Начална страница | Геометрична оптика - втора част | Биноклите | Астрофотография | Спектроскопия за астролюбители | Светлина, видим спектър | Дифракция и интерференция | Абсолютно черно тяло | Фотометрични величини | Абсорбционна фотометрия | Поляризация на светлината | Фотоелектрични ефекти | Луминесценция | Азбучен указател на оптичните термини |



ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ И ПРАКТИЧЕСКИ МЕТОДИ В
ГЕОМЕТРИЧНАТА ОПТИКА

GEOMETRICAL OPTICS - INTRODUCTION

Част първа | Part 1

ИМПРОВИЗИРАНА ОПТИЧНА ЛАБОРАТОРИЯ

IMPROVISED OPTICAL LABORATORY


      Две важни понятия: точков светоизточник и успореден светлинен сноп;
Контролни оптични прибори и приспособления за работа: колиматор, контролна зрителна тръба и др.

      По време на своята практика, всеки фотограф, астроном-любител или техник, поддържащ оптикоелектронна апаратура, може да се изправи пред необходимост да разреши някоя задача, свързана с оптиката. Може например да ви се наложи да измерите параметрите на даден оптичен елемент или на по-сложен прибор. Това изисква доброто познаване на някои основни понятия от геометричната оптика, за чиято същност като че ли по-рядко се замисляме! Наистина, понятия като фокусно разстояние, оптични плоскости, отношение f/d, изходен отвор и др. ни изглеждат твърде познати и често ги споменаваме машинално, но може би ще е полезно да си припомним особеностите, свързани с тях и да илюстрираме с примери, как можем да ги използваме в реални измервания или в изчисления на параметрите на непозната оптична система.

      За да можете да провеждате вашите измервания удобно и с достатъчна точност, е препоръчително да изберете подходящо помещение, където да си обзаведете импровизирана оптична лаборатория. Всяко помещение с дължина поне 4 метра е удобно за целта - хол, учебен кабинет, по-голяма фотолаборатория или др. Добре е ако прозорците на помещението могат да се затъмняват с по-плътни пердета. Това в много случаи може да се окаже задължително условие!
      Препоръчително е в стаята да има маси или други мебели, чиито плотове да са поне приблизително на еднаква височина. Така ще можете да поставяте върху тях различни оптични приспособления, центрирани по една оптична ос или в случаите, когато осите им трябва да сключват различни ъгли помежду си, но да лежат в една хоризонтална равнина. Ценно предимство ще бъде ако разполагате с голяма маса, за предпочитане подвижна - на колелца. В други случаи могат да бъдат нужни две или повече еднакво високи малки маси, също подвижни, разположени в стаята по различен начин - според изискванията на експеримента.

      Добре би било ако ниската част на една от стените в стаята не е закрита от мебели - там ще можете да провесите бял екран, какъвто много често ще ви е необходим. За целта можете да ползвате екран за прожекционен апарат или стандартен бял или светлосив фотографски фон. За предпочитане е обаче гладка, добре обработена дъска с бели, но нелъскави повърхности. Можете да залепите лист бяла хартия или картон върху гладка дъска или върху плоската повърхност на друг подходящ предмет. Екранът не бива да е вдлъбнат, с други изкривявания или грапавини. Той трябва да се постави така, че средата му да е на една височина с оптичната ос, по която ще разполагате тестваните прибори. Освен това екранът трябва да бъде перпендикулярен на оста, освен ако конкретната задача не изисква някакъв наклон.

