Оптические приборы

Оптические приборы, сочетающие линзы, зеркала и диафрагмы, расширяют возможности человеческого зрения, от луп и микроскопов до телескопов и камер.

Definition

Устройства, использующие комбинации преломляющих и отражающих элементов вместе с апертурами и диафрагмами для увеличения, сбора или записи света от объектов, характеризующиеся своим увеличением, светосилой, полем зрения и предельным разрешением.

Scope

Эта тема охватывает конструкцию и принцип действия приборов, формирующих или захватывающих изображения, включая простую лупу, составной микроскоп, рефракционные и рефлекторные телескопы, камеру и человеческий глаз, рассматриваемый как оптическая система. В ней рассматриваются угловое увеличение, роли объектива и окуляра, апертурные и полевые диафрагмы, входные и выходные зрачки, числовая апертура, поле зрения, а также компромиссы между увеличением, яркостью и разрешением. Приборы рассматриваются на уровне геометрической оптики, при этом дифракция, устанавливающая предельный предел разрешения, рассматривается в другом месте.

Core questions

• Как объектив и окуляр в совокупности определяют увеличение микроскопа или телескопа?
• Какую роль играют апертурная диафрагма и зрачки в яркости и качестве изображения?
• Как соотносятся увеличение, поле зрения и светосила?
• Как человеческий глаз описывается как оптический прибор?

Key concepts

• угловое увеличение
• объектив и окуляр
• апертурная диафрагма
• входные и выходные зрачки
• числовая апертура
• поле зрения
• составной микроскоп
• рефракционный телескоп

Key theories

Угловое увеличение визуальных приборов

Для приборов, рассматриваемых глазом, производительность измеряется угловым увеличением, отношением угла, под которым видно изображение, к углу, под которым виден объект; для телескопа оно равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Диафрагмы, зрачки и числовая апертура

Апертурная диафрагма и ее изображения, входной и выходной зрачки, регулируют свет, который система принимает и передает; числовая апертура количественно определяет светособирающий конус и является решающей для яркости и разрешающей способности.

Clinical relevance

Оптические приборы играют центральную роль в клинической и лабораторной медицине благодаря микроскопу, используемому в гистопатологии и микробиологии, офтальмоскопу и щелевой лампе для исследования глаз, хирургическому микроскопу и эндоскопам, используемым для малоинвазивной диагностики и хирургии.

History

Составной микроскоп и телескоп появились около 1600 года, а одноклинзовые микроскопы ван Левенгука выявили микроорганизмы позднее в том же столетии. Ньютон построил первый практический рефлекторный телескоп в 1668 году, чтобы избежать хроматической аберрации, а теория микроскопического изображения Аббе конца XIX века связала производительность прибора с физикой дифракции.

Key figures

• Antonie van Leeuwenhoek
• Galileo Galilei
• Isaac Newton
• Ernst Abbe

Seminal works

• hecht2017
• smith2007

Frequently asked questions

Почему в телескопе используется длинный объектив и короткий окуляр?

Угловое увеличение рефракционного телескопа равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра, поэтому длинный объектив в сочетании с коротким окуляром обеспечивает высокое увеличение удаленных объектов.

Что ограничивает полезное увеличение прибора?

За определенным пределом увеличение только увеличивает размытое изображение; полезный предел устанавливается аберрациями и, в конечном итоге, дифракцией, которая определяет мельчайшие детали, которые может разрешить апертура прибора.