quang học | Lịch sử, Ứng dụng & Sự kiện

Một hình ảnh quang học hoàn toàn có thể được coi như là sinh sản rõ ràng của một đối tượng người tiêu dùng bằng một thấu kính hoặc gương mạng lưới hệ thống, sử dụng ánh sáng như một tàu trường bay. Toàn bộ hình ảnh thường được tạo ra đồng thời, giống như ống kính trong máy ảnh, nhưng hình ảnh cũng hoàn toàn có thể được tạo tuần tự bằng cách quét từng điểm, như trong mạng lưới hệ thống truyền hình hoặc trong việc truyền hình ảnh qua một khoảng cách xa trong khoảng trống. Tuy nhiên, máy phát hiện sau cuối của toàn bộ những hình ảnh luôn là mắt người, và, bất kể phương tiện đi lại nào được sử dụng để truyền và điều khiển và tinh chỉnh ánh sáng, hình ảnh ở đầu cuối phải được tạo ra đồng thời hoặc được quét nhanh đến mức người quan sát có tầm nhìn bền chắc sẽ tạo cho anh ta ấn tượng ý thức về một hình ảnh hoàn hảo bao trùm một trường nhìn hữu hạn. Để điều này có hiệu suất cao, hình ảnh phải được tái diễn ( như trong phim hoạt động ) hoặc quét ( như trong truyền hình ) tối thiểu 40 lần một giây để vô hiệu nhấp nháy hoặc bất kể sự Open của gián đoạn nào .

Bối cảnh lịch sử

Đối với người xưa, quy trình hình thành hình ảnh đầy huyền bí. Thật vậy, trong một thời hạn dài đã có một cuộc luận bàn lớn về việc liệu trong tầm nhìn, có một thứ gì đó chuyển dời từ vật thể đến mắt hay liệu vật gì đó vươn ra từ mắt đến vật thể. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 17, người ta biết rằng những tia sáng truyền theo đường thẳng, và vào năm 1604 Johannes Kepler, một nhà thiên văn học người Đức, đã xuất bản một cuốn sách về quang học, trong đó ông công nhận rằng một vật thể lê dài hoàn toàn có thể được coi là vô số điểm riêng không liên quan gì đến nhau, mỗi điểm phát ra tia sáng theo mọi hướng. Một số tia này sẽ đi vào thấu kính, mà chúng sẽ bị uốn cong xung quanh và được tạo ra để quy tụ đến một điểm, ” hình ảnh ” của điểm đối tượng người tiêu dùng tại thời gian bắt nguồn tia sáng. Thủy tinh thể của mắt không khác với những thấu kính khác, và nó hình thành hình ảnh của những vật thể bên ngoài trên võng mạc, tạo ra cảm xúc thị giác .

Có hai loại hình ảnh chính được xem xét : thực và ảo. A hình ảnh thực được hình thành bên ngoài mạng lưới hệ thống, nơi những tia ló thực sự giao nhau ; một hình ảnh như vậy hoàn toàn có thể được chụp trên màn hình hiển thị hoặc mảnh phim và là loại hình ảnh được tạo bởi máy chiếu slide hoặc trong máy ảnh. A Mặt khác, ảnh ảo được hình thành bên trong một thiết bị tại điểm mà những tia phân kỳ sẽ cắt nhau nếu chúng được lê dài ra phía sau vào thiết bị. Một hình ảnh như vậy được hình thành trong kính hiển vi hoặc kính thiên văn và hoàn toàn có thể được nhìn thấy bằng cách nhìn vào thị kính .

