Strumenti ottici. Manuale di fisica. Fotocamera e altri strumenti ottici Strumenti per misure ottiche e ottico-fisiche

ASTRATTO

" Strumenti ottici"

1. Filtri luminosi

I filtri luminosi vengono solitamente utilizzati per separare una parte dello spettro dalle altre. Ciò significa che stanno cercando un filtro della luce con un limite di assorbimento netto sia dalla parte a onde lunghe dello spettro che da quella a onde corte. I filtri gialli o rossi hanno una curva di assorbimento che scende bruscamente nella parte dello spettro a lunghezza d'onda corta. Con il loro aiuto, puoi tagliare la parte a onde corte dello spettro da quasi tutte le posizioni desiderate. Filtri di questo tipo sono disponibili in commercio; è possibile ordinare la caratteristica di assorbimento desiderata e ottenere un filtro con le proprietà corrispondenti. Utilizzando filtri in vetro colorato, è molto più difficile ottenere una curva di assorbimento che diminuisce bruscamente nella parte dello spettro a lunghezza d'onda lunga se si impongono requisiti elevati all'omogeneità del vetro. In questo caso vengono utilizzati filtri di gelatina colorati con coloranti organici. Di seguito sono riportate alcune istruzioni per realizzare tali filtri.

Una regione ristretta dello spettro può essere isolata utilizzando una combinazione di filtri Schott. A questo scopo è molto vantaggioso utilizzare filtri interferenziali. Sono caratterizzati da un elevato grado di trasparenza e da un raggio di trasmissione ristretto. Utilizzando i filtri interferenziali, è molto conveniente isolare determinate linee dagli spettri di linea delle lampade spettrali. Applicando in sequenza due o più filtri interferenti dello stesso tipo, lo sfondo mancato può essere notevolmente ridotto. I filtri interferenti sono realizzati con una trasmissione massima da l = 225 leghe nella regione dell'infrarosso. La produzione di filtri per la parte ultravioletta dello spettro è attualmente ancora associata a numerose difficoltà. Recentemente sono diventati disponibili in commercio filtri interferenti per i bordi dello spettro e le singole linee. Mediante varie combinazioni di tali filtri, è possibile ottenere qualsiasi data larghezza di banda spettrale.

È meglio acquistare i filtri anti-interferenza. Non ha senso provare a creare da soli un filtro del genere.

Quando si utilizzano filtri interferenti è necessario tenere presente che la loro permeabilità cambia al variare della direzione dei raggi incidenti. I filtri interferenti nel flusso del fascio si riscaldano poco poiché hanno un assorbimento minimo. L'energia che non passa attraverso il filtro viene riflessa. Pertanto, è necessario adottare misure per eliminare gli effetti dannosi dei raggi riflessi. I filtri di vetro ad alto assorbimento diventano molto caldi se esposti a un'irradiazione intensa e la loro curva di assorbimento cambia. Il confine spettrale dei filtri rossi si sposta nella regione rossa dello spettro con l'aumentare della temperatura. A questo proposito ricordiamo che il limite dello spettro di trasmissione di un pallone di quarzo caldo di una lampada al mercurio ad alta pressione si trova nella regione della lunghezza d'onda > 254 mmk.

I coloranti vengono introdotti in soluzioni di gelatina, che vengono essiccate su lastre di vetro. Ricette per 41 filtri di gelatina pubblicate da Hodgman. Di seguito ne riportiamo alcuni. Le lastre di vetro devono essere preventivamente pulite utilizzando soluzioni di idrossido di sodio in acqua e dicromato di potassio in acido solforico; la gelatina viene pesata, lavata in forno freddo per un'ora e impastata. Poi lo prendono per 20 G. gelatina secca 300 cm 3 acqua, scioglierla alla temperatura di 40°C e filtrare. Questa soluzione di gelatina viene riscaldata a 45 ° C, mescolata con vernice e, utilizzando una pipetta, versata su una lastra di vetro, pulita come indicato; La piastra è preinstallata orizzontalmente e protetta dalla polvere. Dopo l'essiccazione, due piastre così preparate vengono incollate insieme con balsamo del Canada.

Una soluzione di gelatina, se aggiungi zucchero, aderirà ancora meglio al vetro. Il timolo è adatto per disinfettare una soluzione di gelatina: un pezzettino di questa sostanza, che ricorda la canfora, viene gettato nella soluzione. Come substrato principale, puoi utilizzare la "gelatina al cromo": fino a 100 cm 3 Viene aggiunta una soluzione di gelatina all'1% 5 cm 3 Soluzione al 5% di allume di cromo.

Tuttavia, per realizzare un buon filtro è ancora necessaria una certa conoscenza delle proprietà speciali dei coloranti e la conoscenza di alcune tecniche per lavorare con essi; bisogna pensare che E.J. Wall aveva ragione quando smise del tutto di realizzare da solo tali filtri colorati. Pertanto, in ogni caso, è necessario prima di tutto familiarizzare in dettaglio con le monografie su questo numero dell'autore indicato o con la monografia di Weigert. Con tutti i filtri in cui il colorante è sciolto in gelatina, c'è il pericolo che il loro colore cambi nel corso di diversi mesi o anni, soprattutto se lo strato viene incollato con balsamo del Canada e se il filtro viene lasciato a lungo alla luce. Le pellicole di gelatina colorata sono disponibili in commercio da numerose aziende.

Possiamo anche consigliare il cosiddetto filtri monocromatici, distinguendo bande di larghezza quasi uguale dallo spettro, adiacenti tra loro. Esistono due tipi di filtri monocromatici: per le regioni più ampie e per quelle più strette dello spettro. Se la zona di trasmissione si restringe, il valore di trasmissione massimo diminuisce di diversi punti percentuali. I filtri monocromatici possono essere utilizzati con successo per eliminare la luce diffusa in semplici monocromatori.

