Оптична система

Оптична система
Досліджується в	оптика

Оптична система — сукупність оптичних деталей, встановлених у положення, задане розрахунком і конструкцією.

Терміни і визначення

Оптична система у якій центри всіх сферичних поверхонь розташовані на оптичній осі, називається центрованою.

Оптична вісь системи — загальна вісь обертання поверхонь, що складають центровану оптичну систему. Відношення показника заломлення в просторі зображень до задньої фокусної відстані системи називається оптичною силою системи. Одиницею оптичної сили системи є діоптрія. В офтальмологічній оптиці оптичну силу системи називають рефракцією.

Відстань від вершини першої поверхні оптичної системи до переднього фокуса — передній вершинний фокальний відрізок.

Фокусна відстань оптичної системи — відстань між точкою головного фокуса і головною точкою системи. Розрізняють передню фокусну відстань оптичної системи (між передньою точкою головного фокуса і передньою головною точкою) і задню (між задньою точкою головного фокуса і задньою головною точкою). Для симетричної оптичної системи, що працює в повітрі, задні і переднє фокусні відстані рівні одна одній.

Різновиди оптичних систем

Оптична система може давати дійсне або уявне зображення. Якщо промені, які йдуть від точкового джерела, після проходження оптичної системи збігаються в деякій точці, то така точка є дійсним зображенням джерела. Якщо промені, які пройшли оптичну систему, утворюють розбіжний пучок, тобто не перетинаються, а щоб знайти зображення джерела, доводиться продовжувати розбіжний пучок у напрямі, протилежному напрямку поширення світла, то утворене зображення називають уявним.

Найпростіша оптична система: плоске дзеркало (відбивач світла). Більш складні оптичні системи: лінза (збільшувальне скло), призма, світлофільтр, діафрагма.

Людське око має складну оптичну систему.

• 
  Будова ока людини
• 
  Принцип роботи ока (зіниця не відображена і не врахована)
• 
  Оптична схема ока (не відображено і не враховано зіницю, яка є діафрагмою)

Оптичні системи у вигляді завершених виробів називаються оптичними приладами.

Найпростіші оптичні прилади:

• лупа — лінза в оправі з руків'ям для тримання;
• монокль — лінза в оправі для корекції зору (пенсне та окуляри складаються з двох лінз, по одній лінзі на кожне око людини);
• сонцезахисні окуляри — світлофільтри в оправі;
• камера-обскура — темне приміщення або коробка з невеликим отвором в одній зі стін.
• перископ — оптичний прилад для зміни положення точки зору (найпростіший перископ складається з вертикальної труби та двох дзеркал).

Складні оптичні прилади: мікроскоп, телескоп, бінокль, фотокамера — це оптичні системи з кількох лінз, призм, дзеркал (відбивачів) та світлофільтрів, які також можуть переміщуватися один відносно одного для зміни параметрів оптичної системи прилада. Елементи складних оптичних приладів називаються оптичними пристроями (окуляр, триплет, об'єктив, тощо). Окуляр — це останній елемент оптичного прилада після якого зібране світло потраплє в око людини (у більшості сучасних оптичних приладів за окуляром або безпосередньо в окуляр інтегрується ПЗЗ-матриця, яка замінила фотоплівку і фотопластини, під'єднана до комп'ютера, яка має більшу світлочутливість у різних спектрах і більшу роздільну здатність ніж око людини).

• 
  Будова телескопа Hubble
• 
  Оптична схема телескопа Hubble (загальна)

Світлові прилади мають оптичну систему в основі якої лежить власні джерела світла чи випромінювання. Ручний світлодіодний ліхтар є найпростішим сучасним світловим приладом, оптична система якого зосереджена в світлодіоді, який складається з інтегрованих випромінювача світла, параболічного відбивача та фокусуючої лінзи (у більш потужних ліхтарях можуть використовуватися додаткові лінзи, які дозволяють регулювати кут розсіювання світла). Світлодіодна лампа окрім світлодіода складається також з розсіювача світла.

• 
  Світлодіодний ручний ліхтар
• 
  Внутршня будова ліхтаря
• 
  Будова світлодіода
• 
  Збільшене зображення світлодіода
• 
  Оптична схема параболічного відбивача

Програмне забезпечення

Для проектування, розрахунку і симуляцї оптичних систем використовують спеціалізовані САПР:

• Пропрієтарне ПЗ:
  • Aber (укр. Абер);
  • ATMOS;
  • OSLO;
  • WinLens;
  • Zemax.
• Вільне ПЗ:
  • Astree/Foucault2;
  • Geopter;
  • OpticalRayTracer;
  • Optics Workbench (для FreeCAD);
  • Inkscape Ray Optics.

• 
  Простий телескоп Галілея у Astree
• 
  Знімок екрану Geopter

Див. також

• Аберації оптичних систем
• Ідеальна оптична система
• Оптичний діапазон випромінювань
• Видиме світло

Джерела

• Сокуренко В. М., Сокуренко О. М. Абер. Програма проектування оптичних систем : буклет. – Київ: Кафедра оптичних та оптико-електронних приладів НТУУ "КПІ", 2011.
• Лисий М. В. Оптичні системи. Побудова зображень. – Курс загальної фізики для слухачів-іноземців підготовчого відділення [Текст] : навчальний посібник / М. В. Лисий, І. М. Поспєлов. – Вінниця : ВНТУ, 2010. – С:143–149
• Міхеєнко Л.А.; Мамута М.С. Основи конструювання приладів: навчальний посібник – К.: НТУУ «КПІ», 2015. URI:https://ooep.kpi.ua/download_pidr.html#okp
• Казанцева, Л.; Салата, С. (2021). Бінокуляри на службі армії, флоту та науки (PDF). Воєнно-історичний вісник, 40(2), 127–142. DOI:10.33099/2707-1383-2021-40-2-127-142
• Чиж, І. Г. Проєктування оптичних систем. Конспект лекцій [Електронний ресурс] : навч. посіб. для здобувачів ступеня магістра за освітньою програмою «Комп'ютерно-інтегровані системи та технології в приладобудуванні» спеціальності 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / І. Г. Чиж ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. URI:https://ela.kpi.ua/handle/123456789/52283
• Автоматизація проєктування елементів оптичних приладів. Практикум [Електронний ресурс] : навч. посіб. для студ. спеціальності 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» / КПІ ім. Ігоря Сікорського ; уклад. О. В. Муравйов. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022.
• Косяченко, Л. А. Аберації оптичних систем. ВУЕ.
• Романюк М. О., Крочук А. С., Пашук І. П. Оптика. — Л. : ЛНУ ім. Івана Франка, 2012. — 564 с.
• Р. В. Трембовецька, Т. Ю. Кісіль, Ж. В. Сотула, К. В. Базіло. Проектування оптико-електронних приладів : посібник до самостійної роботи. Змістовий модуль "Оптичні системи ОЕП". Черкаси : ЧДТУ, 2015. URI: https://elib.chdtu.edu.ua/e-books/1726
• Понеділок Г. В., Данилов А. Б. Геометрична оптика. Оптичні системи та прилади : навчальний посібник. Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2012. ISBN 978-617-607-278-2

Посилання

• Відділ атмосферної оптики та приладобудування ГАО НАНУ
• Підручники і посібники. Кафедра оптичних та оптико-електронних приладів НТУУ "КПІ"
• Програма розрахунку оптичних систем "ABER LITE" (Абер)