Optična preslikava

Namen vaje:

�Spoznavanje s pojmom optična preslikava

�Spoznavanje optičnih komponent, ki sodelujejo pri optični preslikavi (leča-objektiv, zaslonka)

�Uporaba metode optične preslikave za brezdotično merjenje dimenzij objekta

�Spoznavanje s pojmom globinska ostrina

�Spoznavanje osnovnih napak leče

Optična preslikava

� Optična preslikava je pojem, s katerim označujemo preslikavo predmeta v njegovo sliko. Pri obravnavi optične preslikave se pokoravamo zakonom geometrijske optike – zanemarjena sta uklon in interferenca.

� Najpogostejša je preslikava z zbiralno lečo, ki je postavljena v objektiv optične naprave.

Lečo karakterizira njena

fokusna razdalja f, in njen

premer D.

Numerična odprtina leče:

NA = n sin θNA

D

n

Optična preslikava

Optična preslikava s tanko zbiralno lečo:

Na zaslonu se pojavi realna in obrnjena slika!

Enačba leče:

Povečava:

2 2

1 1

s hm

s h= =

1 2

1 1 1

f s s= +

�Tanka leča – razdalji s1 in s2 merimo od sredine leče

�Realna leča – razdalji s1 in s2

merimo od glavnih ravnin leče

Shema fotoaparata:Na mestu nastanka slike je nameščeno

slikovno tipalo – CMOS senzor.

Ostrenje slike pomeni nastavljanje

razdalje s2 (z vzdolžnim premikanjem

leče) glede na razdaljo s1.

Optična preslikava

Čas osvetlitve:

Optična preslikava

Ojačenje / občutljivost:

500 ms

1 ms

� Z bolj zaprto zaslonko (višje zaslonsko število N = f /R), se predmeti preslikajo v ostro sliko v večjem razponu razdalj do objekta s1; globinska ostrina (DOF) je večja.

� Z zapiranjem zaslonke se hkrati manjša intenziteta vpadle svetlobe na zaslon, kar rešujemo z močnejšo osvetlitvijo oz. daljšo ekspozicijo.

Optična preslikava

Vpliv zaslonke na ostrino slike – globinska ostrina DOF

H.....hiperfokalna razdalja (razdalja, od katere naprej

lahko izostrimo do neskončnosti)

N.....številka zaslonke (N = 1,7 .... 16)

c.....dimenzija razpršilnega kroga (ločljivost senzorja)

f..... goriščna razdalja (50 mm)

s1.....oddaljenost predmeta od leče

2

1

2 2

1

2HsDOF

H s≈

−

2f

HN c

≈

⋅

Optična preslikava

Vpliv oblike zaslonke na neostre dele slike

Optična preslikava

Napake leč (aberacije)

Distorzija - na robovih slike se pojavi ukrivljenost. Ravni predmeti se vidijo na sliki kot ukrivljeni

sodčkasta blazinastanepopačena

Optična preslikava

Napake leč (aberacije)

Kromatična aberacija – gorišče ni isto za vse

valovne dolžine (barve) svetlobe. Slika bele točke

je mavričasta.

Sferična aberacija – obrobni žarki se zberejo

bliže leči kot obosni žarki. Slika točke je

razmazana.

Koma - slika točke je v

obliki “kometa”

Ukrivljenost polja

ostrine – žarki se

združujejo na sferi in

ne v ravnini. Slika ob

robovih izgublja ostrino.

Optična preslikava – praktični poizkusi

Postavitev optičnega merilnega sistema

�Fotoaparat je postavljen

na tronožno stojalo

�Osvetlitev objekta se

prilagodi potrebam

meritve

�Večje razdalje merimo s

tračnim merilom, manjše

razdalje merimo s

kljunastim merilom

Naloga 1: določitev dimenzij objekta na podlagi optične preslikave; fokusna razdalja f = 50mm

� Na razdalji približno 1,0 m od objektiva fotoaparata postavi merjeni objekt in izostri sliko.

� Izmeri razdaljo L med objektom in sliko (L=s1 + s2 + d), pri čemer upoštevamo, da je: d = 25 mm za dani objektiv. Položaj senzorja v fotoaparatu je označen z belo nalepko na vrhu ohišja.

� Iz zgornje enačbe izrazi s1 in jo vstavi v enačbo leče. Izrazi s2. Ker rešujemo kvadratno enačbo sta rešitvi dve; določite, katera od obeh velja za našsistem. Izračunaj še razdaljo s1.

� Izračunaj povečavo m.

� Slikaj merjeni objekt. Določi, koliko slikovnih elementov (pikslov) meri karakteristična dimenzija. Z upoštevanjem dimenzije slikovnega elementa v tipalu (5,5 µm za Nikon D90) določi velikost slikemerjenega objekta [mm].

� Z upoštevanjem povečave izračunajkarakteristično dimenzijo objekta v naravi. Dimenzijo objekta, določeno z optično metodo, primerjaj z dimenzijo, izmerjeno v naravi. Določi absolutno [mm] in relativno [%] napako optične meritve.

Optična preslikava – praktični poizkusi

� Merilno ploščo s številkami postavi pred fotoaparat na oddaljenosti približno 0,5 m. Površina s številkami mora biti nagnjena za 45˚ glede na optično os fotoaparata –številke tedaj predstavljajo odmik površine od srednje razdalje od objektiva [mm] (500 mm ± odmik).

� Zajemi tri slike z nastavitvijo zaslonke f/1.8, f/9.5 in f/16. Sliko vsakič izostri tako, da bo idealno ostra številka 0 (sredina merilne plošče).

� Zajete slike prenesi na računalnik in določi polje globinske ostrine (oceni območje, kjer je slika ostra) pri posamezni nastavitvi zaslonke. Meritve dokumentiraj!

� Izračunaj globinsko ostrino. Predpostavi velikost razpršilnega kroga c = 4·5,5 µm (4-kratnik dimenzije slikovnega elementa v tipalu).

Optična preslikava – praktični poizkusi

Naloga 2: merjenje globinske ostrine (DOF)

� Primerjaj izračunane in izmerjene vrednosti in določi relativne napake meritev (η=DOFizmerjeni/DOFizračunani). Premisli, kateri parameter v uporabljenih enačbah za izračun DOF je vir odstopanj. Oceni dejansko vrednost tega parametra, pri kateri bi bila relativna napaka manjša

Optična preslikava – praktični poizkusi

Naloga 3: primerjava kvalitete fotografskega objektiva in enostavne leče

� Fotografiraj dva objekta:

- od zadaj osvetljena plošča z luknjicami

- šahovnica

� Fotografiranje opravi s fotografskim objektivom in z enostavnim objektivom. Med menjavo objektiva naj se ohišje fotoaparata ne premakne.

� Primerjaj fotografije posnete z obema objektivoma in navedi napake leč, ki jih opaziš na slikah, posnetih z enostavnim objektivom. Ugotovitve dokumentiraj!

šahovnica

plošča z luknjicami

fotoaparat z

nameščenim

enostavnim

objektivom