какое изображение дает лупа
Оптические приборы
Лупа. Это двояковыпуклая линза, предназначенная для рассматривания мелких предметов. Лупу всегда придвигают к предмету так, чтобы он располагался между ней и её фокусом. В этом случае лупа даёт прямое и увеличенное, хотя и при этом мнимое, изображение предмета.
Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, расходятся (см. чертёж). От кончика пламени мы провели «красные» лучи. Один – параллельно главной оптической оси линзы, второй – через её центр. Первый луч после преломления в линзе пройдёт через её фокус, а второй луч не изменит направление распространения. От основания свечи отходят два «синих» луча. Они проходят так же, как и красные – параллельно главной оптической оси линзы и через её оптический центр. И «красные», и «синие» лучи являются расходящимися. Поэтому лупа не может создавать изображений на экране; их нужно наблюдать только оптическим прибором: глазом, фотоаппаратом и т.п.
Проектор. В отличие от лупы, этот прибор предназначен для получения действительных изображений, которые можно спроецировать на экран и сделать видимыми многим зрителям одновременно (см. чертёж). Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы 4. Поэтому на экране 5 получается увеличенное действительное изображение.
Обратите внимание: красные лучи от верхней части слайда попадают в нижнюю часть экрана. И наоборот, синие лучи от нижней части слайда попадают в верхнюю часть экрана. Поэтому изображение на слайдах должно располагаться «вверх ногами».
Глаз. Орган зрения человека является сложным оптическим прибором. Основные части глаза: 1 – склера (плотная наружная оболочка), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (светочувствительная внутренняя задняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.
Свет от рассматриваемого предмета, попадая в глаз, проходит через хрусталик. Он является собирающей линзой, поэтому на сетчатке образуется действительное изображение предмета. Светлые и тёмные части, из которых оно образовано, по-разному воздействуют на нервные окончания, расположенные на сетчатке. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг, который «переворачивает» изображение и распознаёт его.
Одним из особенных свойств хрусталика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталик растягивается и становится менее выпуклым. При этом его преломляющая способность уменьшается, и мы можем чётко видеть более удалённые предметы.
Очки. Они предназначены для исправления таких дефектов зрения, как дальнозоркость и близорукость. Близорукий глаз хорошо видит только близкие предметы. Их чёткие изображения получаются на сетчатке глаза (чертёж «а»). Если же предмет далеко, то его чёткое изображение получается перед сетчаткой (чертёж «б»).
Для исправления близорукости поместим перед глазом рассеивающую линзу (чертёж «в»). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся. В результате он станет похожим на тот пучок, который попадал в глаз в случае «а». Следовательно, изображения окажутся на сетчатке, и близорукий человек отчетливо увидит далёкие предметы. Для дальнозорких людей нужны очки с собирающими линзами.
Оптические приборы.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: оптические приборы.
Как мы знаем из предыдущей темы, для более подробного разглядывания объекта нужно увеличить угол зрения. Тогда изображение объекта на сетчатке будет крупнее, и это приведёт к раздражению большего числа нервных окончаний зрительного нерва; в мозг направится большее количество визуальной информации, и мы сможем увидеть новые детали рассматриваемого объекта.
Почему угол зрения бывает малым? На то есть две причины: 1) объект сам по себе имеет малый размер; 2) объект, хотя и достаточно велик по размерам, но расположен далеко.
Невооружённый глаз.
Начинаем с рассматривания мелких объектов невооружённым глазом. Здесь и далее глаз считается нормальным. Напомним, что нормальный глаз в ненапряжённом состоянии фокусирует на сетчатке параллельный пучок света, а расстояние наилучшего зрения для нормального глаза равно см.
 |
| Рис. 1. Рассматривание мелкого предмета невооружённым глазом |
Если r расстояние от оптического центра глаза до сетчатки, то размер изображения на сетчатке будет равен:
Из (1) и (2) имеем также:
Укрупнить изображение объекта на сетчатке можно с помощью лупы (увеличительного стекла).
 |
| Рис. 2. Рассматривание предмета через лупу |
Размер l изображения на сетчатке теперь равен:
Как и на рис. 1, красная стрелочка на сетчатке также направлена вниз. Это означает, что (с учётом вторичного переворачивания изображения нашим сознанием) в лупу мы видим неперевёрнутое изображение предмета.