Khái niệm của Kepler về một hình ảnh được hình thành bởi sự giao nhau của những tia bị số lượng giới hạn ở chỗ nó không tính đến hiện tượng kỳ lạ không rõ nét hoàn toàn có thể gây ra bởi quang sai, nhiễu xạ, hoặc thậm chí còn mất nét. Năm 1957, nhà vật lý người ÝVasco Ronchi đã đi theo hướng khác và định nghĩa một hình ảnh là bất kể sự không đồng đều nào hoàn toàn có thể phân biệt được trong sự phân bổ ánh sáng trên một mặt phẳng ví dụ điển hình như màn hình hiển thị hoặc phim ; hình ảnh càng sắc nét thì mức độ không đồng đều càng lớn. Ngày nay, khái niệm về một hình ảnh thường khác với ý tưởng sáng tạo của Kepler rằng một vật thể lan rộng ra hoàn toàn có thể được coi là vô số điểm sáng riêng không liên quan gì đến nhau, và nhiều lúc thuận tiện hơn nếu coi một hình ảnh là gồm có những mẫu chồng lên nhau có tần số và độ tương phản khác nhau ; do đó, chất lượng của thấu kính hoàn toàn có thể được bộc lộ bằng biểu đồ nối tần số khoảng trống của một đối tượng người dùng đường thẳng song song với độ tương phản trong ảnh. Khái niệm này được nghiên cứu và điều tra khá đầy đủ trong Quang học và kim chỉ nan thông tin dưới đây .

Quang học đã tăng trưởng nhanh gọn vào những năm đầu của thế kỷ 19. Các thấu kính có chất lượng vừa phải đã được sản xuất cho kính thiên văn và kính hiển vi, và vào năm 1841, nhà toán học vĩ đại Carl Friedrich Gauss đã xuất bản cuốn sách cổ xưa của mình về quang học hình học. Trong đó, ông lý giải khái niệm về độ dài tiêu cự và những điểm chính của một hệ thấu kính và tăng trưởng những công thức thống kê giám sát vị trí và kích cỡ của hình ảnh được tạo bởi thấu kính có tiêu cự cho trước. Từ năm 1852 đến năm 1856, triết lý của Gauss được lan rộng ra sang việc giám sát năm quang sai chính của thấu kính ( xem bên dưới Quang sai của thấu kính ), do đó đặt nền tảng cho những tiến trình chính thức của phong cách thiết kế thấu kính được sử dụng trong 100 năm tiếp theo. Tuy nhiên, kể từ khoảng chừng năm 1960, phong cách thiết kế ống kính hầu hết đã được máy tính hóa trọn vẹn, và những chiêu thức cũ phong cách thiết kế ống kính bằng tay trên máy tính để bàn đang nhanh gọn biến mất .

Vào cuối thế kỷ 19, nhiều công nhân khác đã tham gia vào nghành quang học hình học, đặc biệt quan trọng là một nhà vật lý người Anh, Lord Rayleigh ( John William Strutt ), và một nhà vật lý người Đức, Ernst Karl Abbe. Không thể liệt kê toàn bộ thành tích của họ ở đây. Kể từ năm 1940, đã có một sự hồi sinh lớn trong quang học trên cơ sở triết lý thông tin và tiếp thị quảng cáo, được trình diễn ở phần dưới đây .

Các tia sáng, wave và wavelets

Một điểm sáng, hoàn toàn có thể là một điểm trong một vật thể lan rộng ra, phát ra ánh sáng dưới dạng một đoàn sóng liên tục co và giãn, có dạng hình cầu và có tâm là điểm sáng. Tuy nhiên, thường thuận tiện hơn nhiều nếu coi một điểm vật thể như phát ra những tia sáng, tia là đường thẳng ở mọi nơi vuông góc với sóng. Khi chùm sáng khúc xạ bởi thấu kính hoặc phản xạ bởi gương, độ cong của sóng bị biến hóa, và sự phân kỳ góc của chùm tia cũng đổi khác tựa như sao cho tia vẫn ở mọi nơi vuông góc với sóng. Khi có hiện tượng kỳ lạ quang sai, một bó tia quy tụ không co lại đến điểm tuyệt đối, và những sóng nảy ra khi đó không thực sự là hình cầu .

