книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

как у микроскопа. Зрительная труба увеличивает размеры изображе- ния удаленного предмета на сетчатке глаза,действуя так, как если бы предмет«приблизился» к глазу.Благодаря этому глазлучше различает детали предмета.

Разрешающаяспособностьзрительнойтрубыограниченаволновой природой света. Разнообразные виды зрительных труб применяются в качестве монокуляров,биноклей,атакже используются в геодезиче- ских и в военных оптических приборах (перископах).

Объектив 1 зрительной трубы должен быть всегда собирающей си- стемой, окуляр 2 может быть как собирающей, так и рассеивающей системой.

Зрительная труба с рассеивающим (отрицательным) окуляром 2 называется трубой Галилея. Ход лучей в зрительной трубе Галилея

(рисунок слева).

Труба Галилея (неред- ко применяемая в обыч- ном театральном би- нокле) дает прямое изображение предмета. Именно Галилей дога-

дался направить зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп. Зрительная труба с собирающим (положительным) окуляром 2 на-

зывается трубой Кеплера.Ходлучей в зрительнойтрубе Кеплера (ри- сунок справа).

Труба Кеплера даёт перевернутое изобра- жение предмета.

Дляземныхнаблю- дений её снабжают ещё оборачивающей

системой, состоящей из линзы или системы призм, в результате чего изображение становится прямым. Примером подобного прибора мо- жет служить призменный бинокль (см. ниже).

Техническим преимуществом трубы Кеплера является то, что в ней имеется действительное промежуточное изобра- жение (FS’),которое можетбытьизмере- но, спроецировано и сфотографировано (тоесть,вплоскостьизображенияможно поместить измерительную шкалу, фото- пластинку, экран). Поэтому в астроно- мииивовсехслучаях,связанныхсизме- рениями, применяется труба Кеплера.

260

Ход лучей в устройстве призменного полевого бинокля (рисунок слева).

Изменение направления стрелки указывает на «обраще- ние» изображения после прохождениялучей через призмен- ную часть системы.

«Ночезрительная»труба Ломоносова(основоположни-

ка приборов ночного видения).

Известно, что яркость изображения протяженного источ- ника при использовании зрительной трубы не повышается, но воз- можность распознавания деталей слабо освещенных предметов при этом возрастает.

Этот феномен зрения был установлен впервые М. В. Ломоносовым, который сконструировал свою «ночезрительную трубу», предназна- ченную для рассматривания предметов в условиях слабого освеще- ния,то есть ночью или в сумерках.

Вэтих условиях свойства восприятия зрения человека значительно изменяются по сравнению сдневными условиями,в частности значи- тельно возрастает тот минимальный угол зрения, под которым глаз может еще различить две точки объекта как раздельные.

Вночных условиях работа глаза протекает совершенно иначе. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол разрешения повышается и можетдойти до 10.Основными чувствующими клетка- ми сетчатки глаза в ночных условиях становятся палочки (колбочки перестают действовать). Чувствительность глаза после длительно- го пребывания в темноте чрезвычайно возрастает, что выражается

втом, что при наблюдении очень малых светлых пятен яркость этих пятен оказывается прямо пропорциональной их площади (в днев- ных условиях яркость пятен от их площади не зависит).

«Ночезрительная» труба Ломо- носова (рисунок справа) состояла двух линз по концам трубы с очень большим объективом, который «за-

хватывал огромную массу лучей и со- бирал их преломлением», и малым окуляром,«которыйсновапреломлял лучи, превращая их в параллельные».

Восстанавливаяпараллельностьсве- тового пучка, направляемого в глаз наблюдателя, вторая линза (окуляр)

делала освещённость его зрачка выше освещённости первой линзы. Вносимоетрубой увеличение угла,под которым всё же виден пред- мет,повышает разрешающую способность всей системы (трубы и гла-

261

за), если угол, под которым виден предмет, больше 1 минуты (в ноч- ных условиях у человека он доходит до 10).