Per i vetri grigi la curva di trasmissione, in generale, non mostra alcuna dipendenza dalla lunghezza d'onda. Oltre la porzione rossa, nella maggior parte dei casi il grado di trasparenza aumenta notevolmente. Questa proprietà deve essere tenuta presente quando si utilizzano tali vetri, ad esempio sotto forma di cuneo come attenuatore in un apparato spettrale. La selettività del filtro grigio diventa molto importante con filtri molto densi. I filtri grigi ottenuti fotograficamente sono relativamente non selettivi. Sfortunatamente, nella maggior parte dei casi disperdono leggermente la luce, quindi quando si utilizzano questi filtri, i raggi dispersi possono causare un effetto luminoso aggiuntivo.

È molto più semplice produrre filtri liquidi. La soluzione colorante viene versata in una vasca a pareti piano-parallele. Molto adatti a questo scopo sono i recipienti cilindrici di vetro menzionati a pagina 111, alle cui estremità vengono fuse piastre piano-parallele; un'estensione è saldata sul lato del recipiente per riempirlo di liquido. Largamente risaputo Vasi di Leibold; su di essi, nonché sulla fabbricazione di piccole cuvette, vedere Weigert. I filtri per liquidi costituiti da diversi strati ben definiti posizionati uno dopo l'altro possono essere assemblati in modo relativamente semplice utilizzando apposite cuvette.

I sali inorganici colorati sono particolarmente adatti per il riempimento di filtri liquidi, poiché sono assolutamente resistenti alla luce.

Le seguenti linee guida sono tratte dal lavoro di Gibson,

4400 A: soluzione acquosa al 5% di solfuro di ferro e potassio,

5000 A: soluzione acquosa al 6% di bicromato di potassio,"

6000 A: piastre in vetro color ossido rameoso o vetro ruminale,

780: iodio in solfuro di carbonio,

8200 A: ebanite; permeabilità dello spessore della piastra 0,3 mm a 1 lux 37%, a 2 mk 61%.

Di seguito sono riportate informazioni sui vari filtri a infrarossi. Questi filtri, così come numerosi coloranti, furono studiati da Merkelbach nella regione da 0,6 a 2,8 mk.

Seconda classe

Filtri con limite specifico di permeabilità ad onda lunga: uno strato d'acqua 1 cm. Permeabilità a l=1 mk 80%, con l = 1,5 lek 0%.

57 G. solfato di rame attivo. 1 litro d'acqua, spessore strato 1 cm. La soluzione trasmette l'80% a l = 5800 A, a partire da l = 7500 A verso le onde lunghe è opaca.

Una soluzione acquosa semisatura di cloruro ferrico passa attraverso uno spessore di strato pari a 10 mm: a l=0,7 mk 40%, a l=0,8 JitK 5%, con l=0, e mk 0%. Purtroppo la soluzione non è stabile. Vetro BG 19 di Schott, spessore 2 mm trasmette: a l=0,55 mk 90%, a l=0,7 mk 50% e al l da 0,9 a 2,8 juk meno del 5% della luce incidente su di esso.

La luce rossa viene assorbita più fortemente della lunghezza d'onda corta dal filtro blu-verde della ditta sopra menzionata e dal blu di Prussia.

Filtri per scopi speciali

Se, secondo il metodo proposto da Pfund, le pellicole di celluloide vengono trattate con vapori di selenio, si ottiene uno strato nero che, come hanno mostrato Barnes e Bonner, insieme ad una lastra di quarzo con uno spessore di 0,7 mm trasmette raggi solo con lunghezze d'onda superiori a 40 leghe. Il lavoro mostra curve di assorbimento comprese tra 1 e 120 JitK.

Gli strati dorati, la cui permeabilità alla luce verde è del 73%, escludono, secondo Kisfaludi, i raggi rossi e infrarossi.

Nella maggior parte dei casi i tre filtri proposti da R.V. Legno: uno strato di soluzione di quanto segue

Composizione: 10 mg nitrosodimetilanilina per 100 ml di acqua, spessore 5 mm; questo filtro è impermeabile ai raggi con lunghezze d'onda da 5000 a 3700 A e permeabile alle lunghezze d'onda da 3700 a 2000 A. Durante la conservazione a lungo termine la soluzione diventa impermeabile ai raggi ultravioletti senza cambiare colore. Il sottile strato d'argento è trasparente ai raggi con una lunghezza d'onda compresa tra 3400 e 3100 A. La curva di permeabilità di questo strato è un'immagine speculare della sua curva di riflessione della luce. Per realizzare un tale filtro, una lastra di quarzo viene argentata, ottenendo uno strato di tale spessore che, se osservato attraverso di esso, il Sole appare come un disco blu, e i contorni delle case sullo sfondo del cielo chiaro non sono più visibili. Sullo strato di argento viene posto un anello di carta da filtro imbevuta di acetato di piombo; su questo anello viene quindi posizionata una lastra di quarzo. In questa forma, il filtro viene conservato per molti mesi.

Woodnish scoprì anche che strati molto sottili di metalli alcalini, già completamente opachi alla luce visibile, trasmettono luce ad onde corte. Tale strato può essere ottenuto facendo evaporare un metallo alcalino molto accuratamente purificato e depositandone il vapore sulla parete di un pallone di quarzo raffreddato con aria liquida; Wood descrisse la tecnica per preparare tali strati, ma non può essere considerata semplice. O'Brien, così come Watstone e Hurst, continuarono a lavorare su questo filtro. I limiti di permeabilità si trovano per

Cs a 4400 Rb» 3600 K» 3150 Na» 2100 Li rimane opaco fino a 1400 A.

Dresler e Rikk hanno descritto un filtro di luce che consente alla sensibilità spettrale relativa di una fotocellula al selenio di essere quasi del tutto simile alla sensibilità del nostro occhio.

