Domanda:
Se un obiettivo focalizza tutta la luce in entrata su un punto, come si ottengono immagini 2D?
Kristin
2015-08-13 08:45:08 UTC
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In che modo le lenti producono immagini bidimensionali, se una lente piega tutti i raggi di luce in arrivo per intersecarsi nel punto focale? Questo non dovrebbe produrre un singolo punto di luce su uno schermo posizionato alla lunghezza focale?

Questo è fondamentalmente il diagramma standard che compare sempre nei libri di testo:

std geometric optics pic

So che questo non accade nella vita reale - usavo i telescopi abbastanza spesso per lavoro. L'immagine più a fuoco sarebbe quella con i diametri più piccoli per le stelle, cosa che, ovviamente, pensiamo a sorgenti puntiformi all'infinito. Ma - la luce di tutte le stelle (nonostante sia all'infinito) non è tutta focalizzata in un unico punto. Invece, la luce di ogni stella è focalizzata sul proprio punto $ (x, y) $ su un'immagine 2D.

Non riesco a conciliare la teoria così come la capisco con nessuna delle mie esperienze di vita reale con ottica. Cosa mi manca?

Non ottieni effettivamente un singolo punto di luce nel punto focale?Le foto sono scattate a distanza prima / dopo di essa, non esattamente, per quanto ho capito.
Nel mio corso di "fisica 3", ci hanno fatto misurare la lunghezza focale di un obiettivo trovando l'immagine più "a fuoco" che potevamo produrre del filamento di una lampadina.Quando si sposta l'obiettivo e lo schermo avanti e indietro lungo un banco ottico per trovare l'immagine migliore, non ricordo di aver mai visto un singolo punto focalizzato.(Questo è stato anni fa, però, quindi la mia memoria potrebbe non essere al 100%)
Destra.Ignora il mio commento precedente.Dai un'occhiata a questa immagine https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c2/Focusing_on_retina.svg/220px-Focusing_on_retina.svg.png e questa pagina https://en.wikipedia.org/wiki / Cardinal_point_ (ottica) #Focal_planes
Ciò accade effettivamente nella vita reale, per un obiettivo ideale;)
Una lente ** non focalizza tutta la luce in entrata su un punto **.Si concentra solo (come mostra correttamente il diagramma) tutta la luce che arriva nella * stessa direzione * su un punto.Pertanto, diversi punti nel piano focale raccolgono la luce da diverse direzioni.
Cinque risposte:
John1024
2015-08-13 09:10:35 UTC
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... se una lente piega tutti i raggi di luce in arrivo per intersecarsi nel punto focale? Questo non dovrebbe produrre un singolo punto di luce ...?

(Nel tuo diagramma, l'immagine sorgente è all'infinito. Continuerò l'analisi seguendo questa idea.)

È vero che tutti i raggi paralleli all'asse si concentrano su quel singolo punto. Non tutti i raggi, tuttavia, sono paralleli all'asse:

enter image description here

I raggi provenienti da diverse angolazioni si concentrano su punti diversi. Ecco come si forma un'immagine.

Ok, quindi mentre pensiamo alle stelle come se fossero "all'infinito", dal momento che sono in realtà a una distanza finita, la loro luce arriva effettivamente ad angoli leggermente diversi, e come tale è focalizzata in punti diversi del rivelatore?
@Kristin Non in quanto tale, per tutti tranne i più grandi telescopi ogni stella si concentra su un punto.Ma la luce della prossima stella proviene da una direzione leggermente diversa e si concentra su un punto diverso.Per i corpi estesi, come una persona, la luce dal naso proviene da una direzione diversa dalla luce degli occhi e dalla luce dalla spalla e così via.Ognuno di questi si concentra su un punto diverso della pellicola / CCD in un modo che imita la disposizione fisica delle parti riprese.
Se hai appena mostrato, oltre ai raggi che hai disegnato, quel raggio per ogni serie parallela che passa attraverso il centro ottico dell'obiettivo, allora la costruzione (e la generazione dell'immagine) diventa assolutamente ovvia.
@dmckee Quindi, poiché le stelle sono separate spazialmente, i raggi paralleli associati a ciascuna stella entrano nell'obiettivo in diverse posizioni spaziali e, come tali, si concentrano su diversi punti singoli in diverse posizioni sul CCD?
Ti piace [questo] (http://imgur.com/Tl1hwOW), in modo che la stella verde sia focalizzata sopra le due stelle rosse?
@Kristin Le stelle emettono luce radialmente in tutte le direzioni.La luce di ogni stella illumina l'obiettivo in tutte le posizioni.Ora, guarda il diagramma nella mia risposta: c'è una stella rossa e una stella verde.La luce di ciascuna illumina tutte le posizioni sull'obiettivo.A causa della differenza di angoli, tuttavia, la luce della stella verde si concentra in un punto sopra il punto focale della stella rossa.
@John1024 Questo è effettivamente quello che pensavo!Allora il mio primo commento è corretto?(I miei ultimi due commenti erano in risposta a commenti di follow-up che mi hanno confuso.)
@Kristin Sì.Se guardi il cielo notturno, vedi la luce di ciascuna stella proveniente da un'angolazione diversa.La distanza tra una stella e il nostro obiettivo è così grande che la luce della stella ci sembra essere raggi paralleli.Ma la luce di una stella proviene da un'angolazione diversa rispetto alla luce di un'altra stella.
@John1024 Grazie mille!Questo è quello che mi mancava pensando a questo problema.
Nel caso di un'immagine all'infinito, puoi comunque spostare il sensore un po 'più vicino (o più lontano) dall'obiettivo.
-1
* Penso * che questo diagramma spieghi anche perché le immagini sono spesso invertite quando messe a fuoco attraverso un semplice obiettivo.
@Kristin no, non entrano nell'obiettivo in posizioni diverse.La luce di entrambe le stelle colpisce * ogni * punto sulla superficie dell'obiettivo.Ma la luce della stella A è focalizzata sul punto dell'immagine A e la luce della stella B è focalizzata sul punto B dell'immagine, perché entrano nell'obiettivo da diverse * direzioni *.
Daniel Mahler
2015-08-13 09:17:25 UTC
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Una lente convessa non focalizza tutti i raggi in un unico punto. Mette a fuoco i raggi paralleli di tutti gli assi sul punto focale. Inoltre concentra tutti i raggi che emanano da un dato punto a un punto corrispondente sull'altro lato. Quel punto è l'immagine del punto originale.