При этом, как показывает опыт (а не геометрическая оптика), ока- зывается, что повышение разрешающей способности прямо пропор- ционально оптическому увеличению.

Зрительная труба, увеличивая угол зрения, под которым видны предметы,повышает способность зрения различать предметы в усло- виях ночного и сумеречного освещения.

Труба Ломоносова предназначаласьдлятого,чтобы мореходы мог- ли различать в ночное время скалы и корабли.

Это техническое преимущество ведущие учёные того вре- мени не признавали, ссылаясь на геометрическую оптику и несовер- шенство трубы. Моряки же хорошо знали по опыту пользу труб и би- ноклей для ночных наблюдений.

В современных условиях оптическая система «ночезрительной трубы» должна состоять из возможно малого числа деталей для уменьшения потерь света на отражение и поглощение, для чего до- полнительно поверхности оптических деталей необходимо «про- светлять». Труба должна быть рассчитана на работу при максималь- ном диаметре зрачка глаза около 8 мм.Кроме того,труба для ночных наблюденийдолжна иметь,как можно большую светосилу и большое увеличение.

Телескоп — прибор (зрительная труба, монокуляр), предназна- ченный для наблюдения небесных тел. Под телескопом понимается не только оптическая система для астрономических целей. Существу- юттелескопыдлявсехдиапазоновэлектромагнитногоспектра,напри- мер радиотелескопы. Детекторы нейтрино часто называют нейтрин- ными телескопами. Телескопами также могут называться детекторы гравитационных волн.

Телескоп Галилея, при всём своём несовершенстве, обладал увели- чением всего лишь в 30 раз, однако это не помешало Галилею сделать ряд важных астрономических открытий.

Современныетелескопыимеютогромныеразмерыипредставляют собой весьма сложные сооружения. Телескопы, построенные по типу линзовой зрительной трубы — называются рефракторами. Телеско- пы, построенные с использованием зеркальных (отражательных) си- стем называются рефлекторами. Именно они имеют исключительное и преимущественное значение в астрономии.

Зеркальныйтелескоп или рефлектор обладаетпо сравнению с реф- рактором тем преимуществом, что он не имеет хроматической абер- рации. Изготовить зеркало сравнительно легче, чем объектив. Тре- бования к однородности стекла, идущего для изготовления зеркала, предъявляются менее строгие, так как свет через него не проходит —

262

стекло является всего лишь основанием, на которое наносится отра- жающий слой.

Простейшей схемой зеркального телескопа является оптическая система Ньютона (рисунок ниже).

Труба телескопа служит для защиты зеркала от постороннего света. На сферическое зеркало 1 падает свет от какого-нибудь отдален- ного светила. Пучок света от далёких небесных источников практи- чески параллельный. Изображение светила получается в фокальной плоскости F, вблизи которой размещается небольшое плоское зерка- ло 2, чтобы было удобно рассматривать это изображение. Зеркальце 2 поворачиваетсветовые лучи в окуляр 3,через который изображение рассматривают, как в лупу. Изображение небесного тела будет дей-

ствительное, обратное и уменьшенное.

М. В. Ломоносов для наблюдений вместо зеркальца 2 (чтобы не за- тенять сферическое зеркало 1) просто немного поворачивал сфериче- ское зеркало 1, а окуляр 3 размещал вдоль направления оси сфериче- ского зеркала.

Огромное по сравнению со зрачком глаза поперечное сечение зеркала телескопа перехватывает гораздо больше света от каждой звезды,чем это можетсделатьглаз без него,поэтому втелескоп мож- но вести наблюдения за очень слабыми, невидимыми человеком, звездами. Разрешающая способность телескопа во много раз превы- шает разрешающую способность глаза. Возможности наблюдения, которые может дать каждый телескоп, определяются диаметром его отверстия. Поэтому всегда есть потребность в поиске способов из- готовления больших зеркал и объективов, например пятиметровых и более. Однако в условиях земного тяготения отливка и особенно полировка стекла, а также серебрение таких зеркал представляют сложную технологическую задачу. Все преломляющие и отражаю- щие поверхности телескопа должны иметь строго определенную форму, согласованную одна с другой, быть тщательно отшлифованы, отполированы, не иметь сферической и хроматической аберраций. «Исправление» аберраций у крупных оптических деталей телескопа представляет также большие трудности.