Non è consigliabile realizzare da soli un filtro del genere; dovrebbe essere acquistato già pronto, poiché ogni fotocellula richiede una selezione speciale di un filtro. Inoltre, si consiglia di monitorare periodicamente la precisione dell'installazione.

Una regione relativamente stretta attorno a una determinata lunghezza d'onda può essere isolata utilizzando il noto filtro Christiapsen. Uno di questi filtri per lunghezze d'onda da 3 a 90 mk descritto brevemente da Barnes e Bonner. In precedenza, per selezionare la regione della lunghezza d'onda richiesta, si utilizzava un cambiamento nella temperatura della cuvetta con una soluzione; Eye utilizza una soluzione di composti di bromo e iodo-mercurio di potassio e bario, che è relativamente insensibile ai cambiamenti di temperatura. Secondo l'autore, la regione selezionata dello spettro può essere modificata selezionando la concentrazione appropriata della soluzione. Se si utilizzano filtri liquidi, composti indipendentemente, per evidenziare singole linee nello spettro di una lampada al mercurio, si possono consigliare le combinazioni di filtri descritte di seguito. Queste combinazioni sono applicabili allo stesso modo dei filtri interferenti complementari. ■

Farsetto giallo 5790/69 A può essere isolato se lo spettro di una lampada al mercurio viene fatto passare attraverso uno strato di soluzione quasi satura di bicromato di potassio spesso 5 cm.

Linea verde 5461 A. In una cuvetta riempita d'acqua, sciogliere la quantità di tartrazina necessaria a far scomparire le linee blu; Per il monitoraggio viene utilizzato uno spettroscopio tascabile. Il doppietto giallo viene eliminato aggiungendo nitrato di neodimio disponibile in commercio. La soluzione è quasi illimitatamente stabile. Il filtro è eccellente per studi spettroscopici e polarimetrici, nonché per microfotografia. È possibile utilizzare anche il vetro al didimio, che però è piuttosto costoso poiché richiede uno spessore dello strato fino a 2 cm.

Gruppo di linee 4358–4347 Miscela 8 G chinino solfato con 100 cm 3 acqua distillata e aggiungere goccia a goccia acido solforico diluito fino a sciogliere lo strato carnoso di precipitato bianco che inizialmente cade; la sua dissoluzione avviene improvvisamente. Uno strato di questo liquido spesso 2 cm in combinazione con il normale vetro al cobalto trasmette, oltre al gruppo di linee sopra indicato, solo tracce della linea verde. Se quest'ultimo non è desiderabile, aggiungere rodamina B alla soluzione. Poiché una soluzione di chinino solfato diventa marrone dopo un'esposizione prolungata alla luce, Pfund consiglia una soluzione di acido nitroso sodico con uno spessore di 12 strati. mm; la sua trasparenza è del 65% per 4358 A e dell'1% per 4047 A.

Forse ancora più adatta a questo scopo è la miscela recentemente proposta di una soluzione di nitrobenzene al 6% in alcool con “rosamina 56 extra” allo 0,01%, recentemente proposta da Sunny e dai suoi collaboratori; il suo spessore dello strato è 1 cm supera la linea 4358 A, ma indebolisce le linee adiacenti allo 0,1%; Va notato che questo filtro è leggermente sensibile alla luce.

Per linea 3125 A Bäckström descrisse brevemente il seguente filtro: una soluzione di 14 G. solfato di nichel e 10 g di solfato di cobalto ogni 100 cm* acqua distillata; Questo filtro trasmette uno strato spesso 3 cm il 3,5% della linea 3342 A, ma il 96% della linea 3125 A; è trasparente almeno fino a 2300 A. Se ne aggiungono altri 45 a questa soluzione G. ftalato di potassio acido anidro, che assorbe bene le onde corte, l'intensità della linea adiacente 3023 A viene indebolita allo 0,1%, mentre rimane elevata la permeabilità per la linea 3125 A. Un assorbitore semplice ma non molto buono è una piastra al quarzo argentata.

Per evidenziare una linea 2536 Secondo Oldenberg si può utilizzare una fiaschetta di quarzo con diametro 40 mm, riempito con cloro ad una pressione di circa 6 ATM. La linea 4358 A si indebolirà ancora in modo significativo, ma le linee a onda lunga difficilmente lo faranno.

Utilizzando filtri di vetro e normali lampade spettrali disponibili in commercio, è possibile isolare righe distanziate quasi uniformemente nell'intero spettro. A differenza dei filtri liquidi, un filtro in vetro ha il vantaggio di essere quasi infinitamente stabile. Il libro di consultazione di fisica e chimica di D'Ans e Lax mostra combinazioni di filtri e le loro corrispondenti lampade spettrali.

Per la luce visibile e ultravioletta, buoni risultati si ottengono da strati metallici trasparenti di platino, rodio e antimonio depositati per evaporazione su lastre di quarzo.

Theising e Goebert realizzarono, con una tecnica elegante, un filtro grigio il cui assorbimento nella regione della lunghezza d'onda compresa tra 3000 A e 2,3 mkè praticamente costante. Per fare ciò, hanno depositato un secondo strato sopra uno strato, il cui assorbimento diminuisce con il diminuire delle lunghezze d'onda, il cui assorbimento cambia nella direzione opposta.

Le pellicole polarizzanti, oggi prodotte da diverse aziende, possono essere utilizzate in posizione incrociata come filtro a densità neutra di trasparenza variabile. In molti casi, al posto dei prismi polarizzanti, vengono utilizzate con grande successo pellicole polarizzanti. Quando vengono incrociati, i migliori riducono la luminosità della luce centinaia di volte. Rispetto ai prismi polarizzanti hanno il vantaggio di un campo visivo più ampio. I film possono essere realizzati in dimensioni quasi illimitate. A volte sorgono difficoltà dovute alla necessità di garantirne la resistenza al calore. I polarizzatori possono essere protetti in modo affidabile dall'umidità, se necessario, incollandoli tra dischi di vetro.

