מערכת אופטית

מערכת הדמיה אופטית היא מערכת שמכוונת אור לצורך יצירת דמות של הסביבה, ולרוב גם חיישנים אשר קולטים את הדמות. דוגמאות למערכות אופטיות נפוצות הן עדשה, מצלמה והעין. מערכת אופטית במובנה הרחב ביותר היא מערכת אשר מובילה ומכוונת אור לכל צורך שהוא, לאו-דווקא ליצירת דמות, כגון תאורה או קירור באמצעות לייזרים. ערך מורחב – מצלמה אלמנטים אופטיים - שהם מערכת עדשות או מראות, שתפקידה לקלוט את האור במפתח החיצוני (הקדמי ביותר) וליצור תמונת דמות על החיישן. מערכת העדשות צריכה להעביר כמות אור גדולה ככל האפשר, בכל תחום האור הנראה, עם עיוותים (אברציות) קטנים ככל האפשר. לצורך כך המצלמות הטובות ביותר מצוידות במערכת עם מספר רב של עדשות המיוצרות בדייקנות. גלאי (נקרא גם חיישן או מקלט) - בעבר האור נקלט בסרט צילום, כתשליל, שפותח לתמונה לאחר מכן. כיום מצלמות מצוידות בהתקנים אלקטרוניים (CCD או CMOS) אשר קולטים את האור ומתרגמים אותו למתחים וזרמים, אשר נשמרים במדיה דיגיטלית. משדר - במערכות אופטיות אקטיביות (ראו בהמשך) המערכת מאירה את האזור הנצפה. המשדר צריך לפלוט אור בתחום אורכי הגל הנצפה על ידי המקלט. לדוגמה, מבזק (פלאש) של מצלמה. מערכות אקטיביות - מערכות אופטיות אקטיביות הן מערכות אשר מאירות את הסביבה הנצפית. מערכות כאלו שימושיות כאשר אזור התמונה קרוב למצלמה, קטן בשטחו, ואין בו אור רב. לדוגמה, אנדוסקופ אשר מאיר את פנים הגוף (שבו אין כלל אור), או מצלמה רגילה הפועלת עם מבזק (פלאש). מערכות פאסיביות - מערכות אשר יוצרות דמות מהאור אשר נפלט מהסביבה הנצפית. לדוגמה, מצלמה רגילה משתמשת באור המוחזר מהסביבה (כאשר לא משתמשים במבזק), מכיוון שבתנאי תאורת יום אין צורך בתוספת אור. טלסקופ משתמש באור הנפלט מכוכבים רחוקים, מכיוון שאין אפשרות להאיר אותם. מצלמת FLIR משתמשת בקרינת גוף שחור להבחנה בין עצמים בטמפרטורה שונה - הארה של העצמים הללו לא מועילה לזיהוי הפרש הטמפרטורות. אורך גל - מערכות אופטיות קיימות בכל תחום של אורכי גל. המוכרות ביותר הן מערכות עבור אור נראה, אך קיימות תצפיות אסטרונומיות (טלסקופים) בכל תחומי אורכי הגל, מגלי רדיו ועד קרני רנטגן. החיישנים שונים לחלוטין בתחומים שונים: במכ"ם נדרשת אנטנה שגודלה מספר סנטימטרים לפחות, עבור כל נקודת מדידה ("פיקסל"). לעומת זאת חיישנים של אור אינפרא-אדום ונראה הם בגודל של סנטימטרים בודדים או חלקי סנטימטר, כאשר גודלה של כל נקודת מדידה מספר מיקרונים. הגדלה (זום) - גודל האובייקט כפי שהוא נראה בעין ביציאה מהמערכת לעומת גודלו הנראה בעין ללא המערכת. הגודל מוגדר למערכת עדשות בלבד, שכן ניתן להגדיל באופן דיגיטלי את התמונה לאחר הצילום, אם כי בדרך זו לא ניתן להוסיף לתמונה פרטים. ככל שההגדלה גדולה יותר, קטן שדה הראייה של העדשה והמפתח הנומרי שלה, וגדל מספר f (ראו בהמשך). עדשה אשר מסוגלת להתכוונן לטווח של הגדלות נקראת עדשת זום, ובאופן טיפוסי היא מורכבת ויקרה יותר מעדשה רגילה. פונקציית תמסורת אופטית - אחד המאפיינים החשובים ביותר למערכת אופטית, שמגדיר באופן פיזיקלי את איכות המערכת ואת הרזולוציה שלה. אורך מוקד - המרחק שאליו מתמקדות קרניים מקבילות או תמונה רחוקה מאוד. אורך המוקד הוא גודל אפקטיבי עבור כל מערכת העדשות. אורך מוקד אחורי (BFL) הוא המרחק מאחורי העדשה למישור המוקד. מִפתח - קוטר או שטח האלמנטים האופטיים שמהם נאסף האור לגלאי. המפתח יכול להיות גודל אפקטיבי, כלומר