Таким образом, увеличение лупы есть угловое увеличение: оно равно отношению угла зрения при рассматривании объекта через лупу к углу зрения при рассматривании этого объекта невооружённым глазом.
Из формулы (8) следует, что увеличение лупы тем больше, чем меньше её фокусное расстояние. Уменьшение фокусного расстояния собирающей линзы достигается за счёт увеличения кривизны преломляющих поверхностей: линзу надо делать более выпуклой и тем самым уменьшать её размеры. Когда увеличение достигает 40–50, размер лупы становится равным нескольким миллиметрам. При ещё меньших размерах лупы пользоваться ей станет невозможно, поэтому считается верхней границей увеличения лупы.
Микроскоп.
Во многих случаях (например, в биологии, медицине и т. д.) нужно наблюдать мелкие объекты с увеличением в несколько сотен. Лупой тут не обойдёшься, и люди прибегают к помощи микроскопа.
Идея микроскопа проста. Рассматриваемый объект находится между фокусом и двойным фокусом объектива, так что объектив даёт увеличенное (действительное перевёрнутое) изображение объекта. Это изображение располагается в фокальной плоскости окуляра и затем рассматривается в окуляр как в лупу. В результате удаётся достичь итогового увеличения, гораздо большего 50.
 |
| Рис. 3. Ход лучей в микроскопе |
Обратите внимание, что красная стрелочка на сетчатке направлена вверх. Мозг вторично перевернёт её, и в результате объект при рассмотрении в микроскоп будет казаться перевёрнутым. Чтобы этого не происходило, в микроскопе используются промежуточные линзы, дополнительно переворачивающие изображение.
Это, разумеется, не окончательная формула: в ней присутствуют и (величины, относящиеся к объекту), а хотелось бы видеть характеристики микроскопа. Ненужное нам отношение мы устраним с помощью формулы линзы.
Для начала ещё раз посмотрим на рис. 3 и используем подобие прямоугольных треугольников с красными катетами и :
из которой получаем:
и это выражение мы подставляем в (9) :
Сравните это с увеличением одного только объектива, которое вычисляется по формуле (8) :
Увеличение микроскопа в 10 раз больше!
Объективом зрительной трубы служит собирающая линза (или система линз) с достаточно большим фокусным расстоянием. А вот окуляром может быть как собирающая, так и рассеивающая линза. Соответственно имеются два вида зрительных труб:
Рассмотрим подробнее, как работают эти зрительные трубы.
Труба Кеплера.
Принцип действия трубы Кеплера очень прост: объектив даёт изображение удалённого обекта в своей фокальной плоскости, а затем это изображение рассматривается в окуляр как в лупу. Таким образом, задняя фокальная плоскость объектива совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра.
 |
| Рис. 4 |
Увеличение зрительной трубы — это отношение угла зрения при наблюдении в трубу к углу зрения при наблюдении невооружённым глазом:
Согласно формулам (12) и (11) получаем:
Ход лучей в трубе Кеплера принципиально тот же, что и в микроскопе. Изображением объекта на сетчатке также будет стрелочка, направленная вверх, и поэтому в трубе Кеплера мы увидим объект перевёрнутым. Во избежании этого в пространстве между объективом и окуляром ставят специальные оборачивающие системы линз или призм, которые ещё раз переворачивают изображение.
Труба Галилея.
Галилей изобрёл свой телескоп в 1609 году, и его астрономические открытия потрясли современников. Он обнаружил спутники Юпитера и фазы Венеры, разглядел лунный рельеф (горы, впадины, долины) и пятна на Солнце, а сплошной с виду Млечный Путь оказался скоплением звёзд.
