Осветительные системы

Осветительные системы
Введение в специальность
кафедра
прикладной и компьютерной оптики
2
Осветительные системы
Осветительная система – это устройство,
предназначенное для освещения несамосветящихся
объектов
Оптическая осветительная система позволяет:


наиболее полно использовать световой поток
создать равномерную освещенность предмета
3
Коллектор
Предмет находится в бесконечности:


источник света – в переднем фокусе оптической системы
изображение источника света – в бесконечности
коллектор
источник
-f
освещаемый
предмет
4
Конденсор (схема 1)
Предмет находится на конечном расстоянии
Источник проецируется на освещаемый предмет:


каждой освещаемой точке предмета соответствует сопряженная с
ней точка источника
используется, если яркость источника света равномерна и нет
опасений, связанных с нагревом предмета
конденсор
источник
освещаемый
предмет
5
Конденсор (схема 2)
Предмет находится на конечном расстоянии
Источник проецируется во входной зрачок
последующей оптической системы:


каждая точка предмета освещается лучами, исходящими из всех
точек источника
используется при неравномерной яркости источника
конденсор
источник
освещаемый
предмет
6
Элементы осветительных систем
Основные элементы осветительных систем:



простые линзы или зеркала (сферические или асферические)
линзы или зеркала со сложным профилем (линзы Френеля и др.)
растровые системы, световоды и оптическое волокно
Угол охвата 2 – двойной апертурный угол в
пространстве предметов
7
Линзовые
осветительные системы
Содержат только линзы сферической или
асферической формы
Максимальный угол охвата 90°
Простейшая схема конденсора – одиночная линза с
углом охвата не более 15 – 20°
8
Зеркальные
осветительные системы
Содержат только зеркальные элементы
Угол охвата до 140°
Особенности:



отсутствие хроматических аберраций
меньше масса
больше коэффициент пропускания
Простейшая схема – вогнутое сферическое зеркало с
углом охвата до 110°

источник света в фокусе зеркала, его изображение на
бесконечности
9
Зеркало Манжена
Угол охвата около 140°
F
r1  f
r2  1.5 f
10
Зеркально-линзовые
осветительные системы
Cодержат зеркальные и линзовые компоненты
11
Линза Френеля
Оптические детали со ступенчатой поверхностью
сложного профиля




угол охвата до 100 – 120°
небольшие аберрации
малые габариты (толщины линз) и вес
используются в некоторых светофорах, в фарах машин, в
осветительных системах простых проекторов
12
Прожектор
Прожектор – это оптическая система,
концентрирующая световой поток источника света в
узкий пучок для освещения удаленных объектов или
для передачи сигналов на большие расстояния

используется в маяках, театральных прожекторах, фарах автомобилей и т.д.
коллектор
источник
-f=f
дистанция оформления пучка
13
Характеристики прожектора
Сила света прожектора (поток излучения на
единицу телесного угла):
I пр
D 2
 L
4
где  – коэффициент пропускания оптической системы
D – диаметр выходного зрачка
L – яркость источника (поток, излучаемый единицей площади на
единицу телесного угла)
Справедливо при удалении освещаемого предмета на расстояние,
большее, чем дистанция оформления пучка
14
Характеристики прожектора
Коэффициент усиления прожектора – это
отношение силы света прожектора к силе света
источника:
k пр 
I пр
I ист
 D 
 
d 
2
где  – коэффициент пропускания оптической системы
D – диаметр выходного зрачка
d – диаметр источника
Может достигать kпр=10000
15
Характеристики прожектора
Угол рассеяния прожектора зависит от размеров
светового тела источника излучения:
2   d 
f
Угол охвата 2 – двойной апертурный угол в
пространстве предметов, характеризующий полноту
использования светового потока
коллектор
источник
2
2
16
Осветительные системы
проекционных приборов
Проекционные приборы предназначены для
получения на экране изображений предметов
требуемого масштаба
Основные устройства проектора:


осветительное – обеспечивает равномерное и интенсивное
освещение проецируемого предмета
изображающее (проекционное) – формирует на экране
изображение требуемого масштаба и качества
Проекционные приборы разделяют на два класса:


диаскопические – проектируют прозрачные предметы в
проходящем свете
эпископические – проецируют непрозрачные предметы в
отражающем свете
17
Осветительные системы
проекционных приборов
Изображение источника света в плоскости входного
зрачка проекционного объектива


каждая точка диапозитива освещается светом от всех точек источника
увеличение осветительной системы – отношение диаметра входного
зрачка проекционного объектива к диаметру источника:
 осв
конденсор
кадровое
окно
проекционный
объектив
экран
источник
вх. зрачок
вых. зрачок
D

d
18
Осветительные системы
проекционных приборов
Изображение источника света в плоскости
диапозитива


каждая точка диапозитива освещается сопряженной точкой источника
увеличение осветительной системы – отношение диагонали кадра к
диаметру источника:
d кадра
 осв 
конденсор
кадровое окно
d
проекционный
объектив
экран
источник
вх. зрачок
вых. зрачок
19
Характеристики
проекционных приборов
Размер проецируемого предмета определяется
диагональю кадра dкадра
Масштаб проекции (линейное увеличение)
проекционного объектива:
 об 
d экрана
d кадра
20
Характеристики
проекционных приборов
Разрешающая способность проекционной системы
оценивается кружком рассеяния на кадре или
предельной частотой при заданном контрасте
Освещенность изображения зависит от:





фокусного расстояния
относительного отверстия проекционного объектива
коэффициента пропускания осветительной и проекционной
оптической системы проектора
яркости источника
расстояния между объективом и экраном
21
Осветительные системы
микроскопов
Схема Кёлера



обеспечивает равномерную освещенность изображения
все лучи, попадающие в микроскоп, участвуют в образовании
изображения
изменяя диаметр апертурной диафрагмы, можно изменять апертуру
осветителя, а следовательно, и освещенность входного зрачка
конденсор
коллектор
объектив
микроскопа
источник
апертурная
диафрагма
конденсора
предметная
плоскость
микроскопа
апертурная
диафрагма
микроскопа
вх. зрачок
микроскопа
22
Конденсоры микроскопов
Конденсор светлого поля рассчитан на проходящее
освещение препарата
Конденсор темного поля рассчитан на освещение препарата
полым световым конусом
Конденсоры отраженного света (эпиконденсоры),
представляющие собой кольцеобразную зеркальную или
зеркально-линзовую систему вокруг объектива
Конденсор, создающий косое световое поле (под углом к
оптической оси микроскопа)
Конденсор для фазово-контрастных исследований