Da un lato la produzione di filtri polarizzatori di questo tipo, dall'altro la produzione di pellicole a doppia rifrazione, incoraggia la progettazione di filtri a dispersione rotazionale. Questo tipo di filtro fu descritto molti anni fa da R.V. In ud quando si separano i componenti della linea del sodio; filtri di questo tipo furono poi sviluppati da Lajot, Ehman, Regius e Haase. Un filtro con foro di Layot è passato attraverso una striscia di 2 A di larghezza con una trasparenza del 13% nella parte verde e di 3 A nella parte rossa con una trasparenza del 24%.

2. Superfici a specchio

A) Metalli

I risultati di numerosissimi studi sperimentali in questo settore portano alle seguenti conclusioni qualitative. A lunghe lunghezze d'onda, diversi micron, la maggior parte dei metalli riflette dal 90 a quasi il 100% della luce incidente. Dalle 15 mk fino a quasi 4000 A, l'argento supera tutti gli altri metalli in riflettività; Nella regione degli infrarossi fino a 8500 A l'oro riflette allo stesso modo dell'argento. L'ottone è anche un ottimo riflettore nella regione delle onde lunghe. I risultati di tale lavoro sono presentati graficamente in Fig.

Riflettività dell'argento e dell'alluminio

È noto che al diminuire della lunghezza d'onda, la riflettività di tutti i metalli diminuisce notevolmente, ad eccezione del silicio. Metallo a specchio, oppure la cosiddetta lega di Brashear, utilizzata soprattutto per i reticoli di diffrazione riflettente, è composta per il 68% da rame e per il 32% da stagno. Secondo i dati di Pfund, nella regione di Lyman, il quarzo è il miglior riflettore e il metallo a specchio è il peggiore.

B) Strati che riducono la riflessione

Gli strati che eliminano o riducono la riflessione sono ora ampiamente utilizzati nell'ottica. I metodi per depositare strati sottili, ad esempio, di fluoruro di magnesio, calcio o litio sono diventati tecnicamente molto avanzati. Nell'ottica tecnica stanno già iniziando ad essere utilizzati rivestimenti multistrato che eliminano la riflessione. Anche la resistenza degli strati è stata notevolmente aumentata. Innanzitutto gli strati depositati dalla fase gassosa hanno quasi la durezza del vetro, sono quasi indistruttibili. I metodi per la deposizione di strati dalla fase gassosa sono stati sviluppati da Geffken. La riduzione della riflessione su tali strati è piuttosto significativa. Il loro coefficiente di riflessione dipende in piccola parte dalla lunghezza d'onda e varia dallo 0,2 all'1% . Quando si utilizzano rivestimenti multistrato, la dipendenza della riflessione dalla lunghezza d'onda diminuisce. Si possono ottenere anche specchi ad alta riflettività e basso assorbimento. Ciò, tuttavia, richiede un numero pari di livelli.

Nella tabella vengono indicate la trasparenza e la diffusione della luce da parte di un sistema ottico costituito da un certo numero di superfici, assumendo che su ciascuna superficie venga riflessa c = 5% ovvero Q 1 = I% della luce incidente su di esso. Come ci si aspetterebbe, il guadagno dovuto alla diminuzione della riflessione con due superfici è insignificante, ma con l'aumento del loro numero diventa così grande che, ad esempio, con 30 superfici, la luce diffusa dannosa a causa di un relativo aumento del grado di permeabilità di tre volte si riduce di quasi sei volte.

3. Microscopio e suoi accessori, in particolare per lavori termici

Microscopio, ad es. Il dispositivo di illuminazione, oculare e lente, è uno dei dispositivi ampiamente utilizzati. Segnaliamo anche alcune attrezzature aggiuntive, ad esempio una camera per lavorare a basse temperature; in questo caso l'oggetto si trova in una camera piana attraverso la quale scorre gas secco, dopo aver attraversato un bagno di refrigerazione. Per funzionamento a temperature comprese tra – 130 e – e cristalli.

Per l'osservazione al microscopio delle transizioni di fase, dei processi di fusione o della formazione di singoli cristalli ad alte temperature, in alcuni casi è possibile posizionare piccoli campioni della sostanza su un nastro metallico a forma di U riscaldato elettricamente. Questo nastro, realizzato in una lega 60% Pt -) - 40% Rh, funge da microforno. Il nastro ha dimensioni: spessore 0,01 mm, larghezza 8 mm, lunghezza lato 10 mm, la distanza tra loro è 1,2 mm; l'aria in questo forno viene riscaldata a temperature superiori a 1800 °C; questa temperatura può rimanere per molto tempo. La temperatura può essere determinata da un grafico della sua dipendenza dalla corrente del filamento, i cui punti sono ottenuti come punti di fusione noti di alcune sostanze. Di seguito sono elencate le sostanze adatte allo scopo e ne sono indicati i punti di fusione:

K 2 SO 4 , CaO -MgO -2Si 0 2 , BaO -2Si 0 2 , CaO Al 2 O s ^SiO 2 , una miscela di 15% MgO e 85% SiO 2 . Nel metodo proposto da Ordway, una goccia di materiale fuso viene trattenuta da forze capillari sulla superficie di un termoelemento Pt-PtRh riscaldato da corrente alternata ad alta frequenza. Per misurare la temperatura viene utilizzata una tensione costante attraverso una termocoppia riscaldata. Il circuito di misurazione della temperatura deve essere protetto lungo l'intera lunghezza del termoelemento mediante filtri dagli effetti della tensione alternata. L'errore assoluto nella misurazione della temperatura a 1420°C è 5°. Nel metodo Velkha il circuito di misurazione della temperatura e il circuito del riscaldatore sono completamente separati. La termocoppia viene riscaldata da una semionda di corrente alternata di 50 cicli. Durante la seconda semionda il termoelemento per la determinazione della termo-EMF è collegato al circuito di compensazione.

