Склоп за стварање оптичке слике је систем од једног или више оптичких елемената чија је главна намена стварање оптичке слике предмета.
Намене
Основне намене склопа за стварање оптичке слике су: увећање видне слике далеких предмета увећање видне слике блиских предмета снимање оптичке слике на оптички детектор пројектовање увећане видне слике на површину за приказивање
Врсте
Према основној намени, склоп за стварање оптичке слике може да се поделе у четири основне врсте:
(1) склоп за увећање видне слике далеких предмета,:на пример оптички телескоп, двоглед, дурбин
(2) склоп за увећање видне слике блиских предмета,:на пример оптички микроскоп и лупа
(3) склоп за снимање оптичке слике на оптички детектор, на пример фотографска камера, филмска камера, астрономска камера
4) пројектор, за пројектовање увећане видне слике на површину за приказивање
Историја
Док је способност провидних минералних стена да измене величину или облик предмета посматраног кроз њих вероватно била позната још од античких времена, проналаску првог склопа за стварање оптичке слике претходила је употреба малих сочива за исправљање мана вида - претеча наочара - од 13-ог века. Прво су, за исправљање далековидости, коришћена сабирна сочива, по чијем облику, који је подсећао на плод биљке махунарке (сочиво, лат. Lens culinaris) је овај оптички елемент добио име.
Први телескоп
Почетком 17-ог века у холандском патентном заводу је у кратком времену забележено неколико пријава оптичког склопа за стварање увећане слике далеких предмета. Прва од њих била је од стране Ханса Липерхеја (Hans Lipperhey, или Lippershey), у јесен 1608. Већ следеће године, склопови ове врсте били су коришћени као први телескопи од стране Хариота (Thomas Harriot), Галилеја, и других.
thumb|1. ПРВИ ТЕЛЕСКОП И ПРВИ МИКРОСКОП, ОПТИЧКА ШЕМА Слика десно (горе) приказује једноставну оптичку шему овог склопа, познатог као Галилеов телескоп: предње сабирно сочиво (објектив) и задње расипно сочиво (окулар), постављено на малом растојању испред жиже објектива, производе паралелан сноп излазних зрака за сваки паралелан улазни сноп.
Без телескопа, ваносна тачка Т врло удаљеног предмета пресликава се у тачку Т' слике предмета на мрежњачи ока. Висина тачке Т' у односу на оптичку осу одређена је улазним углом (α) под којим средишњи, или главни зрак (испрекидана линија) пролази кроз зеницу ока. Са телескопом, улазни угао главног зрака у зеници ока (αу) је, као последица преламања светлости кроз сочива, већи, што чини већим и слику предмета на мрежњачи ока.
Први микроскоп
Испод је приказана оптичка шема првог микроскопа, који се такође састојао од два проста сочива. За разлику од првог телескопа, задње сочиво је такође позитивно, и постављено иза жиже објектива, где, као и расипно сочиво испред жиже, производи снопове паралелних зрака који пролазе кроз зеницу ока и бивају сабрани у слике тачки предмета на мрежњачи. Као у случају телескопа, после преламања кроз сочива микроскопа, ваносни главни зраци пролазе кроз зеницу под већим углом и производе већу слику на мрежњачи од слике видљиве голим оком.
Кеплеров телескоп
У основи исту оптичку шему има и тзв. Кеплеров телескоп, нешто каснији и бољи облик раног телескопа. Једина разлика, у том погледу, је у томе што је предмет посматрања у случају микроскопа близу, а у случају телескопа далеко. Предност коришћења сабирног сочива за окулар је у томе што оно ствара слику објектива - тзв. излазни отвор окулара - кроз чије средиште пролазе сви главни зраци и, са очном зеницом у равни излазног отвора окулара, производи најбољу могућу слику, и омогућава знатно шире поље слике.
