Что такое числовая апертура
Что такое числовая апертура
В предыдущих разделах * данной главы обсуждался процесс прохождения света по оптическому волокну. В данном разделе будут обсуждаться требования для приема лучей в оптическое волокно.
Как отмечалось в разделе 3.1.7, для успешного прохождения света по оптическому волокну он должен войти в волокно и отражаться от оболочки с углами, большими критического. Из-за того, что в результате преломления направление распространения( световых лучей меняется, для успешного прохождения луча по оптическому волокну накладываются ограничения на угол, под которым луч может поступить в сердечник. Любой луч, падающий на оболочку под углом меньше критического, проникнет в оболочку и будет потерян. Это показано на рис. 3.10.
Поскольку волокно цилиндрическое, входящие в волокно лучи образуют конус. Все лучи, входящие в сердечник изнутри этого конуса, будут падать на оболочку под углом больше критического, поэтому смогут благополучно распространяться вдоль волокна. Этот конус называют «конусом приема» (рис. 3.11).
Рис. 3.10. Луч света, проникающий в сердечник волокна
Рис. 3.11. Конус приема оптического волокна
Половина (θ1) от угла при вершине конуса приема называется «углом приема». Его величина зависит, от показателей преломления сердечника, оболочки и воздуха (причем у воздуха показатель преломления 1) или любого другого материала источника света. Луч света, входящий в сердечник под углом, большим θ1 будет рассеиваться в оболочке. Луч света, входящий под углом ровно θ1, будет падать на границу сердечника и оболочки под (критическим) углом θC и будет двигаться параллельно этой границе.
Для указания собирательной способности волокна используется специальная мера. Она называется «числовая апертура» (numerical aperture). Числовая апертура представляет собой синус угла приема, то есть:
Ее можно выразить также через множитель коэффициентов преломления волокна.
Рис. 3.12,а. Волокна с различными числовыми апертурами, но с одинаковыми диаметрами
Рис. 3.12,б, Волокна с одинаковыми числовыми апертурами, но с различными диаметрами
Оптические волокна с большими апертурами или диаметрами принимают больше света, чем волокна с меньшими апертурами или диаметрами. Волокна с большими апертурами и диаметрами больше подходят для недорогих передатчиков, таких, как свето-диоды, которые не способны концентрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом. Однако недостатком волокна с такими параметрами является большая дисперсия (рассеяние) света, введенного в сердечник, а следовательно, и снижение полосы пропускания волоконной передачи (это обсуждается далее в разделах 3.5 и 3.6). С другой стороны, волокно с меньшей апертурой или диаметром будет иметь большую полосу пропускания. Это происходит потому, что в сердечник входят относительно параллельные лучи света и их дисперсия вдоль волокна будет меньше. Недостатком же в этом случае является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры), предоставляющих более узкие пучки света, и в более точном выравнивании передатчика и сердечника.
На что влияет апертура объектива микроскопа?
Объектив – это часть оптической системы микроскопа, которая отвечает за формирование увеличенного изображения. При покупке дополнительного объектива чаще всего обращают внимание на его кратность, ведь это напрямую влияет на увеличение самого оптического прибора. Но есть еще одна характеристика, которую не стоит игнорировать при выборе этого аксессуара, – числовая апертура объектива микроскопа.
Чтобы узнать значение этого параметра, достаточно взглянуть на корпус объектива. На нем должна быть надпись примерно такого плана: «100/1,25 oil 160/0,17». Это расшифровывается следующим образом:
В зависимости от модели объектива все эти цифры могут варьироваться, но порядок их остается неизменным. Вначале указывается кратность объектива, а после нее через косую черту – апертура. Причем нужно подчеркнуть, что именно «числовая». Существует еще и «угловая», но в явном виде ее нигде не пишут. Числовая и угловая апертуры связаны друг с другом сложной математической формулой.
Что такое числовая апертура микроскопа (объектива)? Это величина, которая говорит нам о том, какой разрешающей способностью будет обладать микроскоп при использовании выбранного объектива. Чем больше числовая апертура, тем более мелкие детали микроскоп сможет четко отобразить. Например, у нас есть два объектива – 40/0,65 и 40/1,3. Оба аксессуара дают одинаковое увеличение в 40 крат, но более четкую картинку мы сможем наблюдать при использовании объектива с апертурой 1,3. Мы сможем видеть более тонкие нюансы микроструктур и больше различий между близко расположенными элементами образцов. Грубо говоря, объектив 40/0,65 передаст более мутное изображение, чем объектив 40/1,3. Стоит отметить, что на малых увеличениях важность числовой апертуры не столь велика. На нее стоит обращать внимание только при выборе объективов свыше 40 крат.