Năm 1690 Christiaan Huygens, một nhà khoa học người Hà Lan, đã giả định rằng sóng ánh sáng tiến triển bởi vì mỗi điểm trong nó trở thành trung tâm của một wavelet nhỏ truyền ra ngoài theo mọi hướng với tốc độ ánh sáng, mỗi sóng mới chỉ là vỏ bọc của tất cả các wavelet đang giãn nở này. Khi các wavelet đến vùng bên ngoài các tia ngoài cùng của chùm ánh sáng, chúng phá hủy lẫn nhau bằng sự giao thoa lẫn nhau ở bất cứ nơi nào đỉnh của một wavelet này rơi xuống máng của wavelet khác. Do đó, trên thực tế, không có sóng hoặc wavelet nào được phép tồn tại bên ngoài chùm ánh sáng hình học được xác định bởi các tia. Tuy nhiên, sự phá hủy bình thường của một wavelet này bởi một wavelet khác, nhằm hạn chế năng lượng ánh sáng trong vùng của các đường dẫn tia trực tuyến, bị phá vỡ khi chùm ánh sáng chạm vào mộtcạnh mờ, đối với cạnh sau đó cắt bỏ một số wavelet gây nhiễu, cho phép những wavelet khác tồn tại, chúng hơi lệch vào vùng bóng tối. Hiện tượng này được gọi lànhiễu xạ, và nó làm phát sinh một cấu trúc mịn phức tạp ở các cạnh của bóng và trong ảnh quang học.

Các máy ảnh lỗ kim

Hiểu cách lỗ kim hội tụ ánh sáng và tại sao thấu kính tốt hơn lỗ kimHiểu cách lỗ kim quy tụ ánh sáng và tại sao thấu kính tốt hơn lỗ kim
Tìm hiểu cách lỗ kim hoàn toàn có thể quy tụ ánh sáng và về những ưu điểm của thấu kính so với lỗ kim .
© MinutePhysics ( Một đối tác xuất bản của Britannica ) Xem tất cả video cho bài viết nàyMột ví dụ tuyệt vời về hoạt động giải trí của triết lý wavelet được tìm thấy trong máy ảnh lỗ kim nổi tiếng. Nếu lỗ kim lớn, bút chì hình học phân kỳ của những tia sẽ dẫn đến hình ảnh bị mờ, vì mỗi điểm trong vật thể sẽ được chiếu như một vệt sáng hình tròn trụ hữu hạn trên phim. Sự Viral của ánh sáng tại ranh giới của một lỗ kim lớn bằng nhiễu xạ là nhẹ. Tuy nhiên, nếu lỗ kim được tạo ra cực kỳ nhỏ, thì miếng vá hình học sau đó sẽ trở nên nhỏ, nhưng hiện tượng kỳ lạ Viral nhiễu xạ là rất lớn, dẫn đến một lần nữa hình ảnh bị mờ. Do đó, có hai hiệu ứng trái chiều nhau và ở size lỗ tối ưu, hai hiệu ứng này chỉ bằng nhau. Điều này xảy ra khi đường kính lỗ bằng căn bậc hai của hai lần bước sóng ( λ ) nhân với khoảng cách ( f ) giữa lỗ kim và phim — tức là Căn bậc hai của √ 2 λ f. Đối với f = 100 mm và λ = 0,0005 mm, kích cỡ lỗ tối ưu là 0,32 mm. Điều này không đúng mực lắm, và một lỗ 0,4 mm hoàn toàn có thể cũng tốt trong trong thực tiễn. Lỗ kim, giống như ống kính máy ảnh, hoàn toàn có thể được coi là có số f, là tỷ suất độ dài tiêu cự trên khẩu độ. Trong ví dụ này, số f là 100 / 0,32 = 310, được chỉ định là f / 310. Các ống kính máy ảnh văn minh có khẩu độ lớn hơn nhiều, để đạt được sức mạnh tích lũy ánh sáng, vào tầm f / 1,2 – f / 5,6 .

