Illustration optique

En optique, l'imagerie optique est la génération d'un point d'image à partir d'un point objet en combinant la lumière émanant du point objet au moyen d'un système optique. Une image est la totalité de tous les pixels individuels qui représentent tous les points de l'objet.

Une image réelle peut être capturée sur un écran. La lumière y est vraiment unie. Une image virtuelle semble flotter dans l'espace. Avec une construction optique à rayons, les rayons sont également combinés en pixels. Lors de l'observation, la lumière semble provenir des pixels virtuels.

Le système optique peut être constitué de lentilles, de miroirs, de diaphragmes ou similaires. consister. Seuls les points d'un plan objet sont mappés dans un plan image spécifique. Plus les points objets sont éloignés de ce plan objet, moins ils apparaissent nets dans le plan image. Dans la plupart des systèmes optiques réels, la distance tolérable du plan objet - la profondeur de champ - est très petite.

Systèmes optiques

En plus des lentilles et des miroirs , les diaphragmes avec des ouvertures ponctuelles produisent des images optiques. Ils peuvent donc être utilisés seuls comme systèmes optiques - par exemple comme caméras à sténopé - pour l'imagerie. Les systèmes plus complexes sont constitués de plusieurs composants optiques .

Afin de réduire les aberrations, les lentilles sont souvent constituées de plusieurs types de lentilles de différents types de verre, mais elles agissent toujours comme une lentille convergente . Les objectifs de collecte et les objectifs produisent une image inversée et inversée, par exemple sur un film dans un appareil photo .

Au moyen d'un prisme inverseur ou d'une autre lentille convergente d'imagerie, l'image générée par la lentille peut être immédiatement tournée à nouveau pour convertir l'image intermédiaire, par ex. B. dans le viseur de l'appareil photo ou pour la projection dans l' agrandisseur ou le projecteur de diapositives correctement latéralement et verticalement. La distance entre deux lentilles correspond à peu près à la somme de leurs distances focales. Il doit être augmenté si un objet proche doit être visualisé.

Le principe d'un télescope astronomique consiste à visualiser l' image produite par l'objectif avec une loupe ou un oculaire . Cette loupe ou oculaire crée uniquement une image sur la rétine avec la lentille oculaire. Par conséquent, les images d'un télescope astronomique et aussi celles d'un microscope qui fonctionne de la même manière sont à l'envers. Les jumelles et de nombreux stéréomicroscopes ont donc souvent des prismes à érection, qui servent souvent aussi à raccourcir la longueur totale.

Imagerie optique avec lentilles individuelles et miroirs sphériques

L' optique du faisceau idéalisant part généralement d'une source lumineuse ponctuelle infiniment distante. Les rayons venant de là sont parallèles les uns aux autres. Si l'objet imagé n'est pas à l'infini, mais à la distance d'une distance d' objet finie , l' image est générée dans la distance d' image assignée , qui dans le cas de la lentille convergente est toujours supérieure à la distance focale. Le plan image est incurvé.

Les autres considérations s'appliquent à un trajet de faisceau dit paraxial . À proprement parler, toutes les considérations ne s'appliquent qu'à une zone très étroite autour de l' axe optique . Les lentilles sont idéalisées dans des plans infiniment fins et la couleur de la lumière est négligée . Cette simplification est importante car la distance focale est différente pour chaque couleur.

Les mêmes principes s'appliquent aux miroirs qu'aux lentilles. Lorsque vous regardez les images, vous devez simplement être conscient que la direction des rayons doit en fait être inversée sur chaque surface de miroir.

Une lentille convergente focalise les rayons lumineux incidents parallèlement à l'axe optique dans le point focal , qui est la distance , la longueur focale , de la lentille; inversement, la lumière émanant du point focal et tombant à travers la lentille est déviée en un faisceau de rayons lumineux parallèles.

Construction d'une image réelle sur une lentille convergente

En général, les objets peuvent être cartographiés à l'aide d'une lentille convergente. Dans ce cas, se réfère à la distance de l'objet à l'objectif (également appelée distance objet) et à la distance de l'image à l'objectif (distance focale). Si la lentille est mince, l' équation de la lentille tient

.

Cette façon de parler exprime qu'un objet qui est à une distance d'une lentille de la distance focale est affiché sur un écran qui est à la distance de l'autre côté de la lentille. La condition préalable est que . Une caméra fonctionne selon ce principe; Dans ce cas, l'écran est le film à exposer (ou, dans les appareils photo numériques, la couche semi-conductrice à exposer) sur laquelle est mappée l' image dite réelle .

Cependant, si l'objet est entre le point focal et l'objectif (c'est-à-dire ) devient alors négatif; l'image est alors virtuelle et apparaît devant l'objectif. Bien qu'une image virtuelle ne puisse pas être affichée sur un écran, elle est visible par un observateur regardant à travers l'objectif sans autre aide. Une loupe fonctionne selon ce principe.

