מערכת אופטית

דיאגרמה של טלסקופ פשוט

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.

רכיבים

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.
• מקלט או חיישן - 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 האיזור הנצפה. המשדר צריך לפלוט אור בתחום אורכי הגל הנצפה על ידי המקלט. לדוגמה, מבזק (פלאש) של מצלמה.

מאפיינים

אופי התמונה

• 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. לדוגמא, 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.

איכות התמונה

• פונקציית תמסורת אופטית - אחד המאפיינים החשובים ביותר למערכת אופטית, שמגדיר באופן פיזיקלי את איכות המערכת ואת הרזולוציה שלה.
• מפתח נומרי
• 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.
• 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.
• אורך מוקד - המרחק מאחורי העדשה שאליו מתמקדות קרניים מקבילות או תמונה רחוקה מאוד.
• זווית ראיה - טווח הזוויות ממנו מתקבלת תמונה על הגלאי. זווית הראיה של העין היא כ-50 מעלות.
• מִפתח - שטח האלמנטים האופטיים שמהם נאסף האור לגלאי.

קיים קשר בין אורך המוקד, המפתח, זווית הראיה וההגדלה של מערכת אופטית.

$f/\#=N={\frac {f}{D}}\$