Разрешающая сила - это способность объектива раздельно изображать очень мелкие точки изображения, очень близко расположенные друг к другу. Это способность различить раздельно две очень близко расположенные точки объекта.

Это важная характеристика объектива.

При рассмотрении светочувствительного элемента фотоаппарата - большое внимание уделялось . Однако качество изображения определяется не только матрицей, но и объективом. Причем объектив играет весьма значительную роль.

Разрешающую силу объектива измеряют с помощью тестовой миры (слово мира произошло от французского mira, mirer, что в переводе означает рассматривать на свет, прицеливаться) , состоящей из черных и одинаковых с ними по ширине белых промежутков.

Изображение миры создаваемое с помощью объектива, рассматривают в микроскоп.

Рис.1. Участок штриховой миры.

Миры бывают штриховые и радиальные. В Советском Союзе были приняты миры штриховые. По ГОСТу разрешающая сила объектива меряется в числе линий на 1 мм.

Рис.2 Так выглядит мира при рассматривании ее через объектив.

Для электронных фотоаппаратов применяется тестовая таблица Canon по стандарту ISO 12233-2000.

Рис.3. Мира для цифровых фотоаппаратов по ISO 12233-2000.

Рис.4. Увеличенный участок тестовой миры, показанной на рис.3 (в красном прямоугольнике, вверху).

Рис.5. Увеличенный участок тестовой миры, показанной на рис.3 (красный прямоугольник в нижней части).

Однако изображение миры, рассматриваемое глазом, отличается от ее изображения, получаемого с помощью фотоприемника - сенсора (фотопленка или светочувствительная ). В этом случае налагается еще и разрешение фотоприемника. Разрешающую силу, получаемую с учетом влияния разрешающей силы фотоприемника, называют фотографической разрешающей силой . И она измеряется после воспроизведения миры с помощью фотоприемника. Получаемая разрешающая сила может быть вычислена по формуле:

R S – фотографическая разрешающая сила объектив + фотоприемник (линий на 1 мм);

R O – разрешающая сила объектива (линий на 1 мм);

R E – разрешающая сила светочувствительного элемента (линий на 1 мм);

Фотографическая разрешающая сила объектива всегда ниже его визуально определенной разрешающей силы. (Из формулы следует, что она меньше наименьшего из значений разрешающей силы объектива и разрешения фотоматериала). Фотографическая разрешающая сила зависит от свойств фотоматериала, режимов его обработки (для фотопленки), условий съемки тестовой миры, от разрешения матрицы для цифрового фотоаппарата.

По ГОСТу, принятому в Советском Союзе фотографическая сила измерялась на фотопленках средней чувствительности (65 ГОСТ) при обработке их в стандартном проявителе №1.

Разрешающая сила объектива неодинакова по центру поля изображения и по его краям. Эти различия вызваны недостатками оптики объектива - аберрациями. Спад разрешающей силы к краю у разных объективов разный. У одних объективов разрешающая сила понижается только у самых краев изображения, у других постепенно спадает начиная от центра изображения к краю. Это зависит от того, как рассчитан и изготовлен объектив.

Разрешающая сила объектива уменьшается с увеличением главного фокусного расстояния, у короткофокусных объективов она выше, чем у длиннофокусных.

Величина фотографической разрешающей силы зависит от степени диафрагмирования объектива. При небольшом диафрагмировании разрешающая сила несколько увеличивается как в центре, так и по всему полю изображения, вплоть до диафрагмы 11, а затем ухудшается.

Это объясняется тем, что сначала благодаря диафрагмированию уменьшаются аберрации, но при сильном диафрагмировании ухудшение разрешающей силы происходит из-за дифракции.

Вот данные для некоторых объективов:

Объектив “Мир-1″ (один из лучших советских широкоугольных объективов):

Фокусное расстояние 37 мм;

Относительное отверстие 1:2,8;

Угол поля зрения 60°;

Разрешающая сила 45/23 лин/мм (центр/край).

