ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 22
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 22. Камера и проектор

Как линза переносит изображение на матрицу или экран?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как линза переносит изображение на матрицу или экран?

Наблюдаем и объясняем

Где поставить матрицу или экран

Двигай предмет относительно фокуса и сравни размер и положение резкого изображения.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

50 мм
20

Собирающая тонкая линза, только d > F. Схема нормирована; действительные расстояния подписаны. Аберрации и глубина резкости не моделируются.

01

Действительное изображение

Камера и проектор используют реальное схождение лучей. В камере предмет находится перед объективом, а изображение принимают плёнка или матрица. В проекторе светящийся или освещённый объект находится перед объективом, а изображение формируется на удалённом экране.

В простейшей модели объектив заменяют собирающей тонкой линзой. Реальные объективы состоят из нескольких элементов, уменьшающих аберрации. Формула 1/F = 1/d + 1/f остаётся полезной для понимания фокусировки и масштаба.

Действительное изображение: сравнение
ПриборГде предметГде изображение
КамераПеред объективомНа матрице
ПроекторУ объектива, за фокусомНа удалённом экране

Камере и проектору требуется действительное изображение в плоскости приёмника.

Почему матрицу нельзя поставить в произвольное место?

Лучи от одной точки предмета сойдутся в определённой плоскости. В другой плоскости они образуют пятно рассеяния.

02

Фокусировка камеры

Для далёкого предмета d намного больше F, поэтому f близко к F. При приближении предмета расстояние f увеличивается: объектив или его группы перемещают относительно матрицы. Резкость зависит от совпадения плоскости матрицы с плоскостью изображения.

Например, при F = 50 мм и d = 1000 мм получаем f ≈ 52,63 мм. При d = 500 мм f ≈ 55,56 мм. Разница в несколько миллиметров важна, хотя предмет переместился на полметра.

Положение изображения

f = Fd/(d − F)

Далёкий предмет

f приближается к F

Приближение предмета

f растёт при d > F

При приближении действительного предмета к фокусу изображение удаляется от собирающей линзы.

Почему объектив, наведённый на бесконечность, не всегда резко снимает близкий предмет?

Близкому предмету соответствует другая плоскость изображения; требуется перефокусировка либо достаточная глубина резкости.

Цифровой фотоаппарат с выдвинутым объективом

Объектив формирует действительное изображение на матрице. Перемещение оптических элементов служит фокусировке и, в соответствующем устройстве, изменению масштаба.

Pittigrilli · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

Преломление света линзой

Собирающая линза меняет направления лучей. Точное схождение зависит от положения предмета и ограничений параксиальной модели.

白露为霜 at Chinese Wikipedia · Public domain · Источник. Без изменений.

03

Проекция и размер

Для увеличенного действительного изображения объект размещают между F и 2F. При этом изображение расположено дальше 2F и перевёрнуто. Размеры связаны модулем Γ = f/d, поэтому увеличение зависит от геометрии, а не только от размера линзы.

Если F = 100 мм, d = 110 мм, то f = 1100 мм и модуль Γ = 10. Для правильной ориентации проецируемого изображения учитывают переворот в оптической системе. Изменение расстояния до экрана требует согласованной фокусировки.

Объект за фокусом

F < d < 2F

Собирающий объектив

Преломляет расходящиеся входные пучки в сходящиеся

Удалённый экран

Принимает увеличенное изображение

Большое проекционное увеличение получают, располагая объект близко к фокусу снаружи.

Можно ли поставить объект точно в фокус и получить резкое изображение на конечном экране?

Нет: выходящие пучки от его точек будут параллельными, а изображение окажется на бесконечности.

04

Модель: сравнение масштабов

Выбирай положение предмета в долях F и наблюдай положение матрицы или экрана для резкости. На схеме размеры нормированы, поскольку камера и проектор работают с сильно различающимися расстояниями. Численные подписи показывают реальную геометрию модели.

Малое отверстие диафрагмы уменьшает геометрические пятна рассеяния и увеличивает глубину резкости, но пропускает меньше света. Чрезмерное уменьшение отверстия усиливает дифракцию. Поэтому «чем меньше отверстие, тем всегда резче» — неверное правило.

Определить d/F

Далёкий предмет или предмет около фокуса

Рассчитать f

Туда поставить приёмник

Найти модуль Γ

Сопоставить размеры

Резкость, увеличение и освещённость — разные характеристики оптического прибора.

Гарантирует ли большое увеличение хорошую детализацию?

Нет. Детализацию ограничивают дифракция, аберрации, свойства матрицы и качество исходного изображения.

Соберём главное

Шесть выводов

01Камере и проектору требуется действительное изображение в плоскости приёмника.
02При приближении действительного предмета к фокусу изображение удаляется от собирающей линзы.
03Большое проекционное увеличение получают, располагая объект близко к фокусу снаружи.
04Резкость, увеличение и освещённость — разные характеристики оптического прибора.
05При расчёте все расстояния нужно выражать в одинаковых единицах.
06Фокусировка означает совмещение приёмника с плоскостью действительного изображения.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Камера формирует на матрице изображение…
2. Для очень далёкого предмета расстояние изображения…
3. При приближении предмета с d > F плоскость изображения…
4. F = 50 мм, d = 1000 мм. f примерно…
5. Для увеличенной действительной проекции нужно…
6. F = 100 мм, d = 110 мм. f…
7. Увеличение по модулю в этом примере…
8. Почему матрица вне плоскости изображения даёт нерезкость?
9. Уменьшение диафрагмы до очень малого отверстия…
10. Гарантирует ли большое увеличение детали?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 22. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 22. Оптические приборы для получения действительных изображений.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…