Műszaki Optika

Dr. Ábrahám, György

Dr. Wenzelné Gerőfy, Klára

Dr. Antal, Ákos

Dr. Kovács, Gábor

A tananyag a TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0042 azonosító számú „ Mechatronikai mérnök MSc tananyagfejlesztés ” projekt keretében készült. A tananyagfejlesztés az Európai Unió támogatásával és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Dr. habil Ábrahám György (1. fejezet) egyetemi tanár, BME-MOGI

Dr. habil Wenzel Klára (4. fejezet és CIE szótár) egyetemi tanár

Dr. Antal Ákos (2., 3., 5., 6., 7. fejezetek ) egyetemi adjunktus, BME-MOGI

Dr. Kovács Gábor (2., 3. fejezetek ) tudományos munkatárs, BME-MOGI

Kézirat lezárva: 2014 február

Lektorálta: Dr. Kalló Péter

További közreműködő: Németh Zoltán

A kiadásért felel a(z): BME MOGI

Felelős szerkesztő: BME MOGI

ISBN 978-963-313-202-9

2015


Tartalom
1. A képalkotás alapjai
1.1. Fénytani alapismeretek
1.1.1. A fény tulajdonságai
1.1.2. Fény terjedése közegekben. A törésmutató és az Abbe-szám
1.1.3. A fény viselkedése közegek határfelületein
1.2. A geometriai optika alapjai
1.2.1. A geometriai optika alaptörvényei
1.2.2. Előjelszabályok (megállapodások)
1.2.3. Egyetlen gömbfelület képalkotása
1.2.4. Kardinális elemek: fősíkok, főpontok, csomópontok
1.2.5. Newton-formula
1.2.6. A vékony lencse
1.2.7. A lineáris, longitudinális és szögnagyítás
1.3. Valóságos lencsék számításai
1.3.1. Vékony lencsék eredője
1.3.2. Légközzel elválasztott két vékony lencse eredője
1.3.3. A vastag lencse
1.3.4. Több felületből álló lencserendszerek
1.4. Teleszkopikus rendszerek
1.4.1. Kepler-távcső (csillagászati távcső)
1.4.2. Galilei-távcső (színházi vagy terresztikus távcső)
1.5. Rekeszek
1.5.1. Apertúrarekesz
1.5.2. Mezőrekesz, nyílások
1.6. Képméret, képszög, fősugár
1.7. Optikai átviteli függvények
1.7.1. Elemi alakzatok képalkotása
1.7.2. Az optikai átviteli függvény rendszertechnikai származtatása
1.7.3. Az optikai átviteli függvények szemléletes magyarázata
1.7.4. Az apertúrafüggvény és kapcsolata az optikai átviteli függvénnyel
1.7.5. Aberrációmentes optikai rendszer átviteli függvénye
1.7.6. Sorba kapcsolt rendszerek átviteli függvénye
2. Radiometria – fotometria
2.1. A radiometria és a fotometria jelölésrendszere
2.2. Optikai sugárzás
2.3. A térszög
2.4. Radiometriai és fotometriai mennyiségek és egységek
2.5. A távolságtörvény
2.6. A Lambert-féle koszinusztörvény
2.7. Fotometriai és radiometriai mennyiségek mérése
2.8. A vizuális fotometria
2.9. Objektív fotometria
2.10. A hőhatás elvén működő sugárzásmérés
2.11. Sugárzásmérés a fényelektromos hatás elvén
2.12. A fotográfiai hatáson alapuló sugárzásmérés
2.13. Denzitometrálás
2.13.1. Denzitásmérés gyakorlata
2.13.2. A denzitásmérés során alkalmazott fényforrások
2.13.3. A volfrámlámpa
2.13.4. A halogénlámpa
2.13.5. A geometriai viszonyok denzitásmérés során
2.13.6. Szabványos mérési eljárások
2.14. Izokromatikus, és heterokromatikus fotometrálás
2.15. Ellenőrző kérdések
Felhasznált irodalom
3. Fényforrások