Per la microscopia dei metalli ad alte temperature, esistono tavoli riscaldanti prodotti in fabbrica, dotati di recipienti a tenuta di vuoto in cui un piccolo pezzo lucidato del metallo in studio viene riscaldato in alto vuoto o atmosfera protettiva e il processo di modifica della sua superficie con la temperatura. è osservato.

Installazione per ricerche con microscopio polarizzatore a basse temperature. Schema di un attacco per fotocamera per un microscopio polarizzatore.J– lente del microscopio, 2 – anello di sughero,3 – una piastra cava con un tubo di ottone saldato4, abbassato in un recipiente 6 con aria liquida 5.7 - termoelemento,S– specchio in metallo argentato,9 – camera con aria raffreddata,Sì – tubo di ottone a pareti spesse,E- tubo di vetro,12 – rivestimento del tuboYu, 13 anni– riscaldatore aggiuntivo,14 - tubo di porcellana,15 – piastra con tubo in ottone saldato16, abbassato in un recipiente con aria liquida17, 18 - stufa, 19 – diario, 20 – anello di sughero,21 – un piatto a forma di anello supportato da un tavolino per microscopio22.

Condizioni della lente: l'oggetto non può essere inferiore a 2,5–3 mm, quindi con obiettivi normali l'ingrandimento massimo ottenibile non supera i 250–300. Una panoramica dello sviluppo dei metodi metallografici e dei risultati da essi ottenuti è fornita da Reinacher 18). Pfeiffer descrive un tavolo riscaldante fatto in casa per esaminare le leghe facilmente ossidabili utilizzando un microscopio. Il riscaldatore è posizionato su un supporto cavo di quarzo racchiuso in un involucro di vetro raffreddato ad acqua; Il supporto è chiuso con una sezione lucida in quarzo fuso con una rondella di quarzo fusa su di essa. Il forno di riscaldamento è costituito da due tubi Al Oz fusi insieme, attraverso i quali passano fili di platino . Una termocoppia viene utilizzata per misurare la temperatura di un campione posto in un forno. I fili che trasportano corrente e i fili del termoelemento sono fusi nel vetro per garantire una connessione salda.

Le tecniche per ridurre i riflessi stanno migliorando molto rapidamente. L'attenuazione della riflessione si ottiene modificando la composizione chimica dello strato limite delle lenti o applicando su di esse uno strato con un indice di rifrazione diverso.

Recentemente, la microscopia a infrarossi, nella quale vengono utilizzati microscopi riflettenti, ha fatto progressi molto rapidi. Grandi progressi nella valutazione delle irregolarità superficiali sono stati ottenuti grazie ai microscopi a contrasto di fase. Il microscopio ultravioletto utilizza con successo anche il metodo del contrasto di fase.

Un semplice micromanipolatore è costituito da un telaio con due stecche di legno disposte ad angolo retto, che si collegano al microscopio e consentono il movimento di microaghi, micropipette e microelettrodi ad essi fissati.

Tavolo riscaldante sottovuoto secondo Pfeiffer

Gli strumenti ottici hanno rivelato all'uomo due mondi di scala polare: il mondo cosmico con la sua enorme estensione e quello microscopico, abitato dagli organismi più piccoli. Trasmissioni televisive, dimostrazioni cinematografiche, riprese rapide del terreno e misurazioni accurate di distanze e velocità sono possibili solo attraverso l'uso di strumenti ottici.

I dispositivi più comuni sono quelli che formano immagini. Si tratta di un telescopio e un binocolo, un microscopio e una lente d'ingrandimento, una macchina fotografica e un proiettore per diapositive... Un apparecchio di proiezione è uno dei dispositivi più caratteristici che formano un'immagine (Fig. 1). Se un apparecchio di proiezione è adatto alla proiezione di film, viene chiamato cinepresa. Se viene utilizzato per mostrare diapositive, è una lavagna luminosa. In una lavagna luminosa, una fotografia trasparente - diapositiva D, illuminata dalla luce del condensatore K, viene posizionata vicino al piano focale dell'obiettivo in modo da ottenere un'immagine chiara sullo schermo. La dimensione dell'immagine dipende dalla distanza del proiettore dallo schermo. Quando si modifica questa distanza, è necessario modificare la posizione della lente rispetto alla diapositiva. Se posizioni un oggetto illuminato al posto dello schermo, verrà raffigurato nella posizione della diapositiva. Ora, se invece di un lucido metti una pellicola e rimuovi il condensatore, otterrai uno schema elettrico della fotocamera.

Anche il design ottico dell'occhio umano ricorda quello di una macchina fotografica. L'occhio forma un'immagine sulla sua retina. La dimensione dell'immagine di un oggetto sulla retina dell'occhio dipende dall'angolo dal quale vediamo l'oggetto. Pertanto, il diametro angolare del Sole è 32. Questo angolo determina la dimensione dell'immagine del Sole sulla retina. Quando i due punti estremi di un oggetto sono visibili con un angolo inferiore a 1, si fondono sulla retina e l'oggetto appare all'osservatore come un punto. In questo caso si dice che la risoluzione dell'occhio non superi il minuto d'arco.

Un telescopio consente di aumentare l'angolo di visibilità di un oggetto distante. Il primo telescopio fu creato all'inizio del XVII secolo. G.Galileo. Descriviamo il percorso dei raggi provenienti da un oggetto distante in un moderno telescopio. Dai punti estremi dell'oggetto, i raggi paralleli cadono sulla lente e delineano il contorno dell'oggetto nel piano focale. Attraverso l'oculare, l'immagine viene vista con un angolo maggiore di quello con cui l'oggetto è visibile ad occhio nudo. Ingrandimento angolare del telescopio. Lo schema ottico mostrato in Fig. 2 è un diagramma di un rifrattore: un telescopio con un obiettivo a lente. Un telescopio con una lente a specchio è chiamato riflettore o telescopio riflettente. Il riflettore fu costruito per la prima volta da I. Newton nel 1668 (Fig. 3).

