Глава 3. Оптические приборы

Оптические приборы широко применяются в различных областях производства, в научно-исследовательских лабораториях, в строительстве, при топографических работах, в искусстве и других сферах деятельности человека. Большинство современных оптико-механических приборов включают в себя электронные схемы преимущественно фотоэлектрического типа, и поэтому они называются оптико-электронными приборами.

Оптические свойства прибора являются основными и обусловлены действием оптической системы прибора. К общим свойствам всех оптических приборов относят: видимое увеличение; разрешающую силу; качество изображения; расстояние от окуляра до зрачка; поле зрения.

Для описания характеристик оптических приборов используют световые величины и единицы. Световой поток характеризуется силой света, освещенностью и яркостью.

В Международной системе единиц (СИ) единицей силы света является кандела (обозначение — кд). Ранее применялось наименование «свеча» с обозначением св. 1 св =1 кд.

Единицей светового потока является люмен (обозначение — лм). Люмен — световой поток, испускаемый точечным источником в телесном углу 1⁰ при силе света 1 кд.

Единицей освещенности является люкс (обозначение — лк). Люкс — освещенность поверхности площадью 1 м² при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1 лм. 1 лк = 1лм/1 м².

Единицей яркости поверхности является кандела на квадратный метр (обозначение — кд/м²). Кандела на квадратный метр — яркость равномерно светящейся плоской поверхности площадью 1 м² в перпендикулярном к ней направлении при силе света 1 кд.

Оптические приборы по принципу действия подразделяют на определенные группы: телескопические приборы (бинокли, зрительные трубы, дальномеры); микроскопы; проекционные приборы; кино- и фотоаппараты; специальные приборы; оптико-электронные приборы.

Широкое применение получили приборы смешанного типа, использующие принципы действия разных групп оптических приборов, например, стереопроекторы, спектрографы, микропроекторы и т. д.

По своему назначению оптические приборы принято разделять на четыре отдельные группы.

К первой группе относят оптические приборы, используемые преимущественно в научно-исследовательских лабораториях научных учреждений и промышленных предприятий. В эту группу так называемых лабораторных приборов входят микроскопы, интерферометры, фотометры, спектрометры и другие приборы, служащие для различных измерений, исследований состава и структуры веществ, контроля качества изготовления оптических и механических деталей и многих других целей.

Ко второй группе относят приборы, работающие на основе теории фотографических процессов. Это фотоаппараты, аэрофотоаппараты, киносъемочные и кинопроекционные аппараты.

К третьей группе относят геодезические и дальномерные приборы, а также оптические приборы, применяемые в артиллерии, авиации и космонавтике.

В особую группу выделены спектральные приборы, теория которых имеет свою специфику. Спектральные приборы широко применяются для анализа состава вещества путем измерения спектрального состава (спектра) излучения, испускаемого или поглощаемого веществом. Спектральный прибор измеряет и регистрирует спектральный состав излучения, т.е. зависимость интенсивности излучения от длины волны.

Спектральные приборы различаются: 1) по способу регистрации спектра (визуальный, фотографический, фотоэлектрический); 2) по способу спектрального разложения излучения (призменные, дифракционные, интерференционные); 3) по рабочей области спектра (вакуумные, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные): 4) по назначению (приборы для эмиссионного спектрального анализа, для исследования комбинационного рассеяния и т. д.).

Бинокли, зрительные трубы нашли широкое применение для определения расстояний до удаленных объектов. Дальномеры применяют для измерения расстояний до отдельных объектов на местности. В технике получили распространение следующие типы дальномеров: для фотоаппаратов (фотодальномеры), геодезические и специальные. Специальные дальномеры подразделяют на морские, зенитные, саперные, армейские и т. д.

Фотоаппараты и киноаппараты применяют для съемок объектов и их частей во всех областях науки и техники.

Кинопроекционные приборы применяют для получения на экране изображений с диапозитивов, негативов, рисунков и текстов. К проекционным приборам относят: эпидиаскопы, кинопроекторы, фотоувеличители, проекционные устройства микроскопов и т. д. По способу установки кинопроекторы подразделяют на стационарные, передвижные и настольные.

Микроскопы используют как визуальный прибор для рассматривания деталей исследуемого объекта, так и для точных измерений. Некоторые области ядерной физики, электроники и фотоэлектроники потребовали превращения микроскопа из визуального прибора в точный измерительный прибор. В связи с этим были внесены необходимые изменения в конструкцию оптической, механической и электрической частей микроскопа.

В связи с большим разнообразием технических задач при исследовании объектов микроскопы подразделяют на следующие основные типы: люминесцентные, ультрафиолетовые и инфракрасные, металлографические, поляризационные, стереоскопические, интерференционные, специальные.

Элементами оптической системы микроскопа являются объектив, окуляр, коллектор, конденсор. К механическим элементам относятсяштатив, механизм осветительной системы, тубус, предметный столик.

Оптическая система микроскопа состоит из двух частей: объектива и окуляра. Объектив микроскопа образует действительное увеличенное обратное изображение предмета в передней фокальной плоскости окуляра. Окуляр действует как лупа и образует мнимое изображение на расстоянии наилучшего видения (рисунок 3.1). По отношению ко всему микроскопу рассматриваемый предмет располагается в передней фокальной плоскости.

Рисунок 3.1. Оптическая схема микроскопа

Глаз наблюдателя сможет воспринять две точки как раздельные, если угловое расстояние между ними будет не меньше углового предела разрешения глаза. Для того чтобы глаз наблюдателя мог полностью использовать разрешающую способность микроскопа, последний должен иметь соответствующее видимое увеличение.

На схеме 3.1. приведена классификация оптико-механических и оптико-электронных приборов.

Схема 3.1. Классификация оптико-механических и оптико-электронных приборов