняет достоверный выбор экспозиции и требует нескольких тестовых / пробных снимков для получения оптимального результата, а также - подразумевает использование специализированных свето / фильтров ...

Так становится понятна важность, не только фото / матрицы, но и работы самих первоисточников сбора и преломления света - линз, и то, как они влияют на весь процесс получения визуального образа ...

Конечно, наиболее интересующий всех вопрос - можно ли и как изготовить линзу в домашних условиях ? ... Специалисты и знатоки говорят, что - нет ... Проще использовать готовую от старой оптической техники ... И, это - в нашу то эпоху развития науки и техники ? Как же это было возможно еще в 16 веке ? Пока нет ответа на этот вопрос - пора перейти к изучению работы линзы по преломлению света ...

Как работает линза ?

Вогнутые линзы - рассеивающие линзы ... Вогнутые линзы рассеивают проходящий, через них, свет ... Вогнутые линзы уменьшают просматриваемый текст ... Вогнутые линзы применяются для коррекции близорукости ...

Выпуклые линзы - концентрирующие линзы ... Выпуклые линзы сужают проходящий, через них, свет, до точки в которой линза его фокусирует ... Выпуклые линзы увеличивают просматриваемый текст ... Выпуклые линзы применяются для коррекции дальнозоркости ...

Свет, пройдя через линзу - переворачивается, что можно увидеть на его отражении, на светонепроницаемой поверхности ... Глаз человека, а именно хрусталик - также переворачивает свет при его отражении на сетчатке глаза, обработкой и управлением правильностью движений человека - занимается его мозг ...

Вогнутая или выпуклая - это базовые формы линз, но они могут быть комбинированы с прямой стороной или противоположной кривизной ...
- Собирательные линзы : двояковыпуклая, плоско-выпуклая, вогнуто-выпуклая / положительный мениск / линза в середине толще, чем по краям ...
- Рассеивающие линзы : двояковогнутая, плоско-вогнутая, выпукло-вогнутая / отрицательный мениск / линза в середине тоньше, чем по краям ...

Почему линза преломляет свет ?

Если объяснить это просто - потому, что часть света отразится, а часть пройдет внутрь линзы ... Это легко понять на примере воды и двух камней : легкого и тяжелого ...
- Бросив легкий камень под углом в воду - он не утонет, а - отразится / отскочит от воды примерно под тем же углом, под каким он входил в воду ...
- Бросив тяжелый камень под углом в воду - он начнет тонуть, но перед тем - имея запас потенциальной энергии и встретив некоторое сопротивление среды / воды - немного изменит угол направления продолжения своего движения, но уже внутри воды ...

Этот эффект физики назвали отражение и преломление на границе раздела двух сред ... А, что касается движение света внутри линзы - его дальнейшее движение зависит от показателя преломления / сопротивления / вещества, из которого сделана линза, и от радиусов кривизны ее преломляющих поверхностей ... Вот так, без единой формулы можно объяснить работу линзы - но посчитать ее работу без формул - не получится ... И, здесь, уже - не обойтись без мало-мальского онлайн калькулятора линз ...

А, если учесть, что свет - это одна из форм электромагнитной энергии / излучения, то ситуация становится еще более запутанной, так как к касательной геометрии добавляются условия и особенности прохождения электро / магнитных волн и осознать всю сложность сущности всех процессов становится вообще нереально ... Я имею ввиду простого / обычного человека, а не ученого ...

Различие работы линз.

Фокусное расстояние - расстояние от центра линзы до точки, где лучи собираются в одну точку / фокус ... Расстояние от линзы до фокуса называют f / заднее фокусное расстояние ... Фокусное расстояние не влияет на качество картинки ... Фокусное расстояние определяет перспективу просмотра и отношение к диагонали кадра :
- короткофокусные : фокус меньше диагонали кадра, широкоугольный объектив, угол обзора более 90 градусов, вмещают много зрительной информации с хорошей глубиной резкости ...
- нормальные : фокус примерно равен диагонали кадра, естественное восприятие человеком ...
- длиннофокусные : фокус больше диагонали кадра, узкоугольный объектив, угол обзора менее 8 градусов, телеобъектив, панорамный обзор, увеличение с размытием окружающей резкости ...

Увеличение телескопа рассчитывается как его фокусное расстояние разделенное на фокусное расстояние окуляра.

Увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра.

Относительное отверстие - мера пропускания света, это отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Т.е., телескоп с диаметром 200 мм и фокусным расстоянием 1200 мм имеет относительное отверстие равное 1/6, а телескоп с объективом 100 мм и фокусом 1000 мм - 1/10 ... Однако, большее влияние на светопропускание играет апертура ...