Для устранения аберраций в оптическую систему телескопа вво- дятся дополнительные линзы (мениски Д. Д. Максутова) и зеркала, что усложняет конструкцию и совсем немного улучшает изображе-

263

ние. Но в практике применения телескопа его реальная разрешаю- щая способность подвержена неуправляемому снижению вследствие искажений, вносимых воздушными потоками и несовершенством оптики телескопа, поэтому телескопы размещают, как правило, на самых высоких точках земной поверхности или за пределами ат- мосферы.

При изготовлении зеркала рефлектора чаще всего его сферической поверхности придают форму параболоида вращения. У параболиче- ского зеркала значительно меньше влияние сферической аберрации, но изготовлять параболические зеркала гораздо труднее, чем просто сферические.

Если рефрактор диаметром 1 м имеет длину 21 м, то зеркальный телескоп при том же диаметре в 1 м имеет длину всего 6 м — это его техническое преимущество. Однако при этом требования к точности изготовления поверхности зеркала предъявляются более высокие, чем для изготовления поверхности объектива.Зеркала более чувстви- тельны к прогибам, чем линзы. Прогибы появляются под действием собственного веса зеркала и вследствие изменения температуры, что приводитк значительному понижению качества изображения.Следо- вательно, у каждого рефлектора и каждого рефрактора есть своё со- четание достоинств и недостатков, позволяющее сделать выбор наи- лучшего инструмента.

Если источник света рассматривается глазом без оптического при- бора, то световой поток пропорционален площади его зрачка. Если источник света рассматривается с помощью оптического прибора, то световой поток пропорционален площади объектива. Поэтому яр- кость изображения возрастает пропорционально отношению квадра- тов диаметров объектива и зрачка глаза (при условии, что весь поток света, падающий на объектив, попадает в зрачок наблюдателя). Так, например, при наблюдениях с помощью телескопа диаметром 60 см и при диаметре зрачка 6 мм получают увеличение видимой яркости звезды в 10 тысяч раз.

Яркость фона неба, как протяжённого объекта, при наблюдени- ях в телескоп не увеличивается, но контрастность изображения зна- чительно возрастает, благодаря чему звёзды видны в телескоп даже днём. Поэтому оптические приборы повышают возможность видеть слабые точечные источники света, чем являются слабые звёзды. В мощные телескопы диаметром в несколько метров можно видеть звёзды в десятки тысяч и более раз слабые, чем это может видеть че- ловек без них.

Фотоаппарат — это оптический прибор, позволяющий записы- вать неподвижное (и даже движущееся) изображение на фотомате- риалах или в цифровой памяти.

264

Он состоит из объектива и светоне- проницаемойкамеры(рисуноксправа). Простейший фотоаппарат представля- ет собой непрозрачную камеру, внутри которой размещён плоский приёмник света, в виде фотоматериала или фото- электрического преобразователя.

Плёночный фотоаппарат и целлуло- идная фотографическая плёнка были впервые созданы фирмой «Кодак» в 1889 г.

По своему устройству фотоаппарат подобен устройству человече- ского глаза.

Изображение на приёмнике света получается обратное уменьшён- ное.

Наиболее ответственной частью фотоаппарата является объектив. Наводка на резкость фотографируемого объекта осуществляется с по- мощью передвижения объектива в его тубусе. Для получения фото- графий запись изображения в фотоаппарате осуществляется фотохи- мическим способом при воздействии света на светочувствительный фотоматериал. Полученное скрытое изображение преобразуется в видимое изображение при лабораторной обработке засвеченного фотоматериала. В цифровом фотоаппарате фиксация изображения осуществляется посредством фотоэлектрического преобразования оптического изображения в электрический сигнал, цифровые данные о котором сохраняются на энергонезависимом носителе (на запоми- нающем устройстве, жёстком диске, в карте памяти).