3.1. A fényforrások működését leíró alapfogalmak és törvények
3.2. A sugárzás fontosabb törvényei
3.3. A Planck-törvény
3.4. A Wien-törvény
3.5. Rayleigh–Jeans-törvény
3.6. A Stefan-Boltzmann-törvény
3.7. Nem abszolút fekete-test jellegű sugárzók
3.8. A Kirchhoff törvény
3.9. Fényforrások hatásfoka
3.10. Fénykibocsátás az abszolút fekete test sugárzása alapján
3.11. A Nap sugárzása
3.12. Izzólámpák
3.13. Elektromos kisülés gázokban
3.14. Gázkisülő lámpa
3.15. Nagyintenzitású ívlámpák
3.16. Ellenőrző kérdések
Felhasznált irodalom
4. Színtan
4.1. Történeti áttekintés
4.1.1. A színtan kutatói
4.1.2. A színekkel foglalkozó szervezetek
4.2. Mit nevezünk színnek?
4.3. Az emberi szem; a színes látás
4.3.1. Az emberi szem szerkezete
4.3.2. Az ideghártya (a retina)
4.3.3. A szem látómezeje
4.3.4. A színérzékelő receptorok
4.3.5. A kontrasztfokozás
4.3.5.1. A káprázás
4.4. A színtévesztés
4.4.1. Mi a színtévesztés?
4.4.2. Genetikus háttér, a színtévesztés elterjedtsége
4.4.3. A színtévesztés optikai magyarázata
4.4.4. A színtévesztés típusai
4.4.5. A színlátás javításának elve
4.4.6. A színtévesztés mérése; a diagnózis
4.4.6.1. A pszeudoizokromatikus tesztek
4.4.6.2. Az anomaloszkóp
4.4.6.3. Új színlátás vizsgáló műszerünk: az Anomal Tester
4.4.6.4. Új színlátás vizsgáló tesztünk: a színlátás vizsgáló Atlasz
4.4.6.5. Tapasztalatok a színlátás-javító szemüvegekkel
4.4.6.6. A színlátás javító szemüveg viselésének hatása a színtévesztésre
4.5. A színek jellemzése
4.5.1. A színek spektrális jellemzése (MSz 9620)
4.5.1.1. A spektrális eloszlás és a spektrális sűrűség
4.5.1.2. A spektrális emisszió, a spektrális transzmisszió, a spektrális reflexió és a spektrális abszorpció
4.5.1.2.1. A spektrális emisszió, Φ(λ)
4.5.1.2.2. A spektrális transzmisszió, τ(λ)
4.5.1.2.3. A spektrális reflexió, ρ(λ)
4.5.1.2.4. A spektrális abszorpció, α(λ)
4.5.1.2.5. A spektrális emisszió, a spektrális transzmisszió és a spektrális reflexió összefüggése
4.5.1.2.6. A szín inger függvény (φ(λ))
4.5.2. A színek tristimulusos jellemzése
4.5.3. A színek pszichofizikai (köznapi) jellemzése
4.5.4. A színek fizikai jellemzése
4.5.4.1. A fény-színek
4.5.4.2. A festék-színek (felület-színek)
4.6. A színkeverés
4.6.1. Az additív színkeverés
4.6.2. A szubtraktív színkeverés
4.6.3. Összefüggés az additív és a szubtraktív színkeverés alapszínei között
4.7. A kiegészítő színek
4.8. A metameria
4.9. Az RGB és a CMYK színrendszer
4.9.1. A színes monitorok RGB színrendszere
4.9.2. A színes nyomtatás CMYK színrendszere
4.10. A gamut
4.11. A színmérő rendszerek
4.11.1. A CIE színmérő rendszer
4.11.1.1. A CIE RGB-színrendszer
4.11.1.2. A CIE xyY színrendszer
4.11.1.3. A CIE L*a*b* színrendszer
4.11.1.4. A 20°-os és a 100°-os CIE adatok
4.11.1.5. A normál színmérő észlelő
4.11.1.6. A spektrális fényhatásfok függvény
4.11.1.7. A Planck-féle fekete sugárzó („fekete test”)
4.11.1.8. A színhőmérséklet
4.11.1.9. A szabványos CIE fényforrások
4.11.1.10. A színvisszaadás