Са друге стране, расипно сочиво као окулар ствара замишљену слику објектива - тј. излазни отвор - у простору између објектива и окулара, те се не може користити за посматрање слике. Пошто паралелни снопови зрака геометријски извиру из излазног отвора, они у случају негативног окулара доспевају до очне зенице расути, што има за последицу виши ниво аберација и затамњивање поља слике (расутост зрака се на слици, на којој су углови преувеличани ради јасноће, види по томе што је средишњи, тј. главни зрак различит за свако сочиво и за око, и што се неки зраци шире ван очне зенице). Због тога је ова врста склопа данас у врло ограниченој употреби (нпр. позоришни, или Галилејски двоглед, са увећањем од 3 до 5 пута).
За разлику од Галилејског телескопа, слика у Кеплеровом телескопу и микроскопу је обрнута у односу на предмет, што значи да се на очну мрежњачу пројектује у оријентацији предмета, а видимо је обрнуту (јер мозак обрће слику на мрежњачи, која је у голом оку обрнута, да бисмо усправне предмете посматрања видели као усправне).
Током векова, од ових првих облика оптичког склопа за стварање слике настали су многи други, сложенији облици, од модерних оптичких телескопа и микроскопа, до оптичких склопова за снимање и пројекцију оптичке слике.
Начин рада склопа за стварање оптичке слике
У начелу, склоп за стварање оптичке слике користи преламање и/или одбијање светлости да преусмери улазне оптичке зраке са сваке тачке предмета у одговарајућу тачку слике (слика десно). На тај начин склоп ствара оптичку слику предмета.
thumb|2. СТВАРАЊЕ ОПТИЧКЕ СЛИКЕ У смислу таласног фронта, склоп за стварање оптичке слике користи преламање и/или одбијање светлости да промени облик таласног фронта који стиже са сваке тачке предмета било практично раван (за врло удаљене предмете), било испупчен сферни (за ближе предмете), у удубљен сферни, са ког се сви таласи срећу у фази у центру сфере, где стварају физичку слику односних тачака предмета.
Опис склопа за стварање оптичке слике
Основни део склопа за стварање оптичке слике је објектив који ствара слику предмета. Он представља стварни, или физички део склопа, уз гранични (физички) отвор и оптичку слику. Склоп чија је основна намена посматрање слике коју ствара објектив користи и окулар као додатни физички део склопа.
Основна обележја склопа непосредно везана за његове стварне делове су пречник граничног отвора (D) и жижна даљина објектива (ƒ). Из ова два обележја изведено је треће основно обележје склопа, жижни, или фокални рацио, F=ƒ/D.
Уз стварне делове, за опис склопа за стварање оптичке слике неопходни су додатни, геометријски елементи, који су, као и сама жижна даљина склопа, непосредно или посредно везани за оптичке зраке као апроксимацију простирања светлости, и основе за одређивање геометриских и физичких својстава оптичке слике. У ове елементе спадају: оптички отвори склопа размаци унутар склопа углови оптичке равни склопа кардиналне тачке склопа таласни фронт
thumb|3. СКЛОП ЗА СТВАРАЊЕ ОПТИЧКЕ СЛИКЕ Слика десно приказује основне елементе оптичког склопа. Горе су приказани стварни делови склопа - гранични отвор и оптички елементи, са замишљеним сликама граничног отвора које оптички елементи стварају, и које су независне од предмета и његове слике - као и обележја непосредно везана за оптичке елементе: предња и задња жижа, и оптичка оса.
У средини су приказана својства везана за оптичке зраке који пролазе кроз склоп: предмет и његова слика, главни (средишњи) зраци за тачку на оптичкој оси (А-А') и ваносну тачку (Б-Б'), ивични зраци за ове тачке, упадни, или улазни угао ваносног зрака (α), као и његов излазни угао (α'), под којим стиже у тачку слике Б'.
Доле су приказане основне равни склопа, раван предмета, слике, тангенцијална (или меридијанска) и сагитална раван, као и раван излазног отвора. Равни нормалне на оптичку осу - раван предмета, слике и излазног отвора - имају координатни систем са средиштем у пресеку равни и осе, који се користе у прорачуну путања зрака и оптичких аберација које из њих проистичу.
