Optisches Bild
Das Muster, das durch die Einwirkung eines optischen Systems auf die von einem Objekt emittierten Strahlen erzeugt wird und das die Konturen und Details des Objekts reproduziert. Die praktische Verwendung eines optischen Bildes führt häufig zu einer Änderung des Maßstabs der Bilder des Objekts und der Projektion auf eine Oberfläche (z. B. einen Bildschirm, einen fotografischen Film oder eine Photokathode). Die Grundlage der visuellen Wahrnehmung eines Objekts ist sein optisches Bild, wie es auf die Netzhaut des Auges projiziert wird.
Die maximale Übereinstimmung des Bildes mit dem Objekt wird erreicht, wenn jeder Punkt des Objekts durch einen Punkt dargestellt wird. Mit anderen Worten, nach allen Brechungen und Reflexionen im optischen System sollten sich die von der Lichtquelle emittierten Strahlen an einem einzigen Punkt schneiden. Dies ist jedoch nicht für jeden Standort eines Objekts in Bezug auf das System möglich. Beispielsweise können bei Systemen, die eine Symmetrieachse (eine optische Achse) aufweisen, punktoptische Bilder nur für diejenigen Punkte erzeugt werden, die in einem leichten Winkel zur Achse liegen, im sogenannten paraxialen Bereich. Der Ort des optischen Bildes eines beliebigen Punktes des paraxialen Bereichs kann durch Anwendung der Gesetze der geometrischen Optik gefunden werden; Die Kenntnis der Lage der Kardinalpunkte des Systems ist für diesen Zweck ausreichend.
Die Gesamtheit der Punkte, deren optisches Bild mittels eines optischen Systems erzeugbar ist, bildet einen Objektraum, und die Gesamtheit der Punktbilder dieser Punkte bildet den Bildraum.
Es wird zwischen realen und virtuellen optischen Bildern unterschieden. Reale Bilder werden durch konvergierende Strahlenbündel an ihren Schnittpunkten erzeugt. Das reale optische Bild kann beobachtet werden, indem ein Bildschirm oder ein fotografischer Film in die Schnittebene der Strahlen gelegt wird. In anderen Fällen divergieren die Strahlen, die aus einem optischen System austreten, aber wenn sie mental in die entgegengesetzte Richtung fortgesetzt werden, schneiden sie sich an einem einzigen Punkt. Dieser Punkt wird als virtuelles Bild eines Punktobjekts bezeichnet, es entspricht nicht dem Schnittpunkt realer Strahlen, und daher kann ein virtuelles optisches Bild nicht auf einem Bildschirm erzeugt oder auf Film aufgezeichnet werden. Ein virtuelles optisches Bild kann jedoch die Rolle eines Objekts in Bezug auf ein anderes optisches System (z. B. das Auge oder eine Sammellinse) spielen, das es in ein reales Bild umwandelt.
Ein optisches Objekt ist eine Menge von Punkten, die von seinem eigenen oder reflektierten Licht beleuchtet werden. Wenn die Art und Weise, in der ein optisches System jeden Punkt darstellt, bekannt ist, ist es einfach, ein Bild des gesamten Objekts zu konstruieren.
Die optischen Bilder realer Objekte in flachen Spiegeln sind immer virtuell (siehe Abbildung 1, a); bei Hohlspiegeln und Sammellinsen kann es sich je nach Entfernung der Objekte vom Spiegel oder der Linse um reale oder virtuelle Bilder handeln (Abbildung 1, c und d). Konvexspiegel und divergierende Linsen erzeugen nur virtuelle optische Bilder von realen Objekten (Abbildung 1, b und e). Der Ort und die Abmessungen eines optischen Bildes hängen von den Eigenschaften des optischen Systems und vom Abstand zwischen ihm und dem Objekt ab. Nur bei einem flachen Spiegel ist ein optisches Bild immer gleich groß wie das Objekt.
Wenn ein Punktobjekt nicht im paraxialen Bereich liegt, werden die Strahlen, die aus ihm austreten und das optische System passieren, nicht an einem einzigen Punkt gesammelt, sondern schneiden die Bildebene an verschiedenen Punkten und bilden einen aberrationalen Fleck; Die Größe des Flecks hängt von der Position des Punktobjekts und vom Design des Systems ab. Nur flache Spiegel sind nicht aberrationale (ideale) optische Systeme, die ein Punktbild eines Punktes erzeugen. Bei der Konstruktion optischer Systeme werden Aberrationen korrigiert, dh es wird darauf geachtet, dass Streuaberrationen das Bild nicht in nennenswertem Maße verschlechtern; Eine vollständige Beseitigung von Aberrationen ist jedoch unmöglich.
Es ist anzumerken, dass das Obige nur im Rahmen der geometrischen Optik streng gültig ist, was, obwohl in vielen Fällen recht zufriedenstellend, dennoch nur eine ungefähre Methode zur Beschreibung der Phänomene ist, die in optischen Systemen auftreten. Nur in der geometrischen Optik, in der die Abstraktion von der Wellennatur des Lichts verwendet wird und insbesondere die Phänomene der Lichtbeugung nicht berücksichtigt werden, kann das optische Bild eines Leuchtpunkts als Punktbild betrachtet werden. Eine genauere Untersuchung der Mikrostruktur eines optischen Bildes unter Berücksichtigung der Wellennatur des Lichts zeigt, dass ein Punktbild selbst in einem idealen (nicht aberrationalen) System eher ein komplexes Beugungsmuster als ein Punkt ist.
Die Verteilung der Lichtenergiedichte im Bild ist signifikant für die Bewertung der Qualität eines optischen Bildes, das aufgrund der Entwicklung von Foto-, Fernseh- und anderen Methoden große Bedeutung erlangt hat. Eine spezielle Eigenschaft — der Kontrast k = (Emax- Emin) /(Emax— Emin), wobei Emin und Emax die kleinsten und größten Beleuchtungswerte des optischen Bildes eines Standardtestobjekts sind — wird dafür verwendet. Als solches Standardprüfobjekt wird üblicherweise ein Gitter verwendet, dessen Helligkeit sinusförmig mit einer Frequenz R (der Anzahl der Perioden des Gitters pro Millimeter) variiert: k hängt von R und der Richtung der Gitterlinien ab. Die Funktion k(R) wird als Frequenz-Kontrast-Charakteristik bezeichnet. In idealen Systemen ist k = 0, wenn R = 2A ‚ /\ oder mehr ist, wenn A‘ die numerische Apertur des Systems im Bildraum und X die Wellenlänge des Lichts ist. Je niedriger das k für ein gegebenes R ist, desto schlechter ist die Qualität des optischen Bildes in dem jeweiligen System.