שאין במערכת אלמנט אופטי בקוטר הזה. את המפתח יכולים להגביל לדוגמה: גודל העדשות, צמצם, הקופסה התוחמת את המערכת, או גודל הגלאי. מספר f (נכתב גם F או f#)- היחס בין אורך מוקד העדשה למפתח שלה, f # = F = f D   {\displaystyle f\#=F={\frac {f}{D}}\ } . מספר f הוא המאפיין העיקרי של עדשות עבור מצלמות, משקפות וטלסקופים. זווית ראייה (שדה ראייה) - טווח הזוויות ממנו מתקבלת תמונה על הגלאי (תחום הזוויות של האור הנאסף אל תוך המערכת האופטית). זווית הראייה של העין היא כ-50 מעלות, אם כי בעין הגבול אינו חד כמו במערכות מלאכותיות. מפתח נומרי (NA) - הוא מדד נוסף לשדה הראייה של המערכת, כלומר לזווית האור הנכנס שנקלטת בגלאי. המפתח הנומרי הוא המאפיין העיקרי של מיקרוסקופים, והוא מוגדר N A = n ⋅ sin ⁡ θ {\displaystyle NA=n\cdot \sin \theta } , כאשר   n {\displaystyle \ n} הוא מקדם השבירה של התווך ו-   θ {\displaystyle \ \theta } היא מחצית זווית הראייה. לרוב התווך הוא אוויר ובמקרים אלו   n = 1 {\displaystyle \ n=1} . קיים קשר בין המפתח הנומרי למספר f, על פי N A = n sin ⁡ θ = n sin ⁡ arctan ⁡ D 2 f {\displaystyle NA=n\sin \theta =n\sin \arctan {\frac {D}{2f}}} . עבור מספר f גדול מקיים בקירוב N A ≈ n D 2 f ≈ n 2 f # {\displaystyle NA\approx {\frac {nD}{2f}}\approx {\frac {n}{2f\#}}} . או לחלופין f # ≈ 1 2 N A {\displaystyle f\#\approx {\frac {1}{2NA}}} . רזולוציה - מספר הפיקסלים בתמונה, שהם מספר הנקודות השונות שנדגמות בתמונה. הרזולוציה נמדדת לעיתים במגה-פיקסל (כמה מיליוני פיקסלים מצויים בחיישן), או באופן יותר מפורט בגודל המטריצה (אורך כפול רוחב) ופסיעה (pitch) שהיא גודל הפיקסל ונמדדת במיקרונים. מקדם מילוי - כמה משטח הגלאי מוקדש בפועל לבליעת אור וכמה "מבוזבז" לצרכים אחרים. גודל זה כפול הגודל הפיזי של הגלאי קובע כמה אור נקלט בגלאי. רעש - הרעש במצלמה הוא "שגיאת הקריאה" שלה, כלומר ההפרש בין מדידת האור במצלמה לאור שקיים בתמונה האמיתית. לרעש יש מקורות רבים בהם רעש סטטיסטי של האור הנכנס (shot noise), רעש של האלקטרוניקה בגלאי, כיול המערכת ועוד. רעשים מתחלקים באופן הכללי ביותר לרעש מרחבי, שהוא ההבדל בין הקריאה של פיקסלים שונים, ואינו תלוי בזמן, ולרעש זמני, שהוא ההבדל בין קריאות נפרדות של אותו פיקסל, ויכול להיות שונה בין פיקסלים. אברציות - עוותים בתמונה הנגרמים מכך שהיא גדולה ביחס לקירוב הפאראקסיאלי, שמניח זוויות קטנות מאוד של מהלך קרני האור במערכת. באופן מעשי בכל מערכת אופטית קיימות אברציות, וכדי לתקנן יש לתכנן אלמנטים אופטיים כך שיפחיתו את האברציות, או להוסיף אלמנטים שיתקנו אותן. ערך מורחב – אברציה אופטית אברציות או עוותים הן הבדלים בין המקור לתמונה, שנוצרים עקב המעבר במערכת העדשות. רעש במערכת אופטית הוא שגיאת הקריאה של הגלאי. גורם נוסף לשיבוש תמונה הוא מעבר האור באטמוספירה, שאינה אחידה לחלוטין. קיימים מספר סוגי הפרעות, בהם: בליעה - האטמוספירה בכדור הארץ בולעת את רוב הגלים האלקטרומגנטיים, מכיוון שהיא מורכבת ממספר גזים שבולעים בנפרד קרינות שונות (ראו איור). טורבולנציה - שם כללי לתופעות של מעבר חלקיקי אבק במסלול האור. גלאים מודרניים, במערכת אופטית המצלמת באור נראה, מזהים אור באמצעות בליעתו במוליך למחצה, ונחלקים לשתי קבוצות עיקריות: גלאי CCD גלאים המבוססים על טכנולוגיית CMOS מצלמה אור עדשה נקודות קרדינליות