Внизу схема устройства фотоаппарата с зеркальным видоискате- лем.

Стереофотоаппараты оснащаются двумя объективами и специаль- ным лентопротяжным трактом.

265

Киноаппрат — устройство, предназначенное для записи движу- щегося изображения на киноплёнку.

Слева схема киноаппарата с зеркальным визиром.

Основными узлами явля-

ются: 1 — съёмочный объектив; 2 — зеркальный обтюратор; 3 — коллективная линза; 4 — зеркало; 5 — визирлупа; 6 — подающая кассета; 7 —

тяговый зубчатый барабан;

8 — верхняя петля; 9 — кадровое окно; 10 — фильмовый канал; 11 — скачковый механизм;12 — нижняяпетля; 13 — удерживающий зубчатый барабан; 14 — принимающая кассета.

Лентопротяжный ме- ханизм обеспечивает прерывистое (на один кадр) перемещение ки-

ноплёнки и состоитиз подающей киноплёнку кассеты 6,тягового зуб- чатого барабана 7,скачкового механизма 11,удерживающего зубчато- го барабана 13 и принимающей засвеченную киноплёнку кассеты 14. Лентопротяжный механизм снабжен электроприводом.

Прерывистое (скачкообразное) перемещение киноплёнки мимо кадрового окна 9 осуществляется скачковым механизмом 11 обычно грейферного (с нем. «хватать») типа.

Это кривошипно-шатунный меха- низм (рисунок слева), служащий для прерывистогопродвижениякиноплён- ки на один кадр в фильмовом канале

10 киноаппарата. При вращении шай- бы 14 грейферный зуб 12 на качающем- ся рычаге 13 описывает D — образные шатунные (хватательные) движения. Он периодически входит в отверстия (перфорацию)киноплёнки2,движущейся

в фильмовом канале 1,продвигает её и выходит для захвата следующего кадра киноплёнки.Благодаря действию скачкового механизма киноплён- ка некоторое время находится в покое (для экспонирования изображе- ния),а затем быстро перемещается к следующему кадру.

266

Перед фильмовым каналом 10 и за скачковым механизмом 11 ки- ноплёнка образует петли 8 и 12,необходимые для беспрепятственной работы скачкового механизма.

Обтюратор 2 выполняется обычно в виде диска с секторным выре- зом (углом светового выреза αсв) и предназначен для периодического перекрывания световых лучей, идущих к кадровому окну 9, во время перемещения киноплёнки на шаг кадра.

Визирная оптическая система 5 (визир — лупа) предназначена для выбора границ кадра и наблюдения за объектом съёмки.

Процесс записи называется киносъёмкой,а полученное в результа- те изображение на киноплёнке используется для создания кинофиль- ма. В процессе киносъёмки при помощи объектива на светочувстви- тельной киноплёнке последовательно фиксируются фотографические изображения отдельных фаз движения объекта съёмки с частотой, превышающей порог человеческого восприятия (длительность зри- тельного ощущения примерно 1/7 сек). Стандартная частота киносъ- ёмки звукового кинематографа во всём мире составляет 24 кадра в секунду. В результате при воспроизведении полученного фильма зритель воспринимает последовательность неподвижных изображе- ний как одно непрерывно движущееся (видит иллюзию движения).

С изобретением видеокамеры и цифровой кинокамеры киноаппа- ратвытеснен ими из профессионального употребления.Современные киносъемочные аппараты оснащаются многочисленными электрон- ными устройствами,облегчающими съёмку и повышающими её каче- ство и совместимость с цифровым и телевизионным оборудованием.

Видеокамера (в первоначальном значении) — это комбинация телевизионной передающей камеры и устройства для видеозаписи. Название устройства «видеокамера» стало распространённым и за- менило название «телевизионная камера» («телекамера»,ТВ камера). Современные видеокамеры являются компактными устройствами, сочетающими в себе объектив, устройство, формирующее видеосиг- нал или цифровой видеопоток, устройство для получения звукового сигнала (микрофон и усилитель) и устройство для сохранения видео- и звуковых данных, преимущественно на неподвижном носителе.