Апертура : отверстие ; в оптике - сила потока света / светочувствительность и противостояние дифракционному искажению изображений ... В телескопах - диаметр зеркала ... Большой интерес могут представлять апертурные крышки / некий прообраз диафрагмы фотоаппарата, который может использоваться двояко : и для снижения сильной яркости отраженного света объекта, и для противодействия искажению изображения ...

Примерно принятые примеры использования телескопа по относительному отверстию / светосиле :
- f/3-5 = дальний космос ...
- f/5-10 = средние объекты космоса ...
- f/10-20 = крупные объекты космоса ...

Диафрагменное число - значение знаменателя текущего относительного отверстия объектива. Определяется отношением входного зрачка к заднему фокусному расстоянию f / D ...

Выходной зрачок - это диаметр изображения, которое формируется окуляром. Чем больше выходной зрачок, тем ярче изображение. Выходной зрачок рассчитывается путем деления диаметра объектива на увеличение.

Сопоставление увеличения телескопа и выходного зрачка для обзора небесных светил :
Максимальное / 2D / окуляр 6.00мм / выходной зрачок 0.5мм = Луна, Марс, Солнце ...
Разрешающее / 1.4D / окуляр 8.57мм / выходной зрачок 0.7мм = Луна, Солнце, планеты ...
Большое / 1D / окуляр 12.00мм / выходной зрачок 1мм = Луна, Солнце, спутники планет ...
Проницающее / 0.7D / окуляр / 17.14мм / выходной зрачок 1.4мм = мелкие галактики, планетарные туманности и звездные скопления ...
Среднее / 0.5D / окуляр 24.00мм / выходной зрачок 2мм = яркие галактики, туманности
Умеренное / 0.3D / окуляр 36.00мм / выходной зрачок 3мм = каталог Мессье : список астрономических объектов, неподвижных туманностей и звёздных скоплений, которые можно спутать с кометами ...
Равнозрачковое / 0.16D / окуляр 72.00мм / выходной зрачок 5-7 мм = поисковый окуляр, большие туманности ...
В темноте зрачок глаза 6-8 мм и использование параметра выходного зрачка более этого значения нецелесообразно, так как свет / изображение будет идти мимо глаза ...

Кратность увеличения = F/f, где F - фокусное расстояние объектива, f - фокусное расстояние окуляра. Фокусное расстояние телескопа (F) - мы изменить не можем, но имея сменные окуляры с разным фокусным расстоянием (f), мы можем менять кратность увеличения телескопа.

Линейное увеличение – это отношение линейного размера изображения к соответствующему размеру предмета в направлении перпендикулярно оптической оси ... Наряду с линейным увеличением в оптике также рассматривают угловое и продольное увеличение ... Решение задач с подзорной трубой показывает, во сколько раз подзорная труба уменьшает линейное расстояние между двумя почти параллельными лучами, во столько же раз она увеличивает угол между этими лучами. А, углового разрешения телескопа начинает определять его дифракционный предел ... Дифракция, проявляющая себя, как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн и неразрывно связанная с интерференцией, созданием нереальных размытых картинок изображения - становятся указателем предела разрешающей способности любого оптического прибора ... Дифракционный предел, минимальное значение пятна рассеяния, λ / D, то есть длина электромагнитной волны в вакууме / апертура, входное отверстие оптического прибора, в сочетании с угловым увеличением становятся определяющим фактором способности настройки резкости изображения в оптическом приборе ...

Ошеломляющий поток бесполезных, до этого времени, сведений начинает прояснять суть работы телескопа, а может быть и устройства всего мироздания ... Сложнейшее хитросплетение различных наук, объединенных трубкой и парой / тройкой линз требует глубокого и тщательного понимания взаимодействия отдельных оптических компонентов, собранных в единую конструкцию, которое приходит и со знаниями, и с опытом реальной работы с телескопом ... Приобретенные сведения позволяют заранее просчитать нужную конструкцию телескопа в зависимости от предполагаемых наблюдений звездного неба в поисках новых и незнакомых ощущений, единства с природой и безграничности вселенной ...

... И, все-таки ... Принцип работы линзы, просто и по-домашнему ...

