Оптическое изображение

Фрагмент рукописи "Оптики" Ньютона

Оптическое изображение — воспринимаемое глазом изображение, материальным носителем которого является электромагнитное излучение или свет. Лучи света при прохождении через оптическую систему (глаза, фотоаппарата (объектив)...) образуют определённым образом трансформированное изображение в воспринимающей структуре (на сетчатке, на экране, фотоматериале, фотосенсоре и др.) в соответствии с законами перспективы. (В отличие от стереофотоизображения оптическое изображение отличается тем, что cпроецированное на фокальную поверхность изображение — всех точек объекта, трансформированы одним объективом, с одной позици, одного не кодированного изображения).

На практике часто меняют масштаб изображений, используемых для визуального просмотра, например при проекции их на какую-либо поверхность или на объёмный носитель (например, туман).

Действительное и мнимое оптическое изображение

Максимальное соответствие оптического изображения реальному объекту достигается, когда каждая его точка изображается точкой. Иными словами, после всех отражений и преломлений лучи, вышедшие из одной точки предмета, в идеале, должны собраться в одну точку, причём в определённом месте. Такое оптическое изображение называют действительным, его можно спроецировать на плоскость экрана или фотоматериала и увидеть изображение. Действительное изображение создаётся такими оптическими системами, как объектив (например, диапроектора или фотоаппарата), одна положительная линза или просто отверстие в камере-обскуре.

Мнимое оптическое изображение - такое, которое можно видеть глазом. При этом каждой точке предмета соответствует выходящий из оптической системы пучок лучей, которые, если бы продолжить их обратно прямыми линиями, сошлись бы в одной точке; возникает видимость, что пучок выходит именно оттуда. Мнимое оптическое изображение создаётся такими оптическими системами, как бинокль или микроскоп (В глазу оптическое изображение попадая на сетчатку глаза формирует изображение. Аналогично как на фотобумаге, или слайдовой фотоплёнке).

Пучок лучей, который расходится из одной точки или сходится в ней, называется гомоцентрическим. Ему соответствует сферическая световая волна. Задача большинства оптических систем - преобразовывать расходящиеся гомоцентрические пучки в гомоцентрические же, тем самым создавая мнимое или действительное оптическое изображение, чаще всего, в другом масштабе по отншению к предмету. Параллельный пучок можно считать предельным случаем гомоцентрического.

Стигматическое изображение

Стигматическое изображение - оптическое изображение, каждая точка которого соответствует одной точке изображаемого оптической системой объекта. Строго говоря, подобное соответствие возможно лишь в идеальных оптических системах при условии, что отсутствуют или устранены все аберрации (такое оптическое изображение называют стигматическим, от гр. stigma — укол, рубец). Свет, создающий стигматическое изображение, состоит из идеально гомоцентрических пучков.

Использование сугубо абстрактного понятия стигматического изображения позволяет создать теорию иконических оптических систем, в которой материальные оптические объекты заменены их геометрическими образами (точки, линии, поверхности, области). Эту простейшую теорию широко применяют для приближенного решения многих задач прикладной оптики.

Оптическое изображение, которое геометрически подобно изображаемому объекту, называют ортоскопическим (см. также дисторсия).

Теория светового поля

Оптическое изображение — распределение света в пространстве, воспроизводящее форму и положение светящих объектов, характер их свечения и оптические свойства среды, в которую они светят.

ОИ является основным понятием феноменологического раздела фотометрической теории светового поля, определяющим сложнейшую кусочно-непрерывную пространственную структуру световых полей. Различают рассеянные, размытые и «четкие» ОИ.

Рис.1. Структура рассеянного ОИ в сечении светового поля параллепипеда

Любой светящий объект излучает в пространство свое рассеянное ОИ, пространственный рисунок (геометрическая структура) которого определяется формой объекта. Например (см. рис.1), рисунок рассеянного ОИ светящего прямоугольного параллелепипеда состоит из 26 зон, образованных бесконечным продолжением плоскостей 6 граней параллелепипеда. Из них 6 зон являются чистым изображением граней параллелепипеда, 12 – изображением ребер, где смешиваются (складываются) чистые изображения смежных граней, и 8 – изображением вершин, где складываются изображения трех образующих вершину граней. Зоны изображения определяют видимость объекта и его деталей. Наблюдатель, находящийся в зоне чистого изображения грани, может видеть только эту грань. В зоне вершины он увидит три грани, образующих данную вершину.

Рис.2. Переход сравнительно четкого ОИ бесконечной улицы в камере-обскуре с отверстием 4х6 см в размытое ОИ улицы в комнате с окном 150х210 см.

Затененное (диафрагмированное) другими объектами рассеянное ОИ светящего объекта преобразуется в повернутое на 180° размытое ОИ. Размытое ОИ воспроизводит не только форму и положение светящего объекта, но и форму диафрагмы, проецирующей это ОИ. Поэтому геометрия (структура, рисунок) размытых ОИ является более сложной, чем четких изображений. В размытом ОИ уже действуют все законы перспективы, определяющие геометрию воспринимаемых нами зрительных образов внешнего мира. Стягивание диафрагмы в точку превращает размытое ОИ в идеальное, стигматическое четкое ОИ. Существование этого самого обширного класса естественных ОИ наглядно демонстрирует камера-обскура или комната, окно которой проецирует на ее поверхности размытое ОИ светящих объектов внешней среды (см. рис.2).

Именно объективное свойство света создавать естественные размытые ОИ светящих объектов направило эволюцию органов зрения животных и человека по пути формирования глаза – природного оптического устройства, проецирующего естественные четкие ОИ.

См. также

• Изображение
• Стереофотоизображение
• Перспектива
• Оптическая система
• Оптические устройства
• Тонкая линза

Литература

• Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.
• Бахарев Д.В. «О структуре световых полей» // Светотехника. — М.: 2005. — № 3. — С. 40-44+1-ая стр. обложки журнала.
  Bakharev D.V., About the Structure of Luminous Fields // Light & Engineering. Vol.13. No3. pp. 39-43, 50, 51. 2005. Znack Pablishing House, Moscow
• Бахарев Д.В., Орлова Л.Н. «Изображение оптическое (к определению основного понятия теории светового поля)» // Светотехника. — М.: 2007. — № 2. — С. 4-7.
  Bakharev D.V, Orlova L.N., Optical Image: Revisiting the Basic Concept of the Light Field Theory // Light & Engineering. Vol.15. No.3. pp. 33 - 37. 2007. Znack Pablishing House, Moscow