Il diagramma standard mostra che una lente invia i raggi in entrata paralleli di tutti gli assi al punto focale. Si può pensare che i raggi paralleli provengano da un punto all'infinito, quindi si può pensare al punto focale come l'immagine di un punto all'infinito.

I diagrammi dei raggi più generali hanno questo aspetto questo: enter image description here

Le regole complete per disegnare i diagrammi dei raggi come fornite nel Articolo Hyperphysics sull'argomento:

  1. Un raggio dalla parte superiore dell'oggetto che procede parallelamente alla linea centrale perpendicolare alla lente. Oltre l'obiettivo, passerà attraverso il punto focale principale. Per una lente negativa, procederà dalla lente come se emanasse dal punto focale sul lato vicino della lente.
  2. Un raggio attraverso il centro della lente, che non sarà deflessa. (In realtà, verrà spostato verso il basso sul lato vicino della lente e di nuovo verso l'alto sul lato di uscita della lente, ma il leggero offset risultante viene trascurato per le lenti sottili.)
  3. Un raggio attraverso il principale punto focale sul lato vicino dell'obiettivo. Procederà parallelamente alla linea centrale all'uscita dall'obiettivo. Il terzo raggio non è realmente necessario, poiché i primi due individuano l'immagine.
BlueRaja - Danny Pflughoeft
2015-08-14 00:34:15 UTC
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Il diagramma mostra fasci di luce paralleli provenienti dall'infinito. La luce che entra nell'occhio nel mondo reale non è tutta parallela.

Nel mondo reale, tutta la luce che rimbalza su un singolo punto colpisce il sensore (cono oculare, sensore digitale, ecc.) in un unico punto, assumendo che quel punto sia a fuoco. Tuttavia, la luce proveniente da punti diversi colpirà il sensore in punti diversi, creando l'immagine che vedi.

In-focus points

Se il punto non è a fuoco, sarà distribuito sul sensore in un cerchio. I fotografi chiamano questo il circolo della confusione.

Out-of-focus point

Giocare con questo strumento dovrebbe renderlo abbastanza ovvio. Ho preso queste immagini dalla mia risposta alla domanda Photography.SE Come funziona l'apertura senza "ritagliare" l'immagine che colpisce il sensore?

Thorsten S.
2015-08-13 14:58:14 UTC
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A dire il vero: l'ottica geometrica è sbagliata. È sufficiente per piccoli angoli e configurazioni non troppo complicate, ma è comunque un'approssimazione.

La prima cosa: le lenti normali non hanno un punto focale, ma qualcosa che assomiglia più a una linea, la cosiddetta caustica. La forma corretta per ottenere un punto perfetto sulla linea che attraversa il centro della lente (lo chiamo asse ora) non è una forma sferica, ma una curva complicata, l ' ovoide cartesiano. Quindi non otterrai un'immagine puntiforme da normali superfici ottiche in primo luogo; ci sono lenti aplanatiche , ma sono estremamente costose.

Secondo: anche se hai una lente aplanatica, la luce non è un raggio, ma un fronte d'onda. Un fronte d'onda planare perfetto che attraversa una lente aplanatica forma ancora non un punto, ma un cosiddetto disco arioso. Lo vedi molto bene se aumenti l'ingrandimento; ad un certo punto l'immagine diventa sempre più sfocata, i dischi ariosi delle immagini dei punti iniziano a sovrapporsi e rovinare l'immagine. L'unica possibilità per evitarlo è aumentare la dimensione della lente o dello specchio che rende il disco più piccolo (questo è il motivo per cui gli astronomi hanno bisogno di lenti e specchi grandi e grandi).

Ma anche questo non è sufficiente abbastanza se vuoi una qualità veramente alta, in quel caso hai bisogno delle esatte equazioni della luce descritte dalle equazioni di Maxwell.

Ora abbiamo bisogno di un'immagine, sto usando il immagine open source della Wikipedia tedesca sotto "Linsengleichung":
Geometric optic image

Come vedi, se la sorgente dei raggi di luce è vicino all'obiettivo, i raggi non corrono parallele e la loro immagine non si sviluppa nel punto focale f, ma a distanza maggiore. Stai usando due raggi dallo stesso punto: uno parallelo all'asse che attraversa il punto focale e uno che corre dal punto esattamente attraverso l'obiettivo. Dove si incrociano c'è l'immagine del punto di origine e questo non è il punto focale!

La verità va ripetuta: anche l'ottica ondulatoria è sbagliata.È sufficiente per intensità moderate e frequenze non troppo alte, ma è comunque un'approssimazione.
Guill
2015-08-20 02:03:35 UTC
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C'è un errore nella tua domanda che potrebbe essere la fonte della tua confusione. Non è tutta la luce che viene messa a fuoco in un punto, sono solo i raggi paralleli all'asse dell'obiettivo!
Nel caso di due stelle (sorgenti puntiformi), se i raggi di una stella sono paralleli all'asse della lente, i raggi dell'altra stella non saranno (non co-lineari), quindi la sua immagine apparirà in un punto diverso dalla prima stella.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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