Объектив “Гелиос-44-2″ (наиболее популярный объектив для “Зенитов”):

Фокусное расстояние 58 мм;

Относительное отверстие 1:2;

Угол поля зрения 40° 28ˊ;

Одной из основных характеристик спектрального прибора (будь то дифракционная решётка или призма) является его разрешающая сила. Разрешающая сила спектрального прибора определяется безразмерной величиной

Здесь: δλ - минимальная разность длин волн двух спектральных линий, при которой спектральный аппарат разрешает эти линии, т.е. позволяет их рассмотреть на экране наблюдения раздельно.

Выясним, от чего зависит разрешающая сила дифракционной решётки.

Согласно критерию Рэлея спектральные линии с длинами волн λ и λ’ = λ+ δλ будут разрешены, если главный максимум для одной длины волны совпадает с первым дифракционным минимумом в том же порядке для другой длины волны (рис. 9.5.б).


Условие m -го максимума для волны λ’ = λ + δλ:

d sin φ max = m (λ + δλ) (9.13)

Условие первого минимума, ограничивающего m-ый максимум волны λ:

(9.14)

В случае минимальной разности длин волн δλ, условия (9.13) и (9.14) описывают одну и ту же точку экрана, т.е. d sin φ max =d sin φ min .

Иными словами, условие Рэлея позволяет записать следующее равенство:

или

Отсюда следует, что разрешающая сила дифракционной решётки зависит только от числа её щелей (N ) и от номера (m ) спектра, в котором разрешаются спектральные линии.

(9.15)

Итог лекции 9.

    Распределение интенсивности за дифракционной решеткой:

.

Условие главных максимумов:

d sinφ = ±m λ, (m = 0, 1, 2, 3...),

.

Угловая ширина нулевого максимума:

.

    Разрешающая сила спектрального прибора:

.

Разрешающая сила дифракционной решетки:
.

Лекция 10 «Экспериментальные основы квантовой механики»

План лекций

1. Равновесное тепловое излучение.

1.1 Тепловое излучение абсолютно черного тела.

1.2 Классические теории Вина и Рэлея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа»

1.3 Гипотеза Планка.

2. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна.

2.1 Опыты Столетова.

2.2 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

К концу 19 века успехи классической механики и классической электродинамики были ошеломляющими. Казалось, что область применимости этих двух теорий безгранична.

На безоблачном горизонте физики оставалось только несколько легких облачков – нерешенных задач. Среди них – особенности теплового излучения черных тел, свойства фотоэффекта. Ждали своего объяснения и закономерности атомных спектров…

Мало кто сомневался, что эти загадки природы будут решены в ближайшее время. И уж, конечно, никто не мог предположить, что для решения этих задач придется создать принципиально новую физику – квантовую механику.

  1. Равновесное тепловое излучение

    1. Тепловое излучение абсолютно черного тела

Тепловое излучение - это испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии излучающих тел. Количественно этот процесс характеризуется энергетической светимостью , т.е. энергией, излучаемой в единицу времени единичной поверхностью излучающего тела. Энергетическую светимость измеряют в .

. (10.1)

Тепловое излучение происходит в широком диапазоне частот электромагнитных волн.

Энергия, излучаемая в диапазоне частот от ω до (ω + d ω), пропорциональна ширине диапазонаd ω:

Здесь:
-испускательная способность тела.

При заданной неизменной температуре Т , энергетическую светимость тела легко связать с его испускательной способностью

. (10.2)

Подобно испускательной способности, вводиться понятие поглощательная способность тела

. (10.3)

В этом определении d Φ ω - поток лучистой энергии, падающий на элементарную площадкуdS поверхности тела (рис. 10.1). Эта энергия принесена электромагнитными волнами в диапазоне частот от ω до (ω+ d ω)

Часть этого потока отражается, а другая часть
- поглотиться поверхностью.

Поглощательная способность a (ω,T), также как и излучательная -r (ω,T), является функцией температуры тела и частоты излучения.

Тела, поглощающие всё падающее на них излучение, называются абсолютно черными. Поглощательная способность таких тел равна, конечно, единице a ч.т. = 1.

