Teoreettisia perusteita I

Samankaltaiset tiedostot
Ratkaisu: Taittuminen ensimmäisessä pinnassa on tietysti sama kuin edellisessä esimerkissä. Säteet taittuvat ja muodostaisivat kuva 40 cm:n

Geometrinen optiikka. Tasopeili. P = esinepiste P = kuvapiste

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

34. Geometrista optiikkaa

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

RATKAISUT: 16. Peilit ja linssit

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

7.4 PERUSPISTEIDEN SIJAINTI

Kuvan etäisyys tässä tapauksessa on ns. polttoväli (focal length): ja kuvausyhtälö (6.3.2) voidaan kirjoittaa mukavaan muotoon + =. (6.3.

5. Optiikka. Havaitsevan tähtitieteen pk I, luento 5, Kalvot: Jyri Näränen ja Thomas Hackman. HTTPK I, kevät 2012, luento 5

eli HUOM! - VALEASIAT OVAT AINA NEGATIIVISIA ; a, b, f, r < 0 - KOVERALLE PEILILLE AINA f > 0 - KUPERALLE PEILILLE AINA f < 0

6 GEOMETRISTA OPTIIKKAA

6 GEOMETRISTA OPTIIKKAA

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Optiikka. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

Valo, valonsäde, väri

FYSI1040 Fysiikan perusteet III / Harjoitus 1 1 / 6

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Optiikkaa. () 10. syyskuuta / 66

θ 1 θ 2 γ γ = β ( n 2 α + n 2 β = l R α l s γ l s 22 LINSSIT JA LINSSIJÄRJESTELMÄT 22.1 Linssien kuvausyhtälö

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

5.3 FERMAT'N PERIAATE

Valon havaitseminen. Näkövirheet ja silmän sairaudet. Silmä Näkö ja optiikka. Taittuminen. Valo. Heijastuminen

34 GEOMETRINEN OPTIIKKA (Geometric Optics)

11.1 MICHELSONIN INTERFEROMETRI

Esimerkki: Tarkastellaan puolipallon muotoista paksua linssiä, jonka taitekerroin on 1,50:

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

YOUNGIN KOE. varmistaa, että tuottaa vaihe-eron

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Faktaa ja fiktiota Suomi-asteroideista

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

Tekijä Pitkä matematiikka

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

Funktion derivoituvuus pisteessä

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Tehtävien ratkaisut

Sädeoptiikka Taittuminen ja kuvanmuodostus

yleisessä muodossa x y ax by c 0. 6p

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Paraabeli suuntaisia suoria.

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

Valo, laser ja optiikka -havaintovälineistö

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Teoreettisia perusteita II

Käyrien välinen dualiteetti (projektiivisessa) tasossa

Luento 3: 3D katselu. Sisältö

a ' ExW:n halkaisija/2 5/ 2 3

OPTISET KUIDUT. KEMIA JA YMPÄRISTÖ Jesse Peurala ja Reijo Tolonen ja TP05S, ryhmä C

5.3 Suoran ja toisen asteen käyrän yhteiset pisteet

Suorista ja tasoista LaMa 1 syksyllä 2009

766349A AALTOLIIKE JA OPTIIKKA kl 2017, viikko 3 Harjoitus 1 Viimeinen näyttöpäivä ke 1.2.

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

5. Kaukoputket ja observatoriot

Ympyrä 1/6 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kulma, piste, suora

Digitaalikameran optiikka ja värinmuodostus

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

FY3: Aallot. Kurssin arviointi. Ryhmätyöt ja Vertaisarviointi. Itsearviointi. Laskennalliset ja käsitteelliset tehtävät

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. Olkoot A 2 := AA =

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Maa Kameran kalibrointi. TKK/Fotogrammetria/PP

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet. Kari Sormunen Syksy 2014

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Luento 7: 3D katselu. Sisältö

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/2

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

2 paq / l = p, josta suuntakulma q voidaan ratkaista

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

Kertaustehtävien ratkaisuja

Opinnäytetyö. Valo ja linssi. Jari Uusitalo. Viestinnän koulutusohjelma

Ympyrän yhtälö

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Suomalaisten löytämät asteroidit

Transkriptio:

Teoreettisia perusteita I

- fotogrammetrinen mittaaminen perustuu pitkälti kollineaarisuusehtoon, jossa pisteestä heijastuva valonsäde kulkee suoraan projektiokeskuksen kautta kuvatasolle - toisaalta kameran optiikka saattaa koostua hyvinkin monesta linssistä, joiden rajapinnoissa tapahtuu aina taittuminen - tämän luennon aikana on tarkoitus käydä läpi sädeoptiikan perusteita ja sen perusteella todeta, että kollineaarisuusperiaatetta voidaan käyttää monimutkaisissakin optisissa systeemeissä

(Nämä kalvot sisältävät poimintoja Erkki Ikosen kirjasta Optiikan perusteet ) Taitekerroin n : n=c 0 /c c 0 : valon nopeus tyhjiössä c : valon nopeus väliaineessa -- eri väriset valot etenevät väliaineessa eri nopeuksilla Snellin laki (taittumislaki): sin 1 = sin 2 Kuva 1. Valon taittuminen.