4.11.2. Színminta gyűjtemények és színminta alapú szín rendszerek
4.11.2.1. A Munsell színminta atlasz és színrendszer (1929)
4.11.2.2. Az NCS (Natural Color System) színrendszer (1979)
4.11.2.3. Az Ostwald színrendszer (1931)
4.11.2.4. A Coloroid színrendszer
4.11.2.5. A RAL színtervezési rendszer
4.11.2.6. Jean Bourges digitális színrendszere
4.11.2.7. A színminta gyűjtemények
4.12. A színmérés
4.12.1. A szín inger függvény
4.12.2. A színmérés elve és műszerei
4.12.3. A felületek reflexiójának térbeli eloszlása
4.12.4. A látómező látószöge
4.12.5. Színmérési módszerek
4.12.5.1. Színmintákkal történő összehasonlítás
4.12.5.2. A spektrális színmérés
4.12.5.3. A tristimulusos színmérés
4.12.5.4. A színmérés etalonjai
4.12.5.4.1. A spektrális reflexió mérés etalonjai
4.12.5.4.2. A spektrális transzmisszió mérés etalonjai
4.12.5.4.3. A spektrális emisszió mérés etalonjai
4.13. Az emberi színlátás modellezésén alapuló színrendszerek
4.13.1. A PDT színrendszer (Wenzel, 1991)
4.13.1.1. Az emberi szem spektrális érzékenységi függvényeinek meghatározása
4.13.1.2. A PDT színrendszer felépítése
4.13.2. Az OCS színrendszer
4.14. Ajánlott irodalom
5. Interferometria
5.1. Bevezető gondolatok
5.2. Történeti előzmények
5.3. A fény terjedési sebességének kérdése
5.4. Hullámtani alapfogalmak
5.5. A periodikus mozgás
5.6. Egyszerű harmonikus rezgőmozgás
5.7. Transzverzális hullámok
5.8. Amplitúdó és intenzitás
5.9. Frekvencia és hullámhossz
5.10. Fényinterferencia
5.11. A szuperpozíció elve
5.12. Egyszerű harmonikus rezgőmozgások összeadása egy egyenes mentén
5.12.1. Két azonos frekvenciájú hullám szuperpozíciója
5.13. Lézer interferometria
5.14. Amplitúdóosztás. Michelson-interferométer
5.15. Ellenőrző kérdések
Felhasznált irodalom
6. A távcső, mint látószögnövelő eszköz
6.1. A távcsövek csoportosítása
6.2. Történeti áttekintés
6.3. Tükrös távcsövek története
6.4. A Magyarországi csillagászati megfigyelések története
6.5. A lencsés távcsövek optikai rendszere
6.6. Tükrös-távcsövek
6.7. A Newton távcső
6.8. Cassegrain távcső
6.9. A Schmidt távcső (Schmidt kamera)
6.10. Maksutov távcsövek
6.11. Ellenőrző kérdések:
Felhasznált irodalom
7. A mikroszkóp mint optikai rendszer
7.1. Bevezető fogalmak
7.1.1. A látószög növelése
7.1.2. A mikroszkóp és a mikroszkópos képalkotás
7.1.3. A mikroszkópos képalkotás értelmezésének eszköztára
7.1.4. A mikroszkóp, mint finommechanikai eszköz
7.1.5. A képrögzítés, megfigyelés és nagyítás
7.1.6. Válogatott fejezetek a mikroszkópia történetéből
7.1.7. A mikroszkópos észlelés alapfogalmai
7.1.8. A szem felbontóképessége
7.1.9. A térlátás
7.1.10. A kép tulajdonságai
7.1.11. A kép világossága és kontrasztossága
7.1.12. Numerikus apertúra
7.1.13. A mélységélesség
7.1.14. A kép nagyítása
7.1.15. A kép látómezeje
7.1.16. Felbontóképesség
7.2. Az egyszerű és összetett mikroszkóp felépítése és megvilágítása
7.2.1. Az átviteli függvény
7.2.2. Az egyszerű mikroszkóp nagyítása
7.2.3. Az összetett mikroszkóp felépítése és nagyítása