Окуляром трубы Галилея служит рассеивающая линза; задняя фокальная плоскость объектива совпадает с задней фокальной плоскостью окуляра (рис. 5 ).
 |
| Рис. 5. |
В отличие от микроскопа и трубы Кеплера, в трубе Галилея мы видим объекты неперевёрнутыми. Почему?
Лупа. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
Лупа – увеличительный оптический прибор, состоящий из одной или пары линз. Она используется для зрительного увеличения изображения и объектов, расположенных на конечном расстоянии от нее.
Где используется лупа
С помощью лупы можно зрительно увеличить предметы для их более детального осмотра. Также она может помочь сфокусировать изображение на глаз при плохом зрении. Она эффективней чем очки, но менее удобна, поэтому для этой цели используется не так часто.
Лупы применяют в качестве рабочего инструмента люди различных профессий:
С помощью лупы можно детально рассмотреть малозаметные для невооруженного человеческого глаза детали. В связи с этим это незаменимый инструмент для нумизматов, часовых мастеров и т.д.
Устройство лупы
В простом исполнении устройство представляет собой линзу, помещенную в оправу с рукояткой. Также возможно усложнение конструкции, к примеру, оснащение ее нескольким линзами, или применение специализированных корпусов, для их более удобного использования в том или ином направлении. Возможно наличие защитного чехла или подсветки.
Главная рабочая часть лупы – это ее линза. Она может быть изготовлена из разных материалов:
Наиболее качественной и долговечной является стеклянная линза. К сожалению, она более сложная в производстве, поэтому лупа с ней стоит дороже. Устройство со стеклянной линзой весит больше, зато оно менее подвержено риску получения царапины, что весьма неприятно для оптических приборов. Следующими по популярности, практичности и долговечности идут линзы из оптического полимера. Они немного легче стеклянных, но при этом почти такие же стойкие к механическому повреждению. Изделия из акрилового пластика наименее удобные и долговечные Изображение, прошедшее через них, получится немного размытым и искаженным. Кроме этого недостаток этого материала в его мягкости. Он достаточно легко царапается. Полученные в результате дефекты нужно отшлифовать. Для этого можно применить метод химической полировки, что позволит добиться практически идеальной гладкости линзы.
Как пользоваться лупой
Чтобы воспользоваться лупой, необходимо разместить ее в непосредственной близости от объекта исследования. Затем вглядываясь через ее линзу, нужно отдалять предмет, пока не удастся уловить фокус. Глаз при этом должен располагаться как можно ближе к лупе. В результате линза даст прямое зрительное увеличение объекта, что позволит его рассмотреть детально. Это объясняется тем, что лучи от изображения будут попадать на глаз под большим углом, чем в этих же условиях, но без лупы. Этот эффект провоцирует зрительное увеличение.
При работе с лупой имеется небольшой секрет – необходимо ее располагать не на расстоянии от глаза, а как можно ближе, но естественно не загородив доступ освещения. В результате этого будет отсутствовать зрительный контраст между увеличенной частью изображения на линзе в рамке лупы, и его реальным размером, просматриваемым сбоку. Именно в связи со столь большим видимым перепадом создается психофизическое явление, при котором эффект увеличения кажется меньшим, чем в реальности. На самом деле коэффициент увеличения от того насколько близко располагаются органы зрения от лупы не зависит. Просто на близком расстоянии хрусталик глаза работает более эффективно, что в сочетании с эффектом линзы дает максимальный результат увеличения.
Для большинства людей использующих лупу с нормальным зрением лучше всего держать ее на расстоянии 25 см от глаз. Особенность этого столь простого оптического прибора в том, что им могут пользоваться люди с различным состоянием глаз. Даже имея плохое зрение, сквозь нее можно просматривать четкое увеличенное изображение. Нужно просто найти индивидуальное расстояние наилучшего зрения.