Taittuminen pallopinnalla: sinilauseen perusteella: x r = sin 2 sin 1 2 jos kulmat pieniä: x 2 r 1 2 josta kertomalla: x r 2 1 2

x r 2 1 2 Snellin lain mukaan: 2 1 josta saadaan: 2 1 Sijoittamalla tämä ylimpään yhtälöön saadaan: x r / 1

x r / 1 Edellä esitetyn perusteella x ei ole riippuvainen tulokulmasta 1. Kaikki säteet taittuvat siis samaan pisteeseen (polttopiste). Tulos pätee säteille, jotka kulkevat optisen akselin suuntaisesti ja ovat lisäksi lähellä sitä (jolloin 1 on pieni).

Taittuminen tasapaksussa lasilevyssä: Tasapaksu lasi aiheuttaa säteelle yhdensuuntaissiirtymän.

Ohut linssi Edellä esitetyn kaltaisilla geometrisillä päätelmillä voidaan tutkia myös kahden pallopinnan muodostamaa linssiä. Voidaan esim. päätellä, että ohut linssi taittaa kaikki optisen akselin suuntaiset säteet polttopisteeseen. Kuva 2. Ohut linssi. Ohuelle linssille (paksuus = 0) siis pätee: 1. Optisen akselin suuntainen säde taittuu polttopisteen kautta 2. Linssin keskipisteen kautta kulkeva säde etenee suoraan

h f = h' b f h h ' = f b f h a = h ' b h h ' = a b a b = f b f ab af =bf abf 1 f = 1 a 1 b (linssiyhtälö)

Mutta jospa linssi ei olekaan ohut? - säteen kulkua optisessa systeemissä voidaan kuvata kätevästi matriisiesityksen avulla - sädettä kuvataan pystyvektorilla x missä x on säteen etäisyys optisesta akselista ja on säteen kulma optisen akselin suhteen - jokaiseen taitospintaan liittyy kaksi pystyvektoria, toinen kuvaa tilannetta ennen taittumista ja toinen tilannetta heti taittumisen jälkeen

Taittomatriisit: x:n ja :n alaindeksi 1 kuvaa tilannetta ennen taittumista ja alaindeksi 2 tilannetta taittumisen jälkeen: 1 1 = 2 2 x 1 /r 1 Snellin lain mukaan: 2 1 2 = 1 / 1 1 x 1 /r 1 1 x 1 / r 1 1 1 / 2 x 1 /r 1 1 x 1 n 2 2 = 1 x r 1 1 2 r 1

Taittomatriisi R: x 2 2 = 1 x 2 =x 1 2 = r 1 x 1 1 Eli matriisimuodossa: 0 P 1 x 1 1 =R 1 x 1 1 jossa P on taittokyky: P 1 = /r 1

Translaatiomatriisi T: Alaindeksi 2 kuvaa tilannetta taittumisen jälkeen ennen etenemistä linssin läpi ja alaindeksi 3 tilannetta etenemisen jälkeen juuri ennen toista taittumista. x 3 =x 2 D 12 2 3 = 2 Säteen edetessä linssin sisällä sen suunta ei muutu. Sen sijaan etäisyys optisesta akselista muuttuu. x 3 = 1 D 12 x 2 3 0 1 =T 2 12 x 2 2

Säteen tullessa linssistä ulos tapahtuu taas taittuminen. Eli linssin aiheuttaa säteelle seuraavan muunnoksen: x 4 4 =R 2T 12 R 1 x 1 1 =M x 1 1 R 1 ja T 12 on esitelty aiemmin ja R 2 on pinna taittomatriisi: = 1 R 2 0 P 2 P 2 =, missä ja r r 2 on toisen pinnan kaarevuussäde. 2

Ohuen linssin muunnosmatriisi: = 1 M=R 2 T 12 R 1 0 P 2 P 1 = r 1 1 0 0 1 = 1 0 P 1 P 2 = 1 1 0 P 2 P 1 Sijoittamalla ja saadaan r 2 M= 1 0 1 f 1 1, missä (linssintekijän yhtälö). f = 1 1 1 r 1 r 2

Taittuminen ohuessa linssissä: Oletetaan, että optisen akselin suuntainen säde ( =0) kulkee ohuen linssin läpi. Säteen etäisyys optisestaakselista olkoon x. Mikä on säteen etäisyys optisesta akselista sen edettyä matkan f linssin jälkeen? 1 f 1 0 0 1 1 f 1 x 0 = 0 x f Yllä esitetyn perusteella ohut linssi taittaa kaikki optisen akselin suuntaiset säteet polttopisteeseen (tulosvektorin ensimmäinen elementti on 0). Tämä sama tulos olisi voitu johtaa myös geometrisesti, mutta matriisiesitystä käyttämällä päästiin paljon helpommalla.