В нашем интернет-магазине есть раздел, полностью посвященный объективам микроскопов. В нем вы найдете аксессуары для любительских и профессиональных моделей, отличающиеся друг друга увеличением, апертурой и посадочным диаметром. Наши консультанты всегда готовы помочь с выбором любых аксессуаров для ваших оптических приборов. Звоните или пишите!
Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru.
Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.
Числовая апертура в микроскопии
Возможно, глядя в микроскоп во время сеансов визуализации, вы заметили, что на линзе объектива написано не только увеличение, но и другое число, например NA = 1,4. Если вы когда-нибудь задумывались, что означает это число, мы можем помочь! Встречайте числовую апертуру!
Числовая апертура: не число для обычного пользователя.
Хотя числовая апертура имеет решающее значение для разрешения изображения, это не то число, которое понимают самые обычные пользователи микроскопов. Почему? Возможно, потому что, если вы случайный пользователь, использующий один микроскоп, у вас есть всего один объектив, и вы не можете изменить числовую апертуру своего объектива.
В большинстве случаев для объяснения числовых апертур используются уравнения. Чтобы предупредить вас заранее, я покажу вам два уравнения. Не волнуйтесь, они короткие и не должны пугать!
Почему стоит обращать особое внимание на апертуру объектива?
Так почему же вам вообще нужно заботиться о числовой апертуре объектива? Когда вы планируете свой эксперимент, вы, вероятно, думаете о том, какое увеличение вы собираетесь использовать, в конце концов, вам нужно иметь возможность видеть интересующую вас структуру.
Однако увеличение — ничто без достаточного разрешения, чтобы отличить интересующую вас структуру от всего остального в образце.
Объектив с большим увеличением и низкой числовой апертурой будет иметь низкое разрешение. Большинство компаний, занимающихся микроскопией, делают все возможное, чтобы сделать числовую апертуру как можно более высокой, но если вы находитесь в положении, когда вам нужно купить новый объектив для вашего микроскопа, обязательно проверьте числовую апертуру перед покупкой.
Числовая апертура — это число без единиц измерения, которое указывает углы, под которыми свет может попадать в объектив. Чем больше числовая апертура, тем больше света попадает в объектив и тем больше деталей вы видите. Когда в объектив попадает больше света, изображение становится ярче.
Как масло и вода влияют на числовую апертуру
При чем здесь иммерсионные объективы для воды и масла? Когда свет покидает образец и попадает в воздух (воду или масло), он преломляется. Преломление просто означает, что угол света изменяется на несколько градусов — он слегка меняет направление. Когда вы используете иммерсионную линзу в воде или масле, вы меняете степень преломления света на выходе из образца. Это увеличивает теоретический предел числовой апертуры вашего объектива. Насколько это меняет?
Где NA – числовая апертура
n = показатель преломления окружающей среды
α – половина угла светового конуса, который попадает в объектив
Показатель преломления воздуха — 1,0, воды — 1,33, масла — 1,56. Т.е. чем больше значение показателя преломления, тем больше значение числовой апертуры. Конечно, это уравнение просто говорит вам, какая числовая апертура теоретически возможна. Как я сказал выше, компании, занимающиеся микроскопией, делают все возможное, но нет ничего идеального, даже в мире микроскопии.
Следующее уравнение дает представление о том, каким образом разрешение объектива зависит от апертуры
NA — числовая апертура
λ — длина волны света
Чем больше становится апертура, тем меньше становится ваше разрешение и тем больше деталей вы сможете увидеть.
Итак, в следующий раз, когда вы будете сидеть в комнате с микроскопом, с уверенностью взгляните на это «другое число» на линзе объектива!
Добавить комментарий Отменить ответ
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.
Термины связанные с яркостью объектива.
Практические расчеты, определение глубины резкости и гиперфокального расстояния можно с помощью калькулятора грип для PDA и смартфонов на нашем сайте, выбрав из списка фотокамеру, дистанцию, фокусное расстояние и диафрагму.