Рис. 10.1

Термин «абсолютно черное тело» ввел в 1860 году немецкий физик Кирхгоф. Он же установил, что в условиях термодинамического равновесия такое тело излучает столько же энергии, сколько и поглощает.

При этом отношение испускательной и поглощательной способностей тела не зависит от его природы и является для всех тел одной и той же функцией частоты и температуры (закон Кирхгофа).

(10.4)

Поскольку поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице (a ч.т. = 1), универсальная функция Кирхгофа совпадает с излучательной способностью такого тела.

Однако в природе не встречаются абсолютно черные тела. Даже сажа отражает некоторую часть падающего на неё излучения.

Удовлетворительной моделью абсолютно черного тела считается небольшое отверстие в полом предмете (рис. 10.2). Внутреннюю поверхность такого предмета нужно выкрасить в черный цвет. Излучение, падающее на поверхность отверстия, проникает в полость и в результате многократных отражений фактически нацело поглощается.

Рис. 10.2

Многие ученые в начале прошлого века экспериментально исследовали тепловое излучение абсолютно черных тел.

Опыты Люммера в видимой части излучения, исследования Бекмана и Пашена - в инфракрасной а Байша - в ультрафиолетовой области позволили установить универсальную функцию Кирхгофа при разных температурах и в разных областях излучаемого спектра.

Экспериментальные кривые излучения абсолютно черного тела при различных температурах приведены на рис. 10.3.

Рис.10.3

Обрабатывая эти экспериментальные результаты, профессор Венского университета Иозеф Стефан в 1883 году установил, что интегральная светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Годом позже другой венский физик – Людвиг Больцман – доказал, что закон Стефана есть прямое следствие законов в классической термодинамики.

Закон Стефана-Больцмана:


. (10.5)

Как следует из графиков рис 10.3, с повышением температуры абсолютно черного тела, максимум его излучательной способности смещается в область более коротких волн (высоких частот).

Эту закономерность излучения черного тела Вильгельм Вин сформулировал в виде следующего закона:

Произведение абсолютной температуры черного тела на длину волны, соответствующую максимуму излучения, постоянно (Закон смещения Вина)


(10.6)

Таковы основные закономерности излучения абсолютно черного тела, экспериментально установленные в начале прошлого века.

Текущая версия страницы пока не проверялась

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от, проверенной 26 июня 2016; проверки требует.

Разреша́ющая си́ла объекти́ва - характеристики фотографического объектива , отображающие его свойства по передаче чёткого изображения.

Разрешающая способность объектива оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм изображения, которое тот способен спроецировать на фоточувствительный элемент (плёнку или матрицу цифровой камеры). Само собой разумеется, что при этом снимаемый объект находится в фокусе, а не в зоне резкого изображения для данного объектива. Измерения разрешающей способности проводят с помощью специальных мир .

Разрешающая сила объективов неоднородна по полю изображения, обычно уменьшаясь к краям изображения. Это обусловлено наличием у объектива внеосевых аберраций (кома , астигматизм), которые не наблюдаются в центре поля.

Разрешающая сила у объективов одинаковой конструкции уменьшается с увеличением главного фокусного расстояния: у короткофокусных (широкоугольных) она выше, чем у длиннофокусных.

Для каждого объектива существует относительное отверстие (диафрагма), при котором его разрешающая сила максимальна. Это обусловлено тем, что сначала при диафрагмировании происходит улучшение изображения за счет уменьшения аберраций , а потом ухудшение за счёт дифракции .

Для определения оптимальной по разрешающей силе диафрагмы для конкретного объектива следует обратиться к результатам тестов. В целом, с ростом максимальной разрешающей способности её максимум смещается в сторону более открытой диафрагмы.

Фотографические объективы служат для получения изображения на фотоматериале или цифровой матрице , которые также обладают определённой разрешающей способностью. Поэтому для полного использования разрешающей силы объектива следует использовать его с соответствующими фотоматериалами или матрицами, разрешающая способность которых равна или выше разрешающей способности объектива, так как разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент заведомо не выше разрешения каждого компонента.