При переворачивании в обратную сторону, она работает наоборот. Лупа визуально уменьшает изображение. Нужно отметить, что ее применение таким образом не рекомендовано людям с дальнозоркостью, так как это перенапрягает кристаллик глаза.
Степень увеличения
Лупы могут оснащаться линзой с разной кратностью увеличения. Именно этот параметр является приоритетным при выборе инструмента. Степень увеличения лупы выражается в диоптриях, как и у очков. Чем больше диоптрий у лупы, тем крупнее она увеличивает изображение. Здесь имеется один важный момент – степень увеличения и диоптрии это разные значения. Так, если устройство имеет 3 диоптрия, то оно зрительно увеличивает изображение всего на 1,75 раз.
Стоит отметить, что большой уровень увеличения лупы не всегда удобен. Не рекомендовано использовать устройство, технические возможности которого могут оказаться избыточными. Вся проблема в том, что чем крупнее увеличение, тем большее фокусное расстояние у линзы. То есть, если она увеличивает объект лучше, то тот должен находиться от него дальше. Это попросту может быть неудобным, особенно при выполнении работы с мелкими предметами.
Нестандартное применение лупы
Лупа является достаточно специфическим инструментом, так как может использоваться не только для визуального увеличения изображения. Ее также можно применять, чтобы:
Если пропустить сквозь линзу лупы солнечный свет и добиться такой фокусировки, чтобы образовать мелкую световую точку, то ее температура будет достаточной для возгорания. Таким образом, лупы могут применяться в качестве инструмента для получения огня. Однако недостаток этого способа в том, что его применение возможно только в дневное время в ясную погоду. При использовании лупы для розжига, нужно стараться концентрировать световую точку на поверхностях темных тонов. Светлые цвета отражают часть света, по этой причине возгорание может запоздать. Сигналом его начала является выделение дыма.
Если направлять луч через лупу, то с ее помощью можно выполнять выжигание на деревянных поверхностях, рисунков, надписей. Также с помощью этого инструмента получится паять пластиковые детали.
Виды по назначению
Лупа востребованный прибор, используемый в различных областях. В связи с этим классическая форма устройства подвергалась различным изменениям под тот или иной способ применения. На фоне этого появилось несколько видов луп, имеющих принципиальное отличие касательно техники их применения.
И так существуют следующие виды луп:
Обычная лупа представляется собой линзу в оправе с рукоятью. Это наиболее распространенная разновидность этого инструмента. Уровень ее увеличения обычно составляет до 5 раз, но может быть и больше. Таким устройство удобно увеличивать текст, а также различные мелкие предметы. Вся проблема в том, что в это время нужно держать лупу одной рукой. То есть, работать с ней не так удобно. Она больше подходит для изучения, чем для выполнения каких-то действий. Однако именно лупой такого типа проще всего разжечь костер.
Обычные лупы также производят в компактном складном виде. Они оснащаются чехлом, исключающим вероятность повреждения линзы при падении. Такие устройства оснащаются очень мелкими линзами, поэтому реальная польза от их применения не столь велика. Обычные лупы могут оснащаться системой подсветки. Ее наличие улучшает обзор увеличиваемого объекта.
Лупы в виде линеек предназначены для чтения. Они увеличивают сразу целую строку текста с мелким шрифтом, при этом устройство также может послужить в качестве закладки.
Для просмотра зерен напоминают стакан, вместо дна у которого располагается линза. С помощью такого устройства выполняется изучение семян, с целью оценки их здоровья, степени поражения насекомыми или других параметров. Этим устройствам можно диагностировать грибковое заболевание зерна. Сбоку лупы имеется вырез, через который и опускается зерно для осмотра. По низу выреза имеется бортик. Им исключается вероятность того, что семена рассыплются. Это устройство имеет рассчитанное фокусное расстояние, совпадающее с высотой стакана корпуса. Благодаря этому во время исследования зерна, устройство выставляется на стол.