      Следващите неща, които ще са ви необходими, са няколко стойки, върху които ще поставяте тестваните и контролните оптични елементи и прибори. Добре е те да имат възможност за промяна на височината и евентуално - за въртене около вертикалната си ос. Всъщност, конструкцията на тези стойки, често наричани конници с лещодържачи изцяло зависи от задачата, която ще се решава. Ако ще се захващат единични лещи, лещодържачите трябва да са съобразени с диаметрите и дебелината им. Ако пък ще се монтират далекогледни тръби, колиматори, фотографски обективи и др., то е по-добре да се ползват оригиналните стативи за тези прибори - ако са на разположение или да се пригодят такива от подръчни материали. Ако нямате такава възможност, необходимо е да си набавите плоскости от дърво или друг материал с различна дебелина, които да подлагате под тестваните прибори, за да можете да регулирате по-прецизно съосието им. Една добра идея е да ползвате фотографски стативи, които със сигурност имат възможност за промяна на височината, за завъртане и накланяне на масичката на произволен ъгъл по хоризонтала и вертикала. Техните стандартни болтове за закрепване 1/4" и 3/8" също могат да се окажат полезни, тъй като всички фотоапарати, големи телеобективи и много модели далекогледни тръби, бинокли и др. имат гнезда за закрепване с тези резби.
      Трябва да се отбележи, че проблемът със закрепването на оптичните елементи или прибори е сложен и ако не бъде добре разрешен, може да доведе до сериозни грешки в измерванията! Особено трудно е в случаите, когато се работи с фотографски или други обективи, чиито тубуси не са цилиндрични. Всеки фотографски обектив има поне две скали - за разстоянието (за фокусиране) и за диафрагмата, чиито гривни почти никога не са с еднакъв диаметър! Ако такъв обектив бъде поставен върху равна повърхност, то оптичната му ос няма да е хоризонтална и ще е необходимо същият да се повдигне и застопори подходящо. Друго решение в този случай е използването на фотографски удължителни гривни (за макроснимки) със съответната резба или тип байонетно окачване, на свой ред прихванати стабилно към статив, чрез подходяща сглобка.

      При решаването на много задачи ще ви е необходим обект, чийто образ ще се прожектира върху екран с тестваната оптика. Това може да бъде фигурка с несложна форма, изрязана от непрозрачен материал - картон или тънка пластмаса и залепена върху матово стъкло, което на свой ред е монтирано вертикално на стойка. Желателно е стойката да има възможност за настройка на височината си. Необходимо е да знаете точните размери на фигурката - по ширина или височина, за да можете лесно да пресмятате получените при нейните проекции увеличения. В този смисъл бих препоръчал вместо фигурка, да се ползва милиметрова скала от парче прозрачна линийка, закрепено върху матово стъкло. Това изключително улеснява пресмятането на мащаба, получен при дадена проекция, като е необходимо само с втора линийка или ролетка да измерите разстоянията между деленията от образа на скалата, проектиран върху екрана.
      Зад матовото стъкло можете да разположите светоизточник - фасунка с лампа с нажежаема жичка, с мощност 40, 60, 75 или 100 W - с възможност да се заменя при нужда с по-слаба или с по-мощна. Може да се наложи използване на матово-бяла лампа - в случаите, когато проектирането на образа на жичката трябва да се избягва.
      В някои случаи е по-добре ако обектът се намира в успореден по-интензивен светлинен сноп. Тогава е много удобно да ползвате диапроектор със свален обектив, като на мястото на диапозитива (или ако е неудобно - на мястото на сваления обектив) да закрепите стъклото с обекта. За обект можете да ползвате милиметрова скала или мрежа, отпечатана върху прозрачен материал. Тази плака поставете в рамка за диапозитиви със стъкла, които ще я придържат равна (изпъната).
      Друга идея е да ползвате стар фотоувеличител, чийто статив позволява хоризонталното му обръщане към стената с екрана. Така ще имате възможност за промяна на височината на прибора, чрез съответната настройка на статива му. Начинът на ползване е като при диапроектора - със свален обектив. Така ще ползвате само лампата и кондензорната оптика на апарата.



ДВЕ ВАЖНИ ПОНЯТИЯ

      По-нататък в тази статия често ще използваме две понятия, които описват определени светотехнически условия, пряко касаещи резултите от измерванията. Това са понятията далечен точков светоизточник и успореден светлинен сноп. В много случаи практически е по-коректно ако към оптиката на тествания прибор се пропусне успореден светлинен сноп, т.е. сноп, чийто лъчи са успоредни. Такова състояние на светлината имаме, когато тя се излъчва от много отдалечен светоизточник с малки ъглови размери, поради които той може да се приеме за точков (т.нар. изкуствена звезда). За целта е много удобно да се ползва светлина от далечни лампи, избрани сред нощните градски светлини. Със задоволителна точност можете да приемете светлината за успореден сноп, ако тя е излъчена от лампа, отдалечена от вас на няколкостотин метра. Разбира се, това означава насочване на тествания прибор през отворен прозорец навън - един много рационален метод.

