Ilustración óptica
En óptica, la formación de imágenes ópticas es la generación de un punto de imagen a partir de un punto del objeto combinando la luz que emana del punto del objeto por medio de un sistema óptico. Una imagen es la totalidad de todos los píxeles individuales que representan todos los puntos del objeto.
Se puede capturar una imagen real en una pantalla. La luz está realmente unida allí. Una imagen virtual parece flotar en el espacio. Con una construcción óptica de rayos, los rayos también se combinan en píxeles. Al observar, la luz parece provenir de los píxeles virtuales.
El sistema óptico puede consistir en lentes, espejos, diafragmas o similares. consistir. Solo los puntos en cada caso en un plano de objeto se mapean en un plano de imagen específico. Cuanto más lejos estén los puntos del objeto de este plano del objeto, menos nítidos aparecerán en el plano de la imagen. En la mayoría de los sistemas ópticos reales, la distancia tolerable desde el plano del objeto (la profundidad de campo ) es muy pequeña.
Sistemas ópticos
Además de las lentes y los espejos , los diafragmas con aberturas puntiformes producen imágenes ópticas. Por lo tanto, se pueden utilizar solos como sistemas ópticos, por ejemplo, como cámaras estenopeicas , para imágenes. Los sistemas más complejos se componen de varios componentes ópticos .
Para reducir las aberraciones, las lentes a menudo constan de varios tipos de lentes de diferentes tipos de vidrio, pero en general siempre actúan como lentes colectoras . La recopilación de lentes y objetivos produce una imagen invertida, al revés, por ejemplo, en una película en una cámara fotográfica .
Por medio de un prisma inversor u otra lente convergente de formación de imágenes, la imagen generada por la lente puede girarse de nuevo inmediatamente para convertir la imagen intermedia, p. B. en el visor de la cámara o para la proyección en la ampliadora o proyector de diapositivas correctamente lateralmente y en posición vertical. La distancia entre dos lentes corresponde aproximadamente a la suma de sus distancias focales. Debe aumentarse si se desea ver un objeto cercano.
El principio de un telescopio astronómico consiste en visualizar la imagen producida por el objetivo con una lupa o un ocular . Esta lupa o ocular solo crea una imagen en la retina junto con el cristalino. Por tanto, las imágenes de un telescopio astronómico y también las de un microscopio que funciona de la misma forma están al revés. Por tanto, los prismáticos y muchos microscopios estereoscópicos suelen tener prismas erigibles, que a menudo también sirven para acortar la longitud total.
Imágenes ópticas con lentes individuales y espejos esféricos
La óptica del haz idealizador suele comenzar desde una fuente de luz puntual infinitamente distante. Los rayos que salen de allí corren paralelos entre sí. Si el objeto de la imagen no está al infinito, sino a la distancia de un objeto finito , la imagen se genera en la distancia de imagen asignada , que en el caso de la lente convergente es siempre mayor que la distancia focal. El plano de la imagen está curvado.
Las consideraciones adicionales se aplican a la denominada trayectoria de haz paraxial . Estrictamente hablando, todas las consideraciones solo se aplican a un área muy estrecha alrededor del eje óptico . Las lentes se idealizan en planos infinitamente delgados y se desprecia el color de la luz . Esta simplificación es importante porque la distancia focal es diferente para cada color.
Los mismos principios se aplican a los espejos que a las lentes. Al mirar las imágenes, solo debe tener en cuenta que la dirección de los rayos en realidad debe invertirse en cada superficie del espejo.
Una lente convergente enfoca los rayos de luz incidente paralelos al eje óptico en el punto focal , que es la distancia , la distancia focal , desde la lente; a la inversa, la luz que emana del punto focal y que cae a través de la lente se desvía hacia un haz de rayos de luz paralelos.
En general, los objetos se pueden mapear con la ayuda de una lente convergente. En este caso, se refiere a la distancia del objeto a la lente (también llamada distancia del objeto) y la distancia de la imagen a la lente (distancia focal). Si la lente es delgada, la ecuación de la lente se mantiene
- .
Esta forma de hablar expresa que un objeto que se encuentra a una distancia de una lente de la distancia focal se muestra en una pantalla que está a la distancia en el otro lado de la lente. El prerrequisito es que es. Una cámara funciona de acuerdo con este principio; En este caso, la pantalla es la película a exponer (o, en las cámaras digitales, la capa semiconductora a exponer) sobre la que se mapea la llamada imagen real .
Sin embargo, si el objeto está entre el punto focal y la lente (es decir ), entonces se vuelve negativo; la imagen es entonces virtual y aparece frente a la lente. Aunque una imagen virtual no se puede mostrar en una pantalla, es visible para un observador que mira a través de la lente sin más ayuda. Una lupa funciona de acuerdo con este principio.