Фокальная точка это точка, в которой параллельные световые лучи от бесконечно далекого объекта сходятся после прохождения через объектив. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, на которой находится эта точка, называется фокальной плоскостью. На этой плоскости, находящейся там, где расположена пленка в камере, объект виден резко и, как говорят, находится «в фокусе». При обычных фотообъективах, состоящих из нескольких линз, фокус можно отрегулировать таким образом, чтобы световые лучи от объекта, расположенного ближе, чем в «бесконечности», сходились в какой-то точке на фокальной плоскости.
Поскольку у всех объективов есть определенные аберрации и астигматизм, они не могут идеально сводить лучи от точки объекта, чтобы они образовывали истинную точку изображения (т.е. бесконечно малую точку с нулевой площадью). Другими словами, изображения образуются из комплекса точек, имеющих определенную площадь или размеры. Поскольку изображение становится менее резким по мере увеличения размеров этих точек, то эти точки называют «кругами нерезкости». Таким образом, один из факторов, определяющих качество объектива, это самая малая точка, которую он может образовать, или его «минимальный круг нерезкости». Максимально допустимый размер точки на изображении называется «допустимым кругом нерезкости».
Соотношение между идеальной фокальной точкой и допустимым кругом нерезкости и глубина резкости
Если известно гиперфокальное расстояние, то можно также использовать следующие формулы:
* ближняя точка ограничения расстояния =
гиперфокальное расстояние х съемочное расстояние/гиперфокальное расстояние + съемочное расстояние
Соответственно из этих правил вытекает следующее:
Если Вы хотите добиться максимальной глубины резкости используете небольшие фокусные расстояния (35 или 50мм например) прикрывайте до разумных пределов диафрагму, снимайте с относительно большого расстояния. (например 5 или 10 метров )
Область перед и позади фокальной плоскости, в которой изображение может быть сфотографировано как резкое изображение. Глубина фокуса одинакова по обе стороны фокальной плоскости (плоскости пленки) и может быть определена путем умножения минимального круга нерезкости на число F, независимо от фокусного расстояния объектива. В современных однообъективных зеркалках с автоматической фокусировкой процесс фокусировки осуществляется путем определения положения фокуса на плоскости изображения (плоскости пленки) при помощи датчика, который как оптически эквивалентен (увеличение 1:1) и расположен вне плоскости пленки, так и автоматически контролирует объектив, с тем чтобы ввести изображение объекта в область глубины фокуса.
Соотношение глубины фокуса и апертуры
Апертура (оптика)
Входная апертура — характеристика способности оптической системы собирать свет от объекта наблюдения. Если объект удалённый (как у телескопа или обычного фотообъектива) то апертуру измеряют в линейном виде — это просто диаметр светового пучка на входе в оптическую систему, который ограничивается апертурной диафрагмой и достигает изображения. В телескопах этот диаметр обычно равен диаметру первого по ходу света оптического элемента (линзы или зеркала). В фотообъективах (особенно широкоугольных) размер первой линзы, как правило, много больше входной апертуры и её размер уже следует рассчитывать. Входная апертура объектива равна произведению его фокусного расстояния f’ на относительное отверстие или частному от фокусного расстояния на диафрагменное число. Если объект наблюдения близкий (как у лупы, объектива микроскопа или проектора), то апертуру измеряют в угловом виде — это угол светового пучка, исходящего из точек предмета наблюдения и попадающего в оптическую систему.
Апертурный угол — угол между крайним лучом конического светового пучка на входе (выходе из) оптической системы и её оптической осью.
Угловая апертура — угол между крайними лучами конического светового пучка на входе (выходе из) оптической системы.
* в волоконных оптических системах — синус максимального угла между осью и лучом, для которого выполняются условия полного внутреннего отражения при распространении оптического излучения по волокну. Она характеризует эффективность ввода световых лучей в оптическое волокно и зависит от конструкции волокна.
в световой микроскопии равна произведению показателя преломления среды между предметом и объективом на синус апертурного угла. Именно эта величина наиболее полно определяет одновременно светосилу, разрешающую способность объектива микроскопа. Для увеличения числовой апертуры объективов в микроскопии пространство между объективом и покровным стеклом заполняют иммерсионной жидкостью.Апертура объектива — диаметр D светового пучка на входе в объектив и целиком проходящего через его апертурную диафрагму. Эта величина также определяет дифракционный предел разрешения объектива. Для оценки разрешающей способности в угловых секундах используется формула 140/D, где D — апертура объектива в миллиметрах.