Construction d'une image virtuelle sur une lentille convergente

Le grossissement d' une lentille est à travers

où est le facteur de grossissement. Un négatif signifie ici une image réelle et à l'envers; un positif signifie une image virtuelle qui est debout.

La formule ci-dessus peut également être utilisée pour des lentilles divergentes. Cependant, de tels objectifs produisent des images virtuelles dans tous les cas.

Construction d'une image virtuelle sur une lentille divergente

Le calcul (modélisation) de systèmes optiques réels à partir d'un grand nombre de lentilles ou de miroirs est bien sûr incomparablement plus complexe, mais est réalisé de la même manière que la procédure pour les lentilles individuelles.

Erreurs d'image

Des aberrations est appelée lorsque les différents rayons lumineux émanant du point objet, ne sont pas tous focalisés dans un pixel.

Les aberrations les plus importantes sont les aberrations sphériques et chromatiques .

Les aberrations sphériques et chromatiques sont corrigées par des systèmes constitués de plusieurs lentilles de différents types de verre, les aberrations sphériques sont corrigées par des lentilles asphériques ou des lentilles à gradient.

L'optique miroir n'a pas d'aberration chromatique. L'aberration sphérique d'un miroir sphérique peut être corrigée avec une plaque de verre de correction inventée par Bernhard Schmidt . Le télescope dit Schmidt (également miroir Schmidt) développé par lui a donc un champ de vision particulièrement large.

Une plaque de verre ( plan de la plaque ) crée un décalage du plan d'image ou d' un flou qui augmente à mesure que l'angle d'ouverture augmente.

Processus similaire à l'imagerie optique

Images quasi-optiques

En général, une image de quasi-optique peut également être réalisé avec d' autres types de rayonnement ( micro - ondes , les rayons X , les ondes millimétriques , le rayonnement térahertz , ultraviolet , rayonnement infrarouge ) si une image peut être créée par la réfraction ou la réflexion sur les surfaces courbes (par exemple télescope à rayons X , la radio télescope ).

Dans l' optique électronique se concentre la déviation du faisceau d' électrons au moyen de champs magnétiques ou électriques. Comme les lentilles optiques, il existe donc des lentilles électroniques constituées de champs, mais celles-ci présentent de fortes erreurs d'imagerie. Ils sont utilisés comme lentilles d'imagerie dans les intensificateurs d'image et les microscopes électroniques à transmission , mais aussi pour la mise au point dans les tubes cathodiques et les canons à électrons .

Ombrage

L' ombre projetée ne représente pas non plus une image optique au sens strict : ici, une image nette est garantie par le fait que pratiquement un seul faisceau émane d'un point objet, de sorte qu'aucun système optique n'est nécessaire pour combiner la lumière. Cela peut être fait par une source lumineuse définie (ponctuelle ou parallèle). L'objet est dans le trajet du faisceau et absorbe une partie de la lumière. Contrairement à l'illustration, pratiquement chaque plan derrière l'objet convient comme plan de projection. C'est z. B. utilisé dans le diagnostic de rayons X . Une autre possibilité est le repos direct de l'objet sur le plan de projection, par ex. B. avec des copies de contact.

récit

On trouve déjà des formes simples d'imagerie optique dans les grands espaces: des taches de lumière visibles sous un couvert de feuilles au sol ne prennent pas la forme des trous, mais celle de la source lumineuse . Autrement dit, au soleil, ils sont ronds (sauf pour les éclipses solaires partielles , au clair de lune, ils prennent la forme du croissant de lune.)

Dans une première abstraction, ce constat conduit au développement de la camera obscura : dans une pièce sombre, dont un mur a un petit trou, une image de réalité extérieure est créée au dos. Ce phénomène bien connu se reflète également dans l' allégorie de la philosophie .

L'image générée dans la caméra obscura est d'autant plus lumineuse que le trou est grand. Cependant, à mesure que la taille du trou augmente, la netteté de l'image augmente également. Ce dilemme peut être résolu en focalisant la lumière à l'aide d'une lentille convergente . Chaque lentille convergente a un foyer (point focal), qui est défini par le fait que la lumière d'une source lumineuse imaginaire, infiniment distante et en forme de point est réunie en un seul point. Les objets étendus conduisent à une image bidimensionnelle dans le plan focal défini par le point focal . Cela peut être facilement retracé sur une feuille de papier avec une loupe et la lumière d'une source de lumière structurée (lampe à incandescence, lumière du jour dans la croix de fenêtre).

Voir également

Littérature

  • Heinz Haferkorn: Optique. Bases et applications physico-techniques. 4e édition révisée et augmentée. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8 .
  • Eugene Hecht: optique. Addison-Wesley, Bonn a. une. 1989, ISBN 3-925118-86-1 .