Оптические системы

Основной задачей оптических систем является формирование изображения, геометрически подобного источнику. Это довольно сложная задача, поскольку идеальной оптической системы не существует. Сферические поверхности приводят к многочисленным искажениям изображения. Оптики пытаются уменьшить эти искажения использованием большого количества элементов, компенсирующих искажения друг друга. За счет этого повышается качество изображения, но системы становятся очень сложными. Можно пойти другим путем – использовать несферические поверхности. Например, параболоид вращения фокусирует в точку падающий на него параллельный пучок лучей любой ширины. На этом основано действие параболических радиоантенн. Однако несферическая оптика очень сложна в изготовлении. Кроме того, в любых высокоточных оптических системах начинают сказываться искажения, связанные с волновыми свойствами света. Вот почему нельзя создать оптический прибор, который позволил бы увидеть объекты, меньшие длины волны видимого света (например, атомы). Однако, для бытовых целей вполне подходит оптика сферических поверхностей. Например, простейший фотоаппарат, «мыльница», представляет собой однолинзовую оптическую систему для получения действительного изображения предмета.

Для получения такого изображения необходимо, чтобы предмет находился дальше переднего фокуса. Поскольку далекие предметы не должны размываться, то расстояние от линзы до пленки должно равняться фокусному. Поэтому фокусное расстояние линзы такого фотоаппарата – 2-3 см. Однако изображение получается четким, если предмет отстоит от фотоаппарата на 1.5 -2 метра. Это получается потому, что чем ближе предмет, тем дальше его изображение от линзы. Поэтому изображения близких предметов будут получаться далеко за положением пленки в фотоаппарате и на пленке будут размытыми. Чтобы избежать этого, поскольку пленку удалять от объектива неудобно, используют выдвижные объективы. Чем ближе предмет, тем сильнее нужно выдвинуть объектив вперед. В «мыльнице» это невозможно. Для того, чтобы изображение не размывалось из-за сферической аберрации, используют диафрагму. Она ограничивает пучок лучей, и кружок размытия уменьшается. В «мыльнице» нет диафрагмы, поэтому для того, чтобы в камеру попадал достаточно узкий пучок лучей, он должен идти от далеких предметов. В фотоаппарате получается действительное изображение предмета, обычно уменьшенное. Поскольку лучи фокусируются объективом, то уменьшенное изображение получается достаточно освещенным, что позволяет фотографировать даже слабосветящиеся предметы. На фотоприемном элементе световой сигнал преобразуется в сигнал иной природы. На фотопленке свет вызывает химическую реакцию (например, выделение чистого серебра из соли AgNO₃). На матрице фотоприемника он преобразуется в электрический на каждом из пикселей. В обоих случаях интенсивность сигнала пропорциональна интенсивности падающего света соответствующей длины волны, что приводит к правильной свето- и цветопередаче.