Un telescopio con obiettivo di diametro D consente di osservare oggetti o punti su un oggetto situati ad una distanza angolare, se assumiamo che la lunghezza d'onda della luce emessa dall'oggetto sia micron. Si scopre che maggiore è il diametro del telescopio, con il suo aiuto sono visibili i dettagli più fini dell'oggetto. I rifrattori più grandi hanno un diametro della lente non superiore a . È tecnicamente più semplice realizzare uno specchio di grande diametro e costruire un riflettore.

Il telescopio più grande del mondo con uno specchio da 1 metro è stato costruito in Unione Sovietica. È progettato per osservare galassie variabili, pulsar, quasar e altri oggetti spaziali.

Per vedere un piccolo oggetto da un ampio angolo, bisogna avvicinarlo il più possibile all'occhio. Tuttavia, il cristallino raffigura chiaramente un oggetto sulla retina se è posizionato a non più di 10 cm dall'occhio. A distanze più brevi, la curvatura massima del cristallino non è sufficiente per ottenere un'immagine nitida sulla retina. Pertanto, oggetti molto piccoli vengono esaminati attraverso una lente d'ingrandimento o un microscopio, dispositivi che aumentano l'angolo di visibilità dell'oggetto.

Lenti d'ingrandimento inventate nel XVII secolo. Il naturalista olandese A. Leeuwenhoek, lo scopritore del mondo dei microrganismi, ha fornito un aumento di 300 volte. Il design del microscopio fu migliorato nel 1650. Scienziato inglese R. Hooke. Ma fino agli anni '20. XIX secolo i microscopi non potevano competere con ottime lenti d'ingrandimento. Sono stati compiuti progressi attraverso lo sviluppo di lenti complesse costituite da molte lenti. Le dimensioni minime di un oggetto visibile al microscopio sono determinate dalla relazione: A. Qui A è una costante pari a circa 1. Per la luce verde, micron. Affinché un oggetto sia visibile con un angolo G è sufficiente un ingrandimento di 1000 volte.

Gli strumenti ottici spettrali sono progettati per studiare la composizione spettrale della luce. Svolgono un ruolo importante nello sviluppo della scienza e vengono utilizzati sia per studiare i processi che si verificano nel micromondo sia per scopi applicati. Ad esempio, con l'ausilio di moderne apparecchiature spettrali è possibile giudicare la forma del nucleo atomico ed effettuare un'accurata analisi elementare della sostanza. Un esempio di dispositivo spettrale è uno spettroscopio (Fig. 4), in cui lo spettro della radiazione può essere osservato visivamente. La parte principale dello spettroscopio è un prisma o reticolo di diffrazione. La lente raccoglie la radiazione in esame presso la fenditura del collimatore - un dispositivo che forma un fascio luminoso a bassa divergenza - un fascio “parallelo”. Tale fascio, attraversato un prisma, si trasforma in n fasci che viaggiano con angoli diversi se la radiazione è costituita da onde elettromagnetiche di lunghezza . La lente sullo schermo darà le immagini della fenditura A, che formano lo spettro. Quando è necessario studiare la radiazione “quasi” monocromatica, ad esempio la composizione spettrale di una riga, un dispositivo ad alto potere risolutivo viene installato in serie con un dispositivo a prisma spettroscopico. Senza una scomposizione preliminare della luce non è possibile utilizzare dispositivi ad alta risoluzione, poiché possono funzionare solo in una gamma di lunghezze d'onda molto ristretta.

La creazione dei laser ha aperto nuove strade nella strumentazione ottica.

I moderni giroscopi laser sono in grado di funzionare con elevati sovraccarichi meccanici; possono essere installati su razzi e veicoli spaziali. Sono stati costruiti magnetometri laser per misurare campi magnetici deboli e strumenti per misurare la distribuzione delle particelle in base alla velocità e alle dimensioni. I localizzatori ottici laser vengono utilizzati con successo per vari scopi (Fig. 5). L'elevata luminosità della radiazione laser consente di trasmetterla su lunghe distanze e la breve durata dell'impulso laser fornisce un'eccezionale precisione nella misurazione delle distanze. Il misuratore di velocità laser ha un design interessante (Fig. 6). Riflesso da una particella in movimento, la luce laser cambierà la sua frequenza di oscillazione. A velocità normali questa variazione dovuta all'effetto Doppler è trascurabile. Eppure, a causa dell'elevata stabilità di fase e della natura monocromatica della luce laser, è possibile misurarla e, dal valore misurato, determinare la velocità di una particella, ad esempio, che si muove in un flusso di fluido turbolento (vedi Turbolenza).

Fisici e ingegneri stanno sviluppando una macchina informatica ottica. La sua capacità di progettazione è di oltre 1 miliardo di operazioni al secondo, ovvero decine di volte superiore a quella dei computer “più veloci” attualmente esistenti. La base di tale macchina saranno i dispositivi laser. E la sua memoria sarà ottica, basata sulla registrazione di dati olografici (vedi Holog-rafia). Su un ologramma di 10 X 10 si possono registrare più di 100 milioni di informazioni: per un tale volume di informazioni sarebbero necessarie circa 1 milione di pagine di testo stampato. Oggi, con l'aiuto dell'ottica olografica, vengono eseguiti calcoli matematici complessi, differenziazione di funzioni, operazioni integrali e risolte le equazioni più complesse. Gli elementi ottici sono parte integrante della progettazione di molti dispositivi. Pertanto, la trasparenza ottica controllata consente di convertire un'immagine ottenuta utilizzando la radiazione elettromagnetica non percepita dall'occhio in radiazione visibile.

I dispositivi ottici basati sulla fibra ottica consentono di esaminare gli organi interni umani e prevenire gravi malattie.

Pertanto, i moderni strumenti ottici sono assolutamente necessari e ampiamente utilizzati in molti settori dell'economia nazionale e nella ricerca scientifica.