      Понякога е допустимо да се използва светлина от далечни светоизточници, имащи някакви видими размери. Така можете да ползвате Слънцето, чийто видим диаметър е около 0.5°, когато например определяте фокусното разстояние на тънка събирателна леща.
      При решаването на много задачи се налага един прибор да бъде предварително фокусиран по отдалечени обекти или както казват фотографите - "фокусиран на безкрайност". Освен по нощните светлини, това може да стане и денем, по обекти близки до хоризонта - далечни сгради, дървета, комини и пр.

      Сега е време да се замислим върху една особеност: при някои измервания е възможно да се ползва образа на далечен обект с произволни видими размери, а при други - строго се изисква само далечен точков светоизточник! Каква е разликата?
      По принцип, щом виждаме някакъв далечен обект, значи до нас достига светлина, излъчена или отразена от всички точки от неговата повърхност, обърната към нас. Светлината от всяка една точка е във вид на почти успореден сноп лъчи, но ако обектът е с видими ъглови размери, то сноповете от неговите повърхностни точки идват до нас под различни ъгли един спрямо друг!
      На двете фигури по-долу е показан пример с измерване на изходния отвор на далекогледна тръба с обърнат образ (тръба на Кеплер), когато е недопустимо тя да бъде насочена към излъчващ обект с непренебрежимо големи ъглови размери.


Правилна постановка за измерване на изходен отвор на далекогледна тръба


Неправилна постановка за измерване на изходния отвор


      Има начин да симулирате светлина, излъчена от далечен светоизточник и в лабораторни условия. Необходимо ви е едно устройство, което при добро желание можете да си конструирате сами. Това е колиматорната тръба или по-кратко - колиматорът.



КОНТРОЛНИ ОПТИЧНИ ПРИБОРИ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

      Колиматор можете да си конструирате от две тънкостенни метални или пластмасови тръби, които влизат точно една в друга с приплъзване. В края на тръбата с по-големия диаметър монтирайте обектив-ахромат с фокусно разстояние между 100 и 300 mm, желателно с по-голям диаметър - от 30 до 50 mm. За такъв е удобно да ползвате обектив от повреден бинокъл или далекогледна тръба. В края на другата тръба залепете челно непрозрачна преграда от картон или друг тънък материал, в който е пробит малък отвор или с фино острие е прорязан тесен процеп с дължина 1 - 2 см. Центрирайте отвора или процепа, като гледате през другия край на тръбата - оста й трябва да минава през него или максимално близо до него. Можете да предвидите възможност лесно да заменяте преградата с друга, с различен по диаметър отвор.

      Фокусирането на колиматора става както е показано на фигурата по-долу - с помощта на контролна зрителна тръба, предварително фокусирана по далечни обекти. Добре е ако процепът или отвора на колиматора е осветен с по-мощен светоизточник - например с кондензорна оптика на прожекционен апарат - диапроектор или фотоувеличител.


Фокусиране на колиматор с помощта на контролна зрителна тръба.


      Не е необходимо контролната зрителна тръба да е скъп фабричен прибор. Можете да ползвате проста Кеплерова тръба с обърнат образ (само с обектив и окуляр). За целта е подходящ и малък телескоп-рефрактор със собствената му тринога, някакъв далекоглед или тръба-търсач, свалена от по-голям телескоп. Увеличението на тръбата не е толкова от значение, но нека да е примерно между 7 и 15 пъти.