Для определения разрешающей силы объектива используют различного вида ми́ры - испытательные таблицы с нанесёнными на них штрихами различной ширины и длины.

Разрешающая сила объектива по ГОСТ в СССР измерялась в линиях на 1 мм, она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Современные данные могут оперировать иным способом оценки числа линий, когда учитываются как чёрные, так и белые линии. Разрешение при этом численно удваивается, не меняясь по сути.

Разреша́ющая си́ла (способность) объекти́ва - характеристики фотографического объектива, отображающие его свойства по передаче чёткого изображения.

Разрешающая способность объектива оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм изображения, которое тот способен спроецировать на фоточувствительный элемент (плёнку или матрицу цифровой камеры). Само собой разумеется, что при этом снимаемый объект находится в фокусе, а не в зоне резкого изображения для данного объектива. Измерения разрешающей способности проводят с помощью специальных мир.

Неоднородности разрешающей силы

Разрешающая сила объективов неоднородна по полю изображения, обычно уменьшаясь к краям изображения. Это обусловлено наличием у объектива внеосевых аберраций (кома, астигматизм), которые не наблюдаются в центре поля.

Разрешающая сила у объективов одинаковой конструкции уменьшается с увеличением главного фокусного расстояния: у короткофокусных (широкоугольных) она выше, чем у длиннофокусных.

Для каждого объектива существует относительное отверстие (диафрагма), при котором его разрешающая сила максимальна. Это обусловлено тем, что сначала при диафрагмировании происходит улучшение изображения за счет уменьшения аберраций, а потом ухудшение за счёт дифракции.

Для определения оптимальной по разрешающей силе диафрагмы для конкретного объектива следует обратиться к результатам тестов. В целом, с ростом максимальной разрешающей способности ее максимум смещается в сторону более открытой диафрагмы.

Фотографические объективы служат для получения изображения на фотоматериале или цифровой матрице, которые также обладают определённой разрешающей способностью. Поэтому для полного использования разрешающей силы объектива следует использовать его с соответствующими фотоматериалами или матрицами, разрешающая способность которых равна или выше разрешающей способности объектива, так как разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент заведомо не выше разрешения каждого компонента.



Методы определения

Для определения разрешающей силы объектива используют различного вида ми́ры - испытательные таблицы с нанесёнными на них штрихами различной ширины и длины.

Разрешающая сила объектива по ГОСТ в СССР измерялась в линиях на 1 мм, она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Современные данные могут оперировать иным способом оценки числа линий, когда учитываются как чёрные, так и белые линии. Разрешение при этом численно удваивается, не меняясь по сути.

Разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент приближенно определяется по формуле(может кто захочет блеснуть познаниями в физике?)

\frac {1}{R_S}=\frac {1}{R_O} + \frac {1}{R_E},

где R_O – разрешающая сила объектива в линиях на 1 мм; R_E- разрешающая сила светочувствительного элемента в линиях на 1 мм. Данная формула непригодна для матричных фотоприемников в связи с их дискретным характером.

61. Методическая последовательность работы в процессе фотосъемки

1) Фотографирование

В современном фотографическом процессе для получения негативов используют слой фотографической эмульсии – смеси мельчайших кристалликов йодистого или бромистого серебра с желатиной (белковым веществом, «животным клеем»), - нанесенный на прозрачную подложку из стекла или полимерной пленки. Желатина защищает их от выпадения. Светочувствительность их объясняется присутствием в кристаллической решетке микрокристаллов включений из металлического или сернистого серебра. Эти включения служат центрами светочувствительности. В одном микрокристалле может быть несколько центров светочувствительности. Располагаются они на поверхности и внутри микрокристалла.

В целях улучшения свойств фотографической эмульсии иногда желатину частично или полностью заменяют синтетическими высокомолекулярными соединениями.

Современные серебряные фотографические материалы обычно содержат разные добавки, благодаря которым удается делать их чувствительными к свету с разной длиной волн - от инфракрасного до ультрафиолетового.

Главным носителем изображения является фотопленка.