La radiazione ottica è un'onda elettromagnetica, quindi l'ottica fa parte dello studio generale del campo elettromagnetico. La gamma ottica delle lunghezze d'onda copre circa 20 ottave ed è limitata, da un lato, dai raggi X e, dall'altro, dalla portata delle microonde delle emissioni radio. Questa limitazione è condizionale ed è in gran parte determinata dalla comunanza di mezzi e metodi tecnici per studiare i fenomeni nell'intervallo specificato. Questi mezzi e metodi sono caratterizzati dalla formazione di immagini di oggetti ottici basate sulle proprietà ondulatorie della radiazione utilizzando dispositivi le cui dimensioni lineari sono molto maggiori della lunghezza d'onda della radiazione, nonché dall'uso di rilevatori di luce, la cui azione si basa sulle sue proprietà quantistiche.

L'ottica è anche una branca della fisica che studia le proprietà e la natura fisica della luce, nonché la sua interazione con la materia. La dottrina della luce è solitamente divisa in tre parti:

Ottica geometrica o a raggi, che si basa sull'idea dei raggi luminosi;

Ottica ondulatoria, che studia i fenomeni in cui si manifestano le proprietà ondulatorie della luce;

Ottica quantistica, che studia l'interazione della luce con la materia, in cui compaiono le proprietà corpuscolari della luce.

L'ottica geometrica è una branca dell'ottica che studia le leggi della propagazione della luce in mezzi trasparenti e la riflessione della luce da superfici specchianti o traslucide.

Leggi fondamentali dell'ottica geometrica: legge della propagazione rettilinea della luce, legge della riflessione e rifrazione della luce, legge dell'indipendenza dei fasci luminosi, riflessione speculare e diffusa, legge dell'indipendenza dei fasci luminosi.

Ottica ondulatoria - studia i fenomeni in cui si manifestano le proprietà ondulatorie della luce. L'interferenza è uno dei due modi di trasferimento di energia nello spazio. Questo fenomeno si verifica quando due o più onde della stessa frequenza, propagandosi in direzioni diverse, interagiscono. Quando due onde si incontrano in antifase si osserva la calma, un punto morto è un'interferenza distruttiva; quando la fase coincide - raddoppio dell'ampiezza - interferenza costruttiva. Sulla base di questo fenomeno è stato creato un interferometro: un fascio è diviso in due fasci in fase. Lo spostamento del modello di interferenza consente di tracciare la posizione del raggio.

La diffrazione si basa sul principio di Huygens, cioè Ogni punto lungo il percorso di propagazione del fascio può essere una nuova sorgente di onde secondarie.

Ottica quantistica – branca dell'ottica che studia i fenomeni in cui si manifesta la natura corpuscolare della luce. Uno dei problemi principali: descrivere l'interazione della luce con la materia, tenendo conto della natura quantistica dell'oggetto, nonché studiare la luce in condizioni naturali speciali.

L'optoelettronica è un importante campo indipendente dell'elettronica funzionale e della microelettronica. Un dispositivo optoelettronico è un dispositivo in cui, durante l'elaborazione delle informazioni, i segnali elettrici vengono convertiti in segnali ottici e viceversa.

Una caratteristica essenziale dei dispositivi optoelettronici è che gli elementi in essi contenuti sono otticamente collegati ed elettricamente isolati gli uni dagli altri.

L'optoelettronica copre due principali aree indipendenti: ottica ed elettro-ottica.

La direzione ottica si basa sugli effetti dell'interazione di un solido con la radiazione elettromagnetica. Si basa sull'olografia, sulla fotochimica, sull'elettroottica e su altri fenomeni. La direzione ottica è talvolta chiamata laser.

La direzione elettro-ottica sfrutta il principio della conversione fotoelettrica, realizzata in un corpo solido attraverso l'effetto fotoelettrico interno, da un lato, e l'elettroluminescenza, dall'altro. Questa direzione si basa sulla sostituzione dei collegamenti galvanici e magnetici nei circuiti elettronici tradizionali con quelli ottici. Ciò consente di aumentare la densità delle informazioni nel canale di comunicazione, la sua velocità e l'immunità al rumore.

Un fotoaccoppiatore è un dispositivo elettronico costituito da un emettitore di luce (solitamente un LED, nei primi prodotti una lampada a incandescenza in miniatura) e un fotorilevatore (fototransistor bipolari e ad effetto di campo, fotodiodi, fototiristori, fotoresistori), collegati da un canale ottico e solitamente combinati in un alloggio comune.

Il principio di funzionamento di un fotoaccoppiatore è convertire un segnale elettrico in luce, trasmetterlo attraverso un canale ottico e quindi riconvertirlo in un segnale elettrico.

Fig. 1. Optoaccoppiatore con connessioni fotoniche interne (a) ed esterne (b): 1, 6 – sorgenti luminose; 2 – guida luminosa; 3, 4 – ricevitori di luce; 5 – amplificatore.

L'elemento principale dell'optoelettronica è un accoppiatore ottico (vedi Fig. 1).

Strumenti ottici.

Tutti gli strumenti ottici possono essere divisi in due gruppi:

1) dispositivi con cui si ottengono immagini ottiche su uno schermo. Questi includono, cineprese, ecc.

2) dispositivi che funzionano solo in combinazione con l'occhio umano e non formano immagini sullo schermo. Questi includono vari dispositivi di sistema. Tali dispositivi sono chiamati visivi.

Telecamera.

Le fotocamere moderne hanno una struttura complessa e varia, ma vedremo in quali elementi di base è composta una fotocamera e come funzionano.

La parte principale di qualsiasi fotocamera è lente - un obiettivo o un sistema di lenti posto nella parte anteriore del corpo macchina a prova di luce (Fig. a sinistra). L'obiettivo può essere spostato dolcemente rispetto alla pellicola per ottenere un'immagine nitida di oggetti vicini o distanti dalla fotocamera.