Гранични отвор
Гранични отвор склопа за стварање слике је отвор који физички ограничава простирање светлости. Облик отвора је по правилу кружни, мада постоје изузеци, у случају склопова за посебне намене.
У физичкој оптици, геометријска својства граничног отвора - облик и величина - као и својства преноса светлости на целокупној његовој површини, непосредно одређују својства физичке слике тачке, а тиме и својства проширене слике, састављене од слика тачки предмета.
Пречник уобичајеног, кружног граничног отвора склопа одређује његову раздвојну моћ, као и површину отвора, која одређује његову светлосну моћ.
Објектив
Објектив је део склопа који ствара оптичку слику. Састоји се од једне или више оптичких површина са оптичком моћи, тј. са способношћу промене облика таласног фронта (у смислу оптичких зрака, са способношћу одбијања или преламања зрака). Најједноставнји објектив је удубљено огледало, док се сложенији облици објектива састоје од више огледала, више сочива, или од огледала и сочива.
У уобичајеним, осно симетричним склоповима, линија која пролази кроз центар оптичких елемената и око које су ови симетрично распоређени, назива се оптичка оса склопа.
Оптички елемент
Оптички елемент је или рефлективна површина, или комад израђен од проводног оптичког материјала. Најчешће употребљаване рефлективне површине су удубљена, испупчена и равна огледала. Најчешће коришћени комади проводног оптичког материјала су сабирна и расипна сочива, призме и равнострана плоча.
Основно својство оптичког елемента је способност да промени облик или преусмери смер кретања таласног фронта светлости. Или, у погледу оптичких зрака, способност да преломи или одбије оптичке зраке.
У начелу, средишња оса симетрије првог оптичког елемента је оптичка оса склопа у уобичајеним, осно симетричним склоповима.
Оптичка слика (геометријска или Гаусовска)
Оптичка слика је слика предмета коју ствара објектив. Геометријска оптичка слика, или Гаусовска слика, је теоретска слика предмета створена по принципима Гаусове оптике, или оптике првог реда. Аберација нема, и свака тачка предмета је путем оптичких зрака пресликана у тачку слике, тако да је слика, изузев у погледу величине, тачан одраз предмета. Њена величина је одређена увећањем слике објектива, а њен положај у простору даљином слике.
Даљина слике
thumb|4. ЖИЖНА ДАЉИНА И ДАЉИНА СЛИКЕ Место стварања оптичке слике је непосредно одређено жижном тачком зрака одбијених или преломљених на последњој оптичкој површини. Размак између последње оптичке површине и жиже, по правилу физичко растојање, назива се задња даљина жиже (енг. back focal length). У одсуству аберација, ова тачка се поклапа са Гаусовом жижом, која је описана као тачка у којој се сабирају до-осни зраци у Гаусовској апроксимацији.
Гаусова жижа
Гаусова жижа је геометријска слика тачке у оптичком склопу без аберација. Назив се примењује како за геометријску слику тачке на оптичкој оси склопа (А на слици 3), тако и за тачке у пољу слике (Б). У присуству аберација Гаусова жижа је у тачки пресека до-осних зрака оптичког отвора, који нису погођени аберацијама.
Из Гаусове жиже, зраци пројектовани у простор из ког долазе изгледају као да извиру из излазног отвора склопа: средишњи зрак за било коју тачку слике изгледа као да долази из средишта излазног отвора, док ивични зраци за било коју тачку слике изгледају као да долазе са ивице излазног отвора.
Класичне, или примарне аберације слике тачке - сферна, кома (аберација) и астигматизам - су дате за ову жижну тачку, али је величина аберације у сваком случају мања у другој жижној тачки, званој најбоља жижа аберације.
Разлика у удаљености Гаусове жиже од најбоље жиже у присуству аберација је по правилу врло мала у односу на оптичку удаљеност слике, и као таква у начелу занемарљива за геометријске величине које се из ње изводе. Најважније међу тим величинама су даљина слике објектива, фокални рацио склопа и увећање слике објектива.
Оптичка даљина слике објектива