7.2.4. A tárgy megvilágítása
7.2.5. Köhler-féle megvilágítás
7.3. A mikroszkóp képalkotást végző optikai rendszerei
7.3.1. A mikroszkopizálás során alkalmazott optikai rendszerek és tulajdonságaik
7.3.2. A mikroszkópok legfontosabb képalkotó optikai rendszerei
7.3.3. Az objektív
7.3.4. A mikroszkóp objektívek képalkotási hibái
7.3.5. Akromátok
7.3.6. Apokromátok
7.3.7. Speciális objektívek
7.3.8. Okulárok
7.3.9. A főbb okulártípusok
7.3.10. Speciális okulárok
7.3.11. Az okulárok szerkezeti kialakítása
7.3.12. Kondenzorok
7.4. Ellenőrző kérdések
Felhasznált irodalom
A. CIE szótár
Az ábrák listája
1.1. Spektrumszínek és spektrumvonalak
1.2. Az optikában használatos anyagok a törésmutató és az Abbe-szám függvényében
1.3. Képalkotás a Fermat-elv alapján
1.4. Fénytörés két közeg határán
1.5. A totálreflexió
1.6. Az optikai szál működési elve
1.7. A síkpárhuzamos lemez
1.8. Gömbfelület képalkotása
1.9. Vázlat a Lagrange-féle invariánshoz
1.10. A fősíkok és a főpontok szerkesztése
1.11. A csomópontok származtatása
1.12. Vázlat a csomópontok helyének számításához
1.13. Vázlat a Newton-formulához
1.14. Vázlat a vékonylencse számításhoz
1.15. A lineáris nagyítás számítása
1.16. A szögnagyítás számítása
1.17. Vázlat az eredő gyújtótávolság számításához
1.18. Vastag lencse
1.19. Vázlat a vastag lencse fősíkjainak számításához
1.20. A Kepler-távcső
1.21. A Galilei-távcső
1.22. Az apertúrarekesz
1.23. Elemi alakzatok szórásképei
1.24. Az optikai átviteli függvény, mint a rendszertani átviteli függvény analógiája
1.25. A csíkos tárgy képalkotása.
1.26. A modulációs átviteli függvény és a fázisátviteli függvény
1.27. A hullámaberráció értelmezése
1.28. Aberrációmentes rendszer átviteli függvényének szemléltetése
1.29. Aberrációmentes rendszer átviteli függvénye
1.30. Aberrációval terhelt és aberrációmentes rendszerek átviteli függvényei a rekeszelés függvényében
2.1. A szem érzékenységi görbéi [2.4.]
2.2. A térszög értelmezése
2.3. A Lambert-féle koszinusztörvény [2.4.]
2.4. Az áteresztési, visszaverési és elnyelési tényező értelmezése
2.5. A fotográfiai réteg jelleggörbéje [2.4.]
3.1. A Planck-törvény grafikus ábrázolása
3.2. A Wien-féle eltolási törvény szemléltetése
3.3. A Wien-féle eltolási törvény ábrázolása
3.4. Rayleigh–Jeans-törvény és a Wien-törvény
3.5. Különböző hőmérsékletű abszolút fekete test sugárzási görbéi
3.6. A Nap sugárzásának spektrális eloszlása m=0 a légkörön kívül; m=1 a Föld felszínén; a merőleges beesésnél; m=2 Nap állása 60°; m=3 Nap állása 70°
3.7. Különböző hőmérsékletű volfrámszálak kibocsátó képessége
3.8. Különböző hőmérsékletű volfrámszálak spektrális felületi fénysűrűsége
3.9. 2,5 kW teljesítményű higany-xenon ív fényességeloszlása
3.10. Nagynyomású higanyívlámpa spektrális eloszlása
4.1. A spektrum
4.2. Az emberi szem metszete
4.3. Egy pálcika és egy csap metszete
4.4. A retina metszete
4.5. A vörösre, zöldre és kékre érzékeny csapok elhelyezkedése a retinán
4.6. A csapok és a pálcikák 1 mm2-re jutó száma a retinán