Quando si fotografa, l'obiettivo viene leggermente aperto utilizzando uno speciale otturatore, che consente alla luce di entrare nella pellicola solo al momento della fotografia. Diaframma regola il flusso luminoso che colpisce la pellicola. La fotocamera produce un'immagine reale ridotta, inversa, che viene registrata su pellicola. Sotto l'influenza della luce, la composizione del film cambia e l'immagine viene impressa su di esso. Rimane invisibile finché la pellicola non viene immersa in una soluzione speciale: uno sviluppatore. Sotto l'influenza dello sviluppatore, quelle parti del film su cui cade la luce si scuriscono. Più luce è stata esposta a un'area della pellicola, più scura risulterà dopo lo sviluppo. L'immagine risultante si chiama (dal latino negativus - negativo), in essa le parti chiare dell'oggetto appaiono scure e le parti scure appaiono chiare.

Per evitare che questa immagine cambi sotto l'influenza della luce, il film sviluppato viene immerso in un'altra soluzione: un fissativo. Lo strato fotosensibile di quelle aree della pellicola che non sono state colpite dalla luce si dissolve in essa e viene lavato via. Il film viene quindi lavato e asciugato.

Dal negativo si ottiene (dal latino pozitivus - positivo), ad es. un'immagine in cui i luoghi oscuri si trovano allo stesso modo dell'oggetto fotografato. Per fare ciò, il negativo viene applicato su carta rivestita anch'essa con uno strato fotosensibile (su carta fotografica), e illuminato. Successivamente la carta fotografica viene immersa nello sviluppatore, poi nel fissatore, lavata e asciugata.

Dopo lo sviluppo della pellicola, durante la stampa delle fotografie, viene utilizzato un fotoingranditore, che ingrandisce l'immagine del negativo su carta fotografica.

Lente d'ingrandimento.

Per vedere meglio i piccoli oggetti, devi usare lente d'ingrandimento

Una lente d'ingrandimento è una lente biconvessa con una lunghezza focale ridotta (da 10 a 1 cm). Una lente d'ingrandimento è il dispositivo più semplice che consente di aumentare l'angolo di visione.

Il nostro occhio vede solo quegli oggetti le cui immagini sono catturate sulla retina. Quanto più grande è l'immagine di un oggetto, tanto maggiore è l'angolo di campo dal quale lo vediamo, tanto più chiaramente lo distinguiamo. Molti oggetti sono piccoli e visibili dalla distanza di visione migliore con un angolo di visione vicino al massimo. Una lente d'ingrandimento aumenta l'angolo di campo, così come l'immagine di un oggetto sulla retina dell'occhio, quindi le dimensioni apparenti dell'oggetto
aumentare rispetto alle sue dimensioni reali.

Articolo AB posto ad una distanza leggermente inferiore alla lunghezza focale dalla lente di ingrandimento (Fig. a destra). In questo caso la lente d'ingrandimento restituisce un'immagine mentale diretta, ingrandita A1B1. La lente d'ingrandimento viene solitamente posizionata in modo che l'immagine dell'oggetto sia alla migliore distanza visiva dall'occhio.

Microscopio.

Per ottenere grandi ingrandimenti angolari (da 20 a 2000) vengono utilizzati microscopi ottici. Un'immagine ingrandita di piccoli oggetti al microscopio si ottiene utilizzando un sistema ottico costituito da una lente e un oculare.

Il microscopio più semplice è un sistema con due lenti: un obiettivo e un oculare. Articolo AB posto davanti alla lente, che è l'obiettivo, a distanza F1< d < 2F 1 ed è osservato attraverso un oculare, che viene utilizzato come lente d'ingrandimento. L'ingrandimento G del microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento della lente dell'obiettivo G1 e dell'ingrandimento dell'oculare G2:

Il principio di funzionamento del microscopio si riduce ad un aumento sequenziale dell'angolo di campo, prima con l'obiettivo e poi con l'oculare.

Apparecchio di proiezione.

Le macchine di proiezione vengono utilizzate per produrre immagini ingrandite. Le lavagne luminose vengono utilizzate per ottenere immagini fisse e con l'aiuto dei proiettori cinematografici ottengono fotogrammi che si sostituiscono rapidamente l'uno con l'altro. amico e vengono percepiti dall'occhio umano come immagini in movimento. In un apparecchio di proiezione, una fotografia su una pellicola trasparente viene posizionata a distanza dall'obiettivo D, che soddisfa la condizione: F< d < 2F . Per illuminare la pellicola, viene utilizzata una lampada elettrica 1. Per concentrare il flusso luminoso, viene utilizzato un condensatore 2, costituito da un sistema di lenti che raccolgono raggi divergenti dalla sorgente luminosa sul fotogramma 3. Utilizzando la lente 4, sullo schermo si ottiene un'immagine ingrandita, diretta e reale 5

Telescopio.

I cannocchiali o i telescopi vengono utilizzati per visualizzare oggetti distanti. Lo scopo di un telescopio è raccogliere quanta più luce possibile dall'oggetto studiato e aumentarne le dimensioni angolari apparenti.

La parte ottica principale del telescopio è la lente, che raccoglie la luce e crea un'immagine della sorgente.

Esistono due tipi principali di telescopi: rifrattori (basati su lenti) e riflettori (basati su specchi).

Il telescopio più semplice: un rifrattore, come un microscopio, ha una lente e un oculare, ma a differenza di un microscopio, la lente del telescopio ha una lunghezza focale lunga e l'oculare ne ha una corta. Poiché i corpi cosmici si trovano a distanze molto grandi da noi, i raggi provenienti da essi arrivano in un raggio parallelo e vengono raccolti dalla lente nel piano focale, dove si ottiene un'immagine reale inversa, ridotta. Per rendere l'immagine dritta, utilizzare un altro obiettivo.