Фотопленка представляет собой гибкую ленту, по краям которой расположены перфорационные отверстия.

Фотопленки имеют сложное строение. Они состоят из связанных между собой слоя фотографической эмульсии и подложки, резко различных по свойствам.

Фотопленки бывают черно-белыми и цветными, и обладают различными фотографическими и техническими свойствами.

Светочувствительный слой фотопленки содержит огромное количество микрокристаллов галогенида серебра. В некоторые фотографические эмульсии, главным образом для негативных пленок, добавляют соли золота.

2)Обработка материала

Под обработкой фотоматериала обычно понимают все операции, которые необходимы для получения изображения – экспонирование фотоматериала, его проявка и фиксирование. Указанная последовательность процессов верна всегда, даже в случае современного способа получения прямого позитивного изображения (при использовании специальных материалов).

Все операции, следующие за проявлением, носят вспомогательный характер. Их цель чаще всего сводится к тому, чтобы сохранить полученное изображение.

Экспонирование фотоматериала

2AgBr + h  2Ag + Br2

При этом образуется скрытое изображение. Устойчивую группу атомов серебра, образующуюся под действием света, в микрокристалле галогенида серебра называют центром скрытого изображения. Скрытое изображение не видимо не только невооруженным, но и на оптическом микроскопе. Размер центров скрытого изображения оценивается в -- см., т.е. он лежит за пределами возможностей оптического разрешения приборов.

Проявление фотоматериала

Это основная часть обработки фотоматериала. Скрытое изображение становится видимым после проявления. Сущность сводится к химическому восстановлению галогенидов серебра на освещенных участках материала.

Различают химическое и физическое проявление.

При химическом проявлении ионы серебра, необходимые для наращивания изображения, поступают из эмульсионного фотоматериала, а при физическом проявлении - из проявителя. Вообще же фотографический проявитель – многокомпонентная смесь. Она содержит химический восстановитель, вещество, создающее щелочную реакцию раствора; вещество, предохраняющее проявитель от быстрого окисления кислородом воздуха; вещество устраняющее вуаль. Подробнее о составе проявителя будет сказано ниже.

Проявляющее вещество – основная часть проявляющего раствора, служит для восстановления в фотоматериале экспонированных микрокристаллов галогенида серебра.

Проявляющее вещество должно хорошо растворятся в воде или в растворе щелочи, быть устойчивым по отношению к действию кислорода воздуха, давать бесцветные растворы и быть бесцветным.

Проявляющие вещества во время хранения и при использовании подвергаются окисляющему воздействию кислорода воздуха. В результате раствор быстро окрашивается продуктами окисления проявляющего вещества и теряет проявляющие свойства. Чтобы предотвратить окисление и увеличить и увеличить срок хранения в раствор вводят сохраняющее вещество, способное связывать продукты окисления и удерживать их концентрацию на постоянном низком уровне.

В качестве сохраняющего вещества наиболее применим сульфит натрия.

Сульфит натрия выполняет важную функцию в растворе. Он вступает в реакцию с продуктами окисления проявляющего вещества, например с хиноном (формула), если в растворе был гидрохинон. Восстанавливает хинон в сульфопроизводные гидрохинона, обладающие хорошей проявляющей способностью. Сульфит натрия, восстанавливая хинон, превращает его в бесцветный продукт, исключая возможность вуали на фотоматериале.

Также в качестве сохраняющих веществ иногда применяют бисульфит натрия, метабисульфит калия или натрия и др.

При проявлении наряду с переводом скрытого изображения в видимое: восстанавливается и некоторая часть неэкспонированных микрокристаллов галогенида серебра. Они образуют почернение в фотографическом слое фотопленок – вуаль, уменьшающую контрастность изображения и различаемость темных деталей. Для устранения этого дефекта в проявляющий раствор вводят противовуалирующие вещество, которое тормозит образование вуали и регулирует скорость проявления.

Противовуалирующими свойствами обладают бромистый калий (KBr), йодистый калий (KY), бензотриазол(), нитробензимидазол () и др.