La ampliación de una lente es a través
donde es el factor de aumento. Un negativo aquí significa una imagen real y al revés; uno positivo significa una imagen virtual que está en posición vertical.
La fórmula anterior también se puede utilizar para lentes divergentes. Sin embargo, tales lentes producen imágenes virtuales en todos los casos.
El cálculo (modelado) de sistemas ópticos reales a partir de un gran número de lentes o espejos es, por supuesto, incomparablemente más complejo, pero se realiza de la misma manera que el procedimiento para lentes individuales.
Errores de imagen
Se llama de aberraciones cuando los diferentes rayos de luz que emanan del punto del objeto, no todos están enfocados en un píxel.
Las aberraciones más importantes son la aberración esférica y cromática .
Las aberraciones esféricas y cromáticas se corrigen mediante sistemas hechos de varias lentes de diferentes tipos de vidrio, las aberraciones esféricas se corrigen con lentes asféricas o lentes de gradiente.
La óptica del espejo no tiene aberración cromática. La aberración esférica de un espejo esférico se puede corregir con una placa de corrección de vidrio que inventó Bernhard Schmidt . El llamado telescopio Schmidt (también espejo Schmidt) desarrollado por él tiene, por tanto, un campo de visión particularmente grande.
Una placa de vidrio ( plano de la placa ) crea un desplazamiento del plano de imagen o un desenfoque que aumenta a medida que aumenta el ángulo de apertura.
Proceso similar a la imagen óptica
Imágenes cuasi-ópticas
En general, una imagen cuasi óptica también se puede lograr con otros tipos de radiación ( microondas , rayos X , ondas milimétricas , radiación de terahercios , ultravioleta , radiación infrarroja ) si se puede crear una imagen por refracción o reflexión en superficies curvas (por ejemplo , telescopio de rayos X , radiotelescopio ).
En la óptica electrónica se enfoca la deflexión del haz de electrones mediante campos magnéticos o eléctricos. De manera análoga a las lentes ópticas, existen en consecuencia lentes de electrones que consisten en campos, pero estas tienen fuertes errores de imagen. Se utilizan como lentes de imagen en intensificadores de imagen y microscopios electrónicos de transmisión , pero también para enfocar en tubos de rayos catódicos y cañones de electrones .
Sombreado
La sombra proyectada tampoco representa una imagen óptica en sentido estricto, aquí una imagen nítida está garantizada por el hecho de que prácticamente solo un haz emana de un punto del objeto, por lo que no se requiere un sistema óptico para combinar la luz. Esto se puede hacer mediante una fuente de luz definida (puntual o con luz paralela). El objeto está en la trayectoria del haz y absorbe parte de la luz. A diferencia de la ilustración, básicamente cada plano detrás del objeto es adecuado como plano de proyección. Esto es z. B. utiliza en el diagnóstico de rayos X . Otra posibilidad es el reposo directo del objeto en el plano de proyección, p. Ej. B. con copias de contacto.
historia
Ya se pueden encontrar formas simples de imágenes ópticas en la naturaleza: los puntos de luz que son visibles bajo un dosel de hojas en el suelo no toman la forma de los agujeros, sino la de la fuente de luz . Es decir, a la luz del sol son redondos (a excepción de los eclipses solares parciales , a la luz de la luna toman la forma de la luna creciente).
En una primera abstracción, esta observación conduce al desarrollo de la cámara oscura : en una habitación oscura, una de cuyas paredes tiene un pequeño agujero, se crea una imagen de la realidad externa en la parte posterior. Este conocido fenómeno también se refleja en la alegoría de la filosofía .
La imagen que se genera en la cámara oscura es más brillante cuanto mayor es el agujero. Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño del orificio, también aumenta la nitidez de la imagen. Este dilema se puede resolver enfocando la luz usando una lente convergente . Cada lente convergente tiene un foco (punto focal), que se define por el hecho de que en él la luz de una fuente de luz imaginaria, infinitamente distante y en forma de punto se reúne en un solo punto. Los objetos extendidos conducen a una imagen bidimensional en el plano focal definido por el punto focal . Esto se puede rastrear fácilmente en una hoja de papel con una lupa y la luz de una fuente de luz estructurada (lámpara incandescente, luz del día en la cruz de la ventana).
Ver también
- Espacio de objetos y espacio de imágenes
- Óptica electrónica
- microscopio
- Trayectoria del haz encadenado
literatura
- Heinz Haferkorn: Óptica. Fundamentos y aplicaciones físico-técnicas. 4ª edición revisada y ampliada. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8 .
- Eugene Hecht: óptica. Addison-Wesley, Bonn a. a. 1989, ISBN 3-925118-86-1 .