Основные характеристики оптических систем

Оптическая система
Оптическая система – совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, и содержащая диафрагмы
Оптическая система предназначена для формирования изображения посредством перераспределения электромагнитного поля, исходящего от предмета

Оптический прибор

Характеристики оптических систем
Присоединительные характеристики
Характеристики предмета и изображения
Зрачковые характеристики
Спектральные характеристики

Характеристики предмета и изображения
Предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему
Ближний тип – предмет или изображение расположены на конечном расстоянии
Дальний тип – предмет или изображение расположены в бесконечности

Близкий
предмет и изображение
y
x
y
x
- S, [мм]
предмет
изображение

Удаленный
предмет и изображение
ωy
y
- S, [дптр]
предмет
изображение

Обобщенные характеристики предмета и изображения
Обобщенные размеры поля предмета и изображения (2y0 max, 2y′0 max) – это удвоенные максимальные размеры предмета и изображения
Передний и задний отрезки (S, S ′) – указывают положение предмета (изображения) по отношению к оптической системе

Типы оптических систем
Телескопическая система:
дальний предмет
дальнее изображение
Фотографический объектив:
дальний предмет
ближнее изображение
Микроскоп:
ближний предмет
дальнее изображение
Репродукционная система:
ближний предмет
ближнее изображение

Зрачковые характеристики
Апертурная диафрагма – это диафрагма, которая ограничивает размер осевого пучка, то есть пучка, идущего из осевой точки предмета

Входной и выходной зрачок
Входной зрачок оптической системы – это изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в обратном ходе лучей

Входной и выходной зрачок
Выходной зрачок – это изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей

Апертура
Передняя (задняя) апертура – это размер входного (выходного) зрачка
Числовая апертура – это произведение размера зрачка на показатель преломления
близкий предмет:
близкое изображение:
удаленный предмет:
удаленное изображение:

Положение зрачков
Для удаленного предмета или изображения:
положение зрачка (Sp или S′p) измеряется относительно оптической системы в обратных миллиметрах, то есть в килодиоптриях
Для близкого предмета или изображения:
положение зрачка (Sp или S′p) измеряется в миллиметрах от предмета (изображения)

Спектральные характеристики
λн, λв – нижняя и верхняя границы спектрального интервала
λ0 – центральная (основная) длина волны
Функция относительного спектрального пропускания τ(λ) показывает, какое количество света пропускает оптическая система по отношению к падающему свету

Характеристики оптических систем
Воздействие оптической системы:
преобразование расходящегося пучка лучей, исходящего от предмета, в сходящиеся пучки (изменение масштаба)
ограничение размеров пучка лучей и ослабление интенсивности света (передача энергии)
искажение структуры предмета вследствие нарушения формы пучка лучей (передача структуры)
Передаточные характеристики:
масштабные передаточные характеристики
энергетические передаточные характеристики
структурные передаточные характеристики

Масштабные передаточные характеристики
Видимое увеличение – это отношение тангенса угла, под которым предмет наблюдается через оптическую систему, к тангенсу угла, под которым предмет наблюдается невооруженным глазом

Обобщенное увеличение

Дисторсия
Дисторсия – увеличение в различных точках поля не одинаковое
Пример

Энергетические передаточные характеристики

Структурные передаточные характеристики
Функция рассеяния точки (ФРТ) описывает распределение интенсивности в изображении светящейся точки. Изображение светящейся точки называют пятном рассеяния

Разрешающая способность
Разрешающая способность оптической системы – это способность изображать раздельно два близко расположенных точечных предмета

Разрешающая способность
по Рэлею
Предел разрешения – минимальное расстояние, при котором два близко расположенных точечных предмета будут изображаться как раздельные

Разрешающая способность
по Фуко
Разрешающая способность определяется как максимальная пространственная частота периодического тест-объекта, в изображении которого еще различимы штрихи
Пространственная частота измеряется:
для удаленного изображения [лин/рад]
для близкого изображения [лин/мм]

Частотно-контрастная характеристика

Аберрации
Аберрация – это отклонение хода реального луча от идеального. Аберрации приводят к ухудшению качества изображения
если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются дифракционно-ограниченными
если аберрации велики, и дифракция теряется на фоне аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными

Волновая аберрация
Волновая аберрация – это отклонение выходящего волнового фронта от идеального, измеренное вдоль данного луча в количестве длин волн:

Поперечные аберрации
Поперечные аберрации Δx′, Δy′ – это отклонения координат точки пересечения реального луча с плоскостью изображения от координат точки идеального изображения:
для изображения ближнего типа – [мм]
для изображения дальнего типа – [рад]

Продольная аберрация
Продольная аберрация ΔS′ – это отклонение координаты точки пересечения реального луча с осью от координаты точки идеального изображения вдоль оси:
для изображения ближнего типа – [мм]
для изображения дальнего типа – [мм–1]