Часовая лупа применяется специально для выполнения ремонта часов. С ее помощью можно нормально видеть мелкие детали, которые невооруженным глазом практически незаметны. Особенность работы часовщика в том, что он должен действовать двумя руками. Это не позволяет держать обычную лупу. В связи с этим линза помещается в окуляр, сделанный в виде короткой трубки. Корпус устройства прикладывается к глазу и удерживается в рабочем положении за счет сведения мимики лица. Это не очень комфортно, но практично.
Текстильная лупа применяется только в узкой специализации. С ее помощью выполняется осмотр брака при производстве тканей.
Лупы на струбцине представляют собой большую линзу, закрепленную на гибкой стойке. Та в свою очередь фиксируется к столешнице или другой поверхности струбциной. Это удобное простое оборудование, которое используют мастера маникюра, художники, врачи и т.д.
Большим спросом пользуются лупы лампы. Они необходимы для визуального увеличения объектов с большой детализацией. Это очень востребованное оборудование, применяемое художниками реставраторами, косметологами, медицинскими работниками.
6.1. Лупа
Простейший прибор, предназначенный для увеличения мелких объектов, лупа.
Лупа – оптическая система, состоящая из линзы или нескольких линз, предназначенная для наблюдения предметов, расположенных на конечном расстоянии.
Если рассматриваемый предмет расположен в передней фокальной плоскости лупы, то от любой точки предмета в глаз наблюдателя поступают пучки параллельных лучей. В этом случае наблюдатель рассматривает предмет без аккомодации (рис. 6.1). Лупа образует мнимое увеличенное изображение на расстоянии наилучшего видения от глаза – 250 мм. Предмет может располагаться и не в передней фокальной плоскости лупы, но в этом случае для рассматривания этого предмета через лупу глазу придется аккомодироваться.
Рис. 6.1. Оптическая схема лупы.
Рассмотрим основные характеристики лупы.
6.1.1. Видимое увеличение лупы
Согласно определению, видимое увеличение лупы вычисляется как отношение тангенса угла, под которым виден предмет через лупу, к тангенсу угла, под которым наблюдается предмет невооруженным глазом с расстояния наилучшего видения.
а) наблюдение невооруженным глазом
б) наблюдение через лупу
Рис. 6.2. Видимое увеличение лупы.
Тангенс угла, под которым виден предмет невооруженным глазом, легко можно вычислить по рис. 6.2 а): 
. Если предмет расположен в передней фокальной плоскости лупы (рис. 6.2 б), то угол наблюдения через лупу можно вычислить как 
. Тогда видимое увеличение лупы при отсутствии аккомодации глаза будет вычисляться следующим образом:
 . | (6.1) |
6.1.2. Диаметр выходного зрачка лупы
Вопрос об ограничении световых пучков следует рассматривать в системе «лупа-глаз». В этой системе пучок ограничивается оправой лупы и зрачком глаза. Обычно диаметр лупы гораздо больше диаметра зрачка глаза, поэтому апертурной диафрагмой и одновременно выходным зрачком системы «лупа-глаз» является зрачок глаза:
 . | (6.2) |
6.1.3. Поле зрения лупы
На рис. 6.3 представлена лупа диаметром 
. Зрачок глаза наблюдателя диаметром 
расположен на расстоянии 
от лупы.
Рис. 6.3. Поле зрения лупы.
Размер поля 
в пространстве изображений определяется лучом, идущим через верхний край оправы лупы и верхний край выходного зрачка:
 . | (6.3) |
Соответствующее ему поле в пространстве предметов составит:
 . | (6.4) |
Из выражения (6.4) следует, что для увеличения поля зрения лупы глаз следует располагать как можно ближе к лупе.
Лупы малого увеличения (до 
) обычно выполняются в виде двояковыпуклой линзы. Лупы более сильного увеличения (от 
до 
) состоят из двух-трех линз и дают возможность рассматривать предметы размером до 0.01 мм. Поле зрения таких луп может достигать 20°.