Чтобы вторая стадия была проведена полностью, фотопленки обрабатывают в фиксирующем растворе и после того, как светочувствительной слой стал прозрачным. Обычно на вторую стадию затрачивают столько времени, сколько потребовалось на первую стадию.

Полного фиксирования фотопленок, обеспечивающего долгое хранение изображения, достигают, заканчивая процесс фиксирования в свежем растворе.

Фиксирующие растворы различают по их составу и действию. Они бывают слабощелочными, нейтральными, кислыми, кислодубящими, кислодубящими быстрыми.

Черно-белые фотопленки в большинстве случаев обрабатывают в кислодубящих фиксирующих растворах, так как эти растворы дубят светочувствительный слой и предохраняют его от окрашивания продуктами окисления проявителя.

Цветные фотопленки обрабатывают в слабощелочных или нейтральных фиксирующих растворах, чтобы они не разрушали красители, составляющие цветное изображение.

Пусть на непрозрачный экран с вырезанным в нем круглым отверстием радиуса падает плоская световая волна. Открываемое отверстием число зон Френеля для точки Р, лежащей против центра отверстия на расстоянии l от него, можно найти по формуле (128.2), положив в ней . В итоге получим

Так же, как и в случае щели, в зависимости от значения параметра (132.1) имеет место либо приближение геометрической оптики, либо дифракция Френеля, либо, наконец, дифракция Фраунгофера (см. (129.16)).

Дифракционную картину Фраунгофера от круглого отверстия можно наблюдать на экране, помещенном в фокальной плоскости линзы, поставленной за отверстием, направив на отверстие плоскую световую волну. Эта картина имеет вид центрального светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами (рис. 132.1). Соответствующий расчет дает, что первый минимум отстоит от центра дифракционной картины на угловое расстояние

(132.2)

где D - диаметр отверстия (ср. с (129.8)). Если , можно считать, что

(132.3)

Подавляющая часть (около 84%) светового потока, проходящего через отверстие, попадает в область центрального светлого пятна. Интенсивность первого светлого кольца составляет всего 1,74%, а второго - 0,41% от интенсивности центрального пятна. Интенсивность остальных светлых колец еще меньше. Поэтому в первом приближении дифракционную картину можно считать состоящей из одного лишь светлого пятна с угловым радиусом, определяемым формулой (132.2). Это пятно является по существу изображением бесконечно удаленного точечного источника света (на отверстие падает плоская световая волна).

Дифракционная картина не зависит от расстояния между отверстием и линзой. В частности, она будет такой же и в случае, когда края отверстия совмещены с краями линзы.

Отсюда вытекает, что самая совершенная линза не может дать идеального оптического изображения. Вследствие волновой природы света изображение точки, даваемое линзой, имеет вид пятнышка, представляющего собой центральный максимум дифракционной картины. Угловой размер этого пятнышка уменьшается с ростом диаметра оправы линзы

При очень малом угловом расстоянии между двумя точками их изображения, получающиеся с помощью какого-либо оптического прибора, наложатся друг на друга и дадут одно светящееся пятно. Следовательно, две очень близкие точки не будут восприниматься прибором раздельно, или, как говорят, не будут разрешаться прибором. Поэтому, как бы ни было велико по размерам изображение, на нем не будут видны соответствующие детали.

Обозначим через наименьшее угловое расстояние между двумя точками, при котором они еще разрешаются оптическим прибором. Величина, обратная называется разрешающей силой прибора:

Найдем разрешающую силу объектива зрительной трубы или фотоаппарата для случая, когда рассматриваются или фотографируются очень удаленные предметы.

При этом условии лучи, идущие в объектив от каждой точки предмета, можно считать параллельными и пользоваться формулой (132.2). Согласно критерию Рэлея две близкие точки будут еще разрешены, если середина центрального дифракционного максимума для одной точки совпадает с краем центрального максимума (т. е. с первым минимумом) для второй точки. Из рис. 132.2 видно, что это произойдет, если угловое расстояние между точками окажется равным угловому радиусу (132.2). Диаметр оправы объектива D много больше длины волны к. Поэтому можно считать, что