4.7. A szem látómezeje
4.8. Marks, Dobelle és Mc Nichol 1964-ben publikált mérési eredményei
4.9. A Marks által kiértékelt mérési eredmények
4.10. Szín kontraszt és világosság kontraszt jelenség
4.11. A színtévesztés gyakorisága a férfiak között
4.12. A vörös-, zöld- és kék-érzékeny csapok spektrális érzékenysége
4.13. A színérzékelő receptorok spektrális eltolódásai
4.14. Protanomália
4.15. Deuteranomália
4.16. A színlátás javításának elve
4.17. Az optimalizálás elve a színlátás javító szemüveg tervezésénél
4.18. A pszeudo-izokromatikus tesztábra
4.19. Heidelbergi anomaloszkóp és látómezeje
4.20. Az anomaloszkópi mérés kiértékelése
4.21. Az Anomal Tester
4.22. Az Anomal Tester LED-jeinek spektruma
4.23. A színlátás vizsgáló Atlasz 3 sorozatának kezdő ábrája
4.24. Az elektromágneses sugárzás tartományai
4.25. A spektrális eloszlás függvény
4.26. Egy optikailag átlátszó réteg a fényt részben reflektálja, részben átbocsátja, és részben szórja
4.27. A Nap spektrális energia eloszlása
4.28. A transzmissziós tényező
4.29. Színes felületek spektrális reflexiója
4.30. A színinger kialakulása
4.31. Vörös, zöld és kék alapszín additív keveréke
4.32. Világos telített és sötét telített zöld szín spektruma
4.33. Világos telítetlen és sötét telítetlen zöld szín spektruma
4.34. Világos és sötét telített piros szín spektruma
4.35. Egyenlő energiájú szürke színek
4.36. Az additív színkeverés alapszínei
4.37. A színkeverés színháromszöge
4.38. A színinger kialakulása
4.39. A szubtraktív színkeverés alapszínei
4.40. Az additív alapszínek
4.41. Az additív alapszínek additív keverése szubtraktív alapszíneket eredményez
4.42. A szubtraktív alapszínek szubtraktív keverékei éppen az additív alapszíneket eredményezik
4.43. Kiegészítő színek
4.44. Kiegészítő színek a CIE színezeti háromszögben
4.45. A színes monitoron megjeleníthető színek
4.46. Ideális additív és szubtraktív alapszínek spektrális eloszlása
4.47. CRT (képcsöves) színes monitor fényének spektrális energia eloszlása
4.48. Szubtraktív alapszínek színpontjai
4.49. Egy színes nyomtató C, M és Y alapszínének és azok szubtraktív keverésével létrehozott R, G és B színének színpontja
4.50. Színegyeztetési kísérletek eltűnő éles látómezőben
4.51. A CIE RGB színmegfeleltető függvények
4.52. Az R, G és B alapszínek színterének ábrázolása
4.53. A befoglaló háromszög
4.54. A CIE X, Y és Z alapszín ingerek színterének ábrázolása
4.55. A CIE színmegfeleltető függvények
4.56. A CIE színezeti diagram vagy CIE színháromszög (népszerű nevén „papucsdiagram”).
4.57. A MacAdam ellipszisek
4.58. A CIE L*a*b* színrendszer
4.59. A spektrális fényhatásfok függvény
4.60. A Planck sugárzó
4.61. A Planck sugárzó spektrális energia eloszlása
4.62. A Planck sugárzó vonala a papucs diagramban
4.63. A korrelált színhőmérséklet vonalai
4.64. Az etalon színminták színpontjai
4.65. A színvisszaadási index számítási módszere
4.66. A Munsell-színkör 10 alapszíne
4.67. A Munsell alapszínek jelei
4.68. Egy szabályos hengeres szín-test