Какая связь между диоптрией и увеличением линзы ? - По мере увеличения диоптрий объектив становится толще, а кривизна больше. Общая формула : Увеличение = (Диоптрия / 4) + 1 ; существуют и другие формулы ... Например, объектив с тремя диоптриями делает объект в 75% раз больше, чем то, что уже видит невооруженный глаз. По мере увеличения размер объектива эффективно уменьшается. Невозможно получить высокомощную линзу большого диаметра. Оптические комбинации являются компромиссом для идеальной лупы ...

Эта информация натолкнула меня на небольшое исследование работы линз и изучения зависимости влияния ее свойств друг на друга ... Началось все с таблицы ... Даже - нет ... Началось все с того, что я купил для поигрушек лупы для черчения из пластика произведенные Цзянси Интань Аосян Електрик Оптикал Инструментс Ко., Лтд / КНР ... Несмотря на столь громкое название я обнаружил вот, какой дефект : одинаковые лупы, изготовленные на одном и том же оборудовании - дают разные, легко различимые на глаз, оптические картинки ... Ну, что сказать ? Китай ... Положительные моменты : легкодоступные и дешевые лупы для баловства ... Продолжая играться с ними я мог легко составить систему из 2 линз / луп, но при попытке добавить третью - ничего не получалось ... И это слегка озадачило меня ...

Китайские лупы из пластика для черчения.

На странице по ссылке есть таблица, где показана взаимосвязь диоптрии, силы увеличения и фокусного расстояния ... Для удобства восприятия размеры немного округлены ...

Диоптрия Сила увеличения Х раз Процент / % увеличения
от реального размера объекта
Фокусное расстояние, мм
3 1,75x 75% 330
4 2,00x 100% 254
5 2,25x 125% 203
7 2,75x 175% 140
8 3,00x 200% 127
9 3,25x 225% 114
11 3,75x 275% 95
13 4,25x 325% 76
16 5,00x 400% 63
18 5,50x 450% 57
20 6,00x 500% 51

Хорошо ... В этой таблице ничего не говорится про диаметр линзы ... Посмотрим наши образцы :
- Диаметр 75 мм, увеличение 3х, толщина примерно 7 мм ...
- Диаметр 100 мм, увеличение 3х, толщина примерно 11 мм ...

Как найти фокус у линзы? Сфокусировать изображение солнца ... Где я ночью солнце найду? А другое ничего нельзя? Пробую фонарик сотового телефона ... Телефон / гад выключается в самый неподходящий момент ... Пробую светодиодный фонарик - там поток света неправильный ... Адаптер зарядки от дрели с зеленым светодиодом? ... Тоже, нет, да еще и свет выключать надо, чтобы точку увидеть ... О, свет от светодиодной лампы на потолке - резкое изображение на полу ... Так, что там дальше ... 1 метр разделить на измеренное расстояние, результат = оптическая сила линзы в диоптриях ...
- Диаметр 75 мм, увеличение 3х, толщина примерно 7 мм ... Фокус 1000 / 405 мм = 2,46х ... Вот, суки ... За что деньги платим ?))) ...
- Диаметр 100 мм, увеличение 3х, толщина примерно 11 мм ... Фокус 1000 / 340 мм = 2,94х ... Вот - это уже похоже на правду ))) ...

Теперь, главное ... Фокусное расстояние = измеренному расстоянию ... Смотрим таблицу выше - ну, да, так оно и есть ... Сравниваем еще раз результаты наших измерений реального увеличения линзы : лупа 75 мм толщина 7 мм / увеличение 2.4х и лупа 100 мм толщина 11 мм / увеличение 2,9х ... Обратите внимание 7 и 11 миллиметров - и читаем в самом верху : по мере увеличения диоптрий объектив становится толще, а кривизна больше - ну, так оно и есть ... Несмотря на то, что обе лупы диаметром 75 и 100 мм заявлены, как с увеличением 3х - большую роль здесь играет толщина / кривизна - а не диаметр ...

Окей ... Честно вам признаюсь - хотел нарисовать круги / образы линз в MS Paint - но после попытки привязать по координатам второй круг - бросил эту затею и достал из загашника систему программирования Профт5, где несколькими строчками кода можно за короткое время точно реализовать эту затею ... Можно было, конечно, решить эту задачу интерактивно при помощи JavaScript / Canvas, но картинки / скриншоты - оно, как-то веселей и спокойнее ... Почему - круги? Если я правильно понимаю линзу, то линза - это спиленный сектор круга в случае линзы с одной плоской стороной, или наложение двух одинаковых кругов для получения тонкой линзы / двояковыпуклой, какие и применяются в лупах, где толщина линзы (образованная наложением кругов) это диоптрия, а диаметр круга - это фокусное расстояние ... В линзе все очень сильно взаимосвязано ... Оптическая геометрия, епт ... Кому интересно - в разделе компьютер я написал статью, основы программирования для начинающих, где и описал, как программировать круги на Профт5 ...