Видеокамерами оснащаются все современные сотовые телефоны. Видеокамеры, специально спроектированные для получения изо- бражения кинематографического качества в стандартах цифрового кино, называются цифровыми кинокамерами, они являются отдель-

ным классом устройств.

Видеомагнитофон — устройство для записи телесигнала на маг- нитную ленту и последующего воспроизведения этой видеофоно- граммы. Вследствие распространения промышленно тиражируемых видеокассет с готовыми видеозаписями фильмов и передач появи-

267

лись бытовые видеоплейеры (видеопроигрыватели). Бытовые видео- магнитофоны полностью вытеснены проигрывателями оптических видеодисков (удобных при использовании и имеющих более высокое качество).

Диаскоп — это прибор для просмотра прозрачных диапозитивов на просвет. Он похож на детский калейдоскоп.

Стереоскоп — это диа- скоп,предназначенныйдля рассматривания стереоско- пических диапозитивов, он снабжён двумя окулярами.

Оптическая схема диаскопа

(рисунок слева) содержит: 1 — матовое стекло; 2 — диапозитив (слайд); 3 — окуляр.

Проектор, диапроектор, эпидиаскоп, кинопроектор — опти-

ческие приборы, предназначенные для оптического воспроизведе- ния небольшого по размеру изображения на большом экране.

Проектор — оптический прибор, предназначенный для создания действительного изображения плоского небольшого размера пред- мета на большом экране. Появление проекционных аппаратов спо- собствовало возникновению кинематографа, ставшего впоследствии проекционным искусством. Возможность кинопроекции появилась с изобретением целлулоидной киноленты.

Прозрачный объект 1 освещается ярким источником света 2 с помощью оптического конденсатора 3. Источник света 2 установ- лен в фокусе вогнутого зеркала 4. Объект 1 помещается вблизи фокальной плоскости объектива 5, который даёт его изображение на экране 6. Объектив 5 имеет возможность

плавно перемещаться для наводки на резкость изображения. Ход лучей в проекторе на экран Э показан ниже.

Проекционные систе- мы (проекционные фона- ри)оченьчастоупотребля- ются для демонстрации рисунков, чертежей, на- пример, во время лекций.

Лазерныйпроекторвы- водит изображение с по- мощью лазерного луча.

268

Диапроектор («слайд — проектор») — название этого прибора происходит от использования способа проекции — т. н. диапроекция, то есть с помощью лучей света, проходящих через прозрачный носи- тель с изображением. Прибор предназначен для просмотра диапози- тивов и прозрачных цветных кадров.

Схема прибора (рисунок ниже) содержит две линзовые системы: конденсор и проекционный объектив.

Конденсорравномерноосвещаетпрозрачныйоригинал,направляя лучи в проекционный объектив, который строит изображение ориги- нала на экране.

Эпископ (эпископический проекционный аппарат) —создаёт изо- бражения непрозрачных предметов путём эпипроекции,то есть с по- мощью проецирования отражённых лучей света.

Схема простейшего эпископа показана слева.

Источник света 1 с помощью вогнутого зеркала 2 освещает объект 3.

Отражённые лучи от каждой точки S объекта 3 направляются плоским зер-

калом 4 в объектив 5, который строит его изображение на экране 6.

Эпидиаскоп (эпидиаскопический проекционный аппарат) — уни- версальный аппарат, пригодный для проекции изображения как про- зрачных, так и непрозрачных объектов. Это комбинированный про- екционный аппарат, сочетающий эпипроектор и диапроектор.

Эпидиаскоп, работающий по схеме

эпипроектора содержит: 1 — светозащитный кожух; 2 — источник света; 3, 5 — сферические зеркала; 4 — плоское зеркало; 6 — непрозрачный объект; 7 — проекционный объектив.

269