4.69. Reálisan megvalósítható színek háromdimenziós képe
4.70. Az NCS színkör
4.71. Az NCS Színatlasz egyik lapja
4.72. Ostwald színköre. A szemben elhelyezkedő színek kiegészítő színek.
4.73. Ostwald Szín-Atlaszának egyik lapja
4.74. Ostwald színkörének alapszínei a CIE színezeti diagramban
4.75. Harmonikus színhármasok
4.76. Négyes színharmóniák
4.77. A COLOROID színrendszer színköre
4.78. A COLOROID alapszínek jellemző hullámhossza a CIE színezeti diagramban
4.79. A COLOROID alapszínek színkoordinátái a CIE színezeti diagramban
4.80. A COLOROID színtest
4.81. A RAL színtest
4.82. A RAL színkör egy színsíkkal
4.83. RAL színkártyák
4.84. Jean Burges színköre
4.85. Jean Burges színrendszerének alapszínei a CIE színezeti diagramban
4.86. Színárnyalatok 10-10 fokozatban
4.87. Felületek reflexiójának típusai
4.88. A CIE szabványos mérési geometriák
4.89. Diffúzor gömb
4.90. A GretagMachbeth Color Box
4.91. DATACOLOR Handy spektrofotométer, 2000
4.92. Az AVANTES spektrofotométer és színmérő műszer optikai vázlata
4.93. Konica-Minolta 2600 CM-2600d színmérő műszer
4.94. A BME Finommechanikai, Optikai Tanszékén (ma: MOGI Tanszék) kifejlesztett kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer
4.95. A protos, a deuteros és a tritos spektrális érzékenysége
4.96. A színezeti diagram a PDT színrendszerben
4.97. Az intenzitásra normált csatorna függvény alakja, ezek az organikus színrendszer színkoordinátái
4.98. Az organikus színrendszer
4.99. Az OCS színtest
5.1. Pierre de Fermat (1601 – 1665)
5.2. Leonhard Euler (1707 – 1783)
5.3. Michael Faraday (1791 – 1867)
5.4. James Clerk Maxwell (1831 – 1879)
5.5. Albert Abraham Michelson (1852 – 1931) [5.11.]
5.6. Frits Zernike (1888 – 1966) [5.10.]
5.7. A Michelson interferométer
6.1. A Kepler-típusú távcső és sugármenete
6.2. A Galilei-típusú távcső és sugármenete
6.3. A terresztikus távcső és sugármenete
6.4. Lencsés képfordító rendszer
6.5. Prizmás képfordító rendszer
6.6. A mezőlencse szerepe
6.7. A Newton távcső
6.8. Cassegrain távcső
6.9. A Schmidt távcső
6.10. A Makszutov távcső
7.1. A látószög értelmezése
7.2. A mikroszkópizálás történetének meghatározó alakjai
7.3. A mikroszkópizálás történetének meghatározó alakjai
7.4. Az egyszerű mikroszkóp
7.5. Az összetett mikroszkóp
7.6. A Köhler-féle megvilágítás
7.7. A Köhler-féle megvilágítás vázlata
7.8. Objektív tartó revolver
7.9. A longitudinális és a transzverzális színhiba szemléltetése
7.10. Fedorow-asztal
7.11. Ramsden-okulár
7.12. A Huygens okulár
7.13. Egy szerelt mikroszkóp okulár
A táblázatok listája
1.1. A fény terjedési sebessége különböző anyagokban
1.2. Optikai üveg adatok
1.3. Optikai kristály adatok
2.1. Néhány fényforrás fényerőssége
2.2. Fontosabb fényforrások fénysűrűsége
2.3. Fontosabb megvilágítás értékek
2.4. Az emberi munkavégzéssel kapcsolatos megvilágítás szintjeinek jellegzetes értékei
2.5. A fontosabb radiometriai és fotometriai mennyiségek [2.4.]
6.1. A Cassegrain-rendszerek főé és segédtükteinek típusai