Päätasot: Muunnosmatriisin determinantti: det M=det R 2 T 12 R 1 =det R 2 det T 12 det R 1 1 0 P 2 1 1 D 12 0 1 n 1 0 P 1 = 1 =1 Muunnosmatriisin molemmille puolille voidaan lisätä translaatiomatriisit ilman, että muodostuneen muunnosmatriisin determinantti muuttuu.

Tarkastellaan optista systeemiä B 1 B 2, jonka muunnosmatriisi on: M= m 11 m 12 m 21 m 22 Tasojen H 1 ja H 2 suhteen muunnosmatriisi on: M H = 1 D 2 0 1 m 11 m 12 m 21 m 22 1 D 1 0 1

M H = m 11 D 2 m 21 m 11 D 1 m 12 D 2 m 21 D 1 m 22 m 21 m 21 D 1 m 22 Asetetaan D 1 ja D 2 sellaisiksi, että diagonaalielementit saavat arvo: D 1 = 1 m 22 /m 21 D 2 = 1 m 11 /m 21 Sijoittamalla D 1 ja D 2 yllä olevaan matriisiin ja käyttämällä determinanttiehtoa saadaan: M H = 1 0 m 21 1 Saadaan siis ohutta linssiä vastaava muunnosmatriisi, jossa polttoväliksi saadaan f=-1/m 21.

Saatu tulos on merkittävä. Tasojen H 1 ja H 2 suhteen tarkasteltuna systeemi käyttäytyy siis ohuen linssin tavoin. Ts. jos etäisyydet mitataan tasoista H 1 ja H 2 ja polttovälinä käytetään optisen systeemin polttoväliä, voidaan esim. systeemin muodostaman kuvan paikka laskea kuten ohuen linssinkin tapauksessa. Tasoa H 1 kutsutaan ensimmäiseksi päätasoksi ja tasoa H 2 toiseksi päätasoksi. Päätasojen väliin jäävä alue voidaan unohtaa.

Linssivirheet: Linssivirheet voidaan luokitella seuraavasti: Monokromaattinen valo: - palloaberraatio - astigmatismi - huntu (coma) - kentän kaarevuus (field curvature) - vääristymä (distortion) Värillinen valo: -kromaattinen aberraatio

Palloaberraatio: - kaukana optisesta akselista kulkeva säde taittuu eri paikkaan kuin lähempänä optista akselia kulkeva säde - korjataan käytännössä yhdistelemällä kuperia ja koveria linssejä, joilla on erimerkkiset virheet Astigmatismi: - ei-aksiaalisesta pisteestä lähtevillä säteillä on eri polttopiste pysty- ja vaakatasossa Palloaberraatio. Kuva: Wikipedia Astigmatismi. Kuva: Wikipedia

Huntu (coma): - ei-aksiaalisesta pisteestä lähtevät säteet kokevat eri taittovoiman läpäistessään linssin eri kohdissa - vaikea erottaa astigmatismista Huntu. Kuva: Wikipedia

Kentän kaarevuus (field curvature): - polttotaso ei olekaan taso vaan kaareva pinta - voidaan korjata sopivilla linssiyhdistelmillä Vääristymä (distortion): - kuvan eri osilla eri suurennos - kuva terävä mutta vääristynyt - aiheuttaa kuvaan tynnyrimäisen tai tyynymäisen efektin Erilaisia vääristymiä.

Kromaattinen aberraatio: - valon aallonpituus vaikuttaa taitekertoimeen, joten eri värinen valo fokusoituu eri etäisyydelle linssistä -voidaan jakaa lateraaliseen ja aksiaaliseen - korjatavissa sopivien taitekertoimien omaavien kuperan ja koveran linssin yhdistelmällä (akromaattinen linssi) tai pinnotteilla Aksiaalinen aberraatio. Lateraalinen aberraatio.

Yhteenveto: - monimutkainenkin optinen systeemi, kuten esim. useasta linssistä koostuva kameran optiikka, on palautettavissa ohutta linssiä vastaavaksi systeemiksi - jos linssivirheet otetaan huomioon voidaan kameran muodostamaa kuvaa pitää keskusprojektiona, jossa kohdepiste kuvautuu linssin keskipisteen kautta kuvatasolle (kollineaarisuusehto) Kirjallisuutta: - Erkki Ikonen: Optiikan perusteet, 2001, TKK, Mittaustekniikan laboratorio, ISBN 951-22-4709-7, Pica-set Oy