      Можете бързо да настроите колиматора по-грубо, като фокусирате образа на процепа върху най-отдалечената стена в стаята или по-добре - върху стена в края на дълъг коридор, нощем или при затъмнени прозорци.
      Една добра идея е вместо да конструирате колиматор, да ползвате фотографски телеобектив, на който са монтирани удължителни гривни за макроснимки, с обща дължина до мястото на фокалната равнина на обектива (т.е. колкото е дължината на работния му отрязък - например 45.5 mm за обективите с резба М42х1). На последната гривна отзад можете челно да залепите преградата с процепа. Така ще имате следните предимства:


Използване на колиматор


      На фигурата по-горе е показан примерен метод за употребата на колиматор. Този ценен контролен прибор може да влезе в схемата на много стендове при решаването на различни задачи, както демонстрационни, така и чисто практически. Във втора част на статията са описани конкретни методи за измерване на различни оптични параметри, в някои от които колиматорът може да бъде ценен помощник.

      При подреждането на стенд за тестване на оптика и по-късно - при самите измервания, може да ви се наложи да проследите пътя на светлината между отделни оптични елемента или да контролирате фокусировката на някакво изображение между две оптични системи. Тогава екранът на стената няма да ви бъде от полза! Ще ви е необходимо матово стъкло, с което лесно ще виждате диаметъра на проследявания светлинен сноп или удобно ще преценявате остротата на оптично построен (действителен) образ. Представете си, че настройвате скалата за разстоянието на току-що ремонтиран фотообектив, като сте поставили матово стъкло на мястото на филма във фотоапарата и наблюдавате остротата на образа върху него. Тогава вероятно ще потърсите възможност да разглеждате образа върху стъклото под увеличение, за да сте по-уверени в работата си!
      На фигурата по-долу са показани три много полезни устройства, позволяващи наблюдаване на образа върху матираната повърхност на стъклото, под увеличение.



Устройства, улесняващи фокусирането




Примерен метод за настройка на оптиката на огледално-рефлексен (SLR) фотоапарат


      С последното от трите устройства, показани в по-горната фигура, можете да постигнете такава прецизност, че да забележите неедновременното фокусиране на едва забележимо дисперсираните зелени и червени лъчи, пречупени през телеобектив или телескоп-рефрактор с обектив-ахромат. При ахроматите, жълтите и сините лъчи се събират в един фокус, но червените остават недобре коригирани (т.нар. остатъчна дисперсия). За да улесните работата си, препоръчително е пред обектива на настройвания прибор да поставите зелен или жълт светофилтър, с което ще оптимизирате настройката за средата на видимия спектър. С други думи, не е лошо да разполагате с набор разноцветни светофилтри, например с тези, влизащи в комплектацията на някои фотографски телеобективи.



Септември 2000 г.



      Вижте и следващите кратки статии, които са във връзка с темата:

ЮСТИРАНЕ НА ОПТИЧНА СИСТЕМА
В общи линии - това което трябва да знаем при ремонт и настройка на оптични прибори. За някои прецизни фабрични настройки и за тези, които можем да си позволим да променяме;

ОСВЕТИТЕЛНА (КОНДЕНЗОРНА) ОПТИКА
Същност, цел и видове. Оптични схеми, параметри и някои методи за настройка;

АВТОКОЛИМАЦИЯ, АВТОКОЛИМИРАНЕ
Същност на понятието. Някои похвати за точно фокусиране на зрителни тръби чрез автоколимиране. Жичен кръст и мерителна мрежа на окуляр;

ФОТОМЕТРИЧНИ ВЕЛИЧИНИ
Интензивност на излъчване от светоизточник (кандела), светлинен поток (лумен) и осветеност на повърхност (лукс). Яркост (или блясък) на светоизточник;

ПОЛЯРИЗАЦИЯ НА СВЕТЛИНАТА
Същност на явлението. За свойствата на някои материали да поляризират светлината. Закон на Брюстър. Въртене равнината на поляризацията - оптично активни вещества. Принцип на действие на уреди за изследване на тези свойства.


Втора част

Начална страница

Азбучен указател на оптичните термини

Тематичен указател на статиите


Всички права запазени | All rights reserved
Никаква част от съдържанието на тази страница не може да бъде копирана, записвана или разпространявана под каквато и да е форма, без писменото съгласие на автора.


1