Первое, что получилось - это обзорная схема зависимости силы увеличения линзы от фокусного расстояния ... Это графическое представление таблицы, расположенной выше ... Для наглядности восприятия миллиметры заменены на пиксели, 1 : 1, однако десятые доли я не учитывал ... Самый большой круг 330 пикселей, самый маленький круг 51 пиксель ... Видно, что с увеличением диоптрий кривизна линзы увеличивается ...

Обзорная схема зависимости силы увеличения линзы от фокусного расстояния, смоделированная при помощи системы программирования Профт5.

Какую информацию о работе линз дают нам эти таблица и рисунок?

- Фокусное расстояние линзы указывает о ее увеличении ; подтверждается на странице Линза - Википедия ... Оптическая сила линзы — величина, обратная к фокусному расстоянию линзы, выраженному в метрах ...

- Непонятно : если линза изготовлена отпиливанием части от шара - равно ли ее фокусное расстояние = радиусу ? ... Кстати, есть и шариковые линзы в чистом виде, применяемые для высокоапертурной оптики, характеризуемые малым отклонением изображения от воздуха, где приведенная к воздуху числовая апертура = 1. Но, скорее всего, линзы изготовляются из заготовок, с заранее заданной толщиной и кривизной ... Правильный ответ - нет, фокус не равен радиусу, для простых линз фокусное расстояние должно находиться +/- в пределах диаметра эталонного круга, а для сложных линз, предположительно, и нескольких кругов, и с учетом законов преломления света в переходных средах ...

- Что зависит от диаметра линзы? Скорее, всего широкоугольность, телеобъектив для крупно / масштабной съемки и светосила, явно ограничиваемая отверстием диафрагмы ... Раскрывается связь между диаметром линзы и увеличением линзы - невозможно получить высокомощную линзу большого диаметра. Чем больше оптическая сила линзы / увеличение - тем меньше диаметр и короче фокус, но не беспредельно ...

- О чем можно судить, если известно, что фокусное расстояние телескопа 600 мм ... Какая линза используется в нем ??? Особенности конструкции телескопа в том, что это система линз и, например, при помощи линзы Барлоу можно легко увеличить фокусное расстояние, читай - силу увеличения телескопа ... Правда, потеряв в светосиле, что впрочем - по барабану цифровым объективам / камерам для телескопа - им, чем хуже - тем, лучше ))) ... Тихо, не отвлекаемся ... Придется составить график зависимости диоптрий линзы от фокусного расстояния, и здесь нам точно понадобится MS Paint ...

График зависимости диоптрий линзы от фокусного расстояния.

Исследуя полученный график можно сделать 2 вывода :
- В телескопе с фокусным расстоянием 600 мм установлена главная линза 1,55 диоптрии ... Ну и что это мне дает ? ... Пока не знаю ... Теоретически можно заменить линзу и скомпенсировать укорачивание фокуса линзой Барлоу ...
- Участок от 5 до 11 диоптрий имеет очень крутую характеристику ... Вероятно именно эта оптическая особенность линз позволяет строить системы с переменным фокусом : окуляры, зрительные трубы, бинокли ...

Пересчитал пиксели в миллиметры, чтобы нарисовать график в натуральную величину. Такого точно в MS Paint и с бутылкой не сообразить ))) ...

Модель зависимости силы увеличения линзы от фокусного расстояния, в натуральную величину (мм), подготовленная с помощью системы программирования Профт5.

Следующий рисунок меня немного смутил, так как попытка смоделировать линзу 3х диаметром 100 мм - не удалась ... Примем во внимание, что размеры усреднялись и округлялись, но и в этом случае такой значительной ошибки не должно было получиться ... Или, получилась стандартная тонкая линза 3х с диаметром 85 мм / или, в своих лупах, китайцы применяют какую-то модифицированную линзу ...

Неудачная попытка смоделировать линзу 3х диаметром 100 мм.

Не знаю, что еще можно выжать из полученной информации ... Приобретенный опыт позволяет определить силу линзы, даже без маркировки и солнца - и это хорошая новость ...

10:08 21.06.2019

Контакт моя страница, общение по работе и дружба.

Поделиться ссылкой :

Быстрый поиск по сайту :


Главная страница сайта.

Меню сайта - главные разделы.

= = = Меню раздела = = =


© techstop-ekb.ru / Екатеринбург / 2019