Độ phân giải và Đĩa thoáng khí

Khi một ống kính cũng được hiệu chỉnh được sử dụng ở vị trí của một lỗ kim, tia phân kỳ hình học được vô hiệu bởi lấy nét hoạt động giải trí của ống kính, và một khẩu độ lớn hơn nhiều hoàn toàn có thể được sử dụng ; trong trường hợp đó, sự Viral nhiễu xạ thực sự trở nên nhỏ. Hình ảnh của một điểm được tạo thành bởi một thấu kính tuyệt vời và hoàn hảo nhất là một quy mô nhỏ của những vòng ánh sáng đồng tâm và mờ dần bao quanh một điểm TT, hàng loạt cấu trúc được gọi là đĩa thoáng khí. George Biddell Airy, một nhà thiên văn học người Anh, người tiên phong lý giải hiện tượng kỳ lạ này vào năm 1834. Đĩa Khí của một thấu kính thực tiễn nhỏ, đường kính của nó xê dịch bằng số f của thấu kính được bộc lộ bằng microns ( 0,001 milimét ). Do đó, đĩa Airy của thấu kính f / 4.5 có đường kính khoảng chừng 0,0045 milimét ( gấp mười lần bước sóng của ánh sáng xanh ). Tuy nhiên, hoàn toàn có thể thuận tiện nhìn thấy đĩa Airy được hình thành bởi kính thiên văn hoặc vật kính hiển vi với nguồn sáng điểm sáng nếu sử dụng độ phóng đại thị kính đủ cao .

Kích thước hữu hạn của đĩa Airy đặt ra một số lượng giới hạn không hề tránh khỏi so với năng lực phân giải hoàn toàn có thể có của một công cụ trực quan. Rayleigh phát hiện ra rằng hai ngôi sao 5 cánh gần nhau và sáng bằng nhau chỉ hoàn toàn có thể được xử lý nếu hình ảnh của một ngôi sao 5 cánh rơi xuống nơi nào đó gần vòng tối trong cùng trong đĩa Airy của ngôi sao 5 cánh kia ; Do đó, năng lực phân giải của thấu kính hoàn toàn có thể được coi là khoảng chừng 50% số f của thấu kính được biểu lộ bằng micrômet. Độ phân giải góc của kính thiên văn bằng góc phụ thuộc vào bởi độ phân tách ảnh tối thiểu hoàn toàn có thể phân giải được tại tiêu cự của vật kính, thấu kính quy tụ ánh sáng. Điều này diễn ra trong khoảng chừng bốn giây rưỡi của vòng cung chia cho đường kính của vật kính tính bằng inch .

Các Giới hạn Rayleigh

Như đã nói ở trên, khi một thấu kính hoàn hảo tạo thành ảnh của một nguồn sáng điểm, thì sóng ló ra là một hình cầu có tâm xung quanh điểm ảnh. Do đó, các đường quang học từ tất cả các điểm trên sóng đến hình ảnh đều bằng nhau, do đó các wavelet mở rộng đều cùng pha(rung động đồng loạt) khi họ đến hình ảnh. Tuy nhiên, trong một thấu kính không hoàn hảo, do sự hiện diện của quang sai, sóng nổi lên không phải là một hình cầu hoàn hảo, và các đường quang học từ sóng đến điểm ảnh sau đó không bằng nhau. Trong trường hợp như vậy, một số wavelet sẽ đạt đến hình ảnh như một đỉnh, một số là đáy và sẽ có nhiều nhiễu phá hủy dẫn đến sự hình thành một mảng sáng lớn, khác nhiều so với đặc tính đĩa thoáng khí của một thấu kính đã được hiệu chỉnh hoàn hảo. Năm 1879, Rayleigh nghiên cứu ảnh hưởng của sự bất bình đẳng pha trong hình ảnh ngôi sao và đưa ra kết luận rằng hình ảnh sẽ không bị suy giảm nghiêm trọng trừ khi sự khác biệt về đường đi giữa một phần của sóng và một phần khác vượt quá một phần tư bước sóng ánh sáng. Vì sự khác biệt này chỉ đại diện cho 0,125 micron (5 × 10 −6 inch), rõ ràng là một hệ thống quang học phải được thiết kế và xây dựng với sự cẩn thận gần như siêu phàm nếu nó muốn mang lại độ nét tốt nhất có thể.

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments