копления зарядов под второй шиной на нее подают низкий уровень, а высокий уровень одновременно подается на соседнюю шину, например, на третью, куда и перетекают заряды со второй шины (см. рис. 9,б,в). Затем высокий уровень подается на первую шину и все заряды перенесутся на первую фазу, т.е. произойдет смещение на один шаг. На рис. 9,д показана циклограмма последовательной смены смещений уровней на фазах. Более подробно принцип действия различных ПЗС рассмотрен в работе [73].

1.2.3. Краткие сведения о явлениях дисперсии, дифракции, поляризации и интерференции потока излучения

Явления дисперсии, поляризации, интерференции и дифракции потока излучения основаны на волновой природе света. Теорию о волновой природе света впервые выдвинул X. Гюйгенс в 1678 году.

В 1865 году Максвелл показал, что свет представляет явление волны электромагнитного поля (наличие переменного электрического поля Е неизбежно приводит к возникновению связанного с ним магнитного поля Н, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) [39].

Волны представляют собой процесс распространения гармонических колебаний с периодом T, амплитудой А и фазой

y т

За время Т частица совершит полное колебание, ее отклонение Y в каждый момент времени t можно вычислить по формулам [45]:

Y = Acosln —,

Т

2к Величину — = со называют угловой или круговой часто-

той колебаний, частотой колебаний f = — называют количе-

22

ство периодов в единицу времени, за один период Т волна распространяется на длину волны Х9 при этом скорость рас-

Я

пространения V - — = ЯЛ

Так как колебание может начаться в любой момент времени, то текущая фаза колебаний \|/ вычисляется как \\f = cot + ф0. Тогда уравнения (12) будут иметь вид:

При распространении колебаний вдоль некоторой прямой на расстоянии D от начала колебаний отклонение

Y = A sin [СО (t - ) + Фо1- (14)

Известно [39], что при отражении световой волны от более

плотной среды происходит потеря полуволны А(—), амплитуда

прошедшей волны всегда совпадает по знаку с падающей волной, т.е. векторы Е падающей и прошедшей волн софазны, аналогично ведут себя и векторы Н.

Основной принцип волновой теории [39]: каждая точка, до которой доходит сферическая волна, становится самостоятельным центром возбуждения.

Сферическая поверхность, огибающая эти элементарные волны в данный момент времени, указывает положение фронта распространяющейся волны.

На большом расстоянии от центра колебаний можно принять радиус волновой поверхности бесконечно большим, поэтому световые лучи, всегда перпендикулярные к волновой поверхности, можно считать на большом расстоянии параллельными.

И. Ньютон (1643-1727) предложил корпускулярную теорию распространения света. В 1905 году А. Эйнштейн изложил фотонную теорию, в которой излучение рассматривалось как поток фотонов, обладающих энергией, импульсом и мас-

23

сой движения. Таким образом, возникла корпускулярная теория света на волновой основе, что позволило объяснить в рамках одной теории интерференцию, дифракцию и другие сложные вопросы физической оптики.

Дисперсия потока излучения (света)

Дисперсией света называют явления, обусловленные зависимостью показателя преломления п вещества от длины волны X [45]. Для большинства прозрачных сред показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны.

Дисперсию подразделяют на два вида: угловую и линейную [67].

Угловая дисперсия определяет способность оптического элемента отклонять излучение с различными длинами волн X на разные углы 0.

Если лучи близких длин волн ХиХ + дХ отклоняются соответственно на углы

0 и 0 + d0, то угловая дисперсия вычисляется как производ-

dd

ная — .

аА

Характеристикой прибора в целом является линейная

dl

дисперсия, которая вычисляется как: — , где dl - расстояние

аА

на поверхности изображения между спектральными линиями, разность длин волн которых dX.

С явлением дисперсии связано такое важное понятие для

о Я прибора, как разрешающая способность К = -— - две моно-

оА

хроматические спектральные линии могут быть разрешены, если в суммарном распределении энергии при их регистрации имеется минимум в промежутке между двумя максимумами. Теоретически для случая безаберрационной оптической системы Релеем был выбран следующий критерий [28,75]: при распреде-

лении освещенности в изображении две монохроматические линии равной интенсивности могут быть разрешены, если центральный максимум в дифракционном изображении одной из линий совпадает с первым минимумом в изображении другой линии. Тогда освещенность посередине между максимумами составит 81% от освещенности в самих максимумах.

24

Согласно критерию Релея, две линии, находящиеся на уг-

Я

ловом расстоянии 8ф = —, видны раздельно (см. рис. 10).

Рис. 10. К объяснению критерия Релея

Характер дисперсии различных стекол различен, зависит от марки стекла.

Если лучи белого света пропустить через преломляющую призму, изготовленную из оптического стекла или кварца, то на экране получим цветную полосу в следующей последовательности цветов (рис. 11): красный (кт а х , wmin), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (A,min, итах).

Кроме использования призм спектры можно получить также с помощью дифракционных решеток и в результате явлений интерференции и дифракции.

Рис. 11. Спектральное разложение естественного света преломляющей призмой

25

Дифракция потока излучения (света)

Знание дифракции света необходимо для исследования и понимания принципов действия и пределов разрешения всех оптических приборов.

Из-за дифракции резкие границы распространения потока излучения расплываются, его энергия рассеивается.

Впервые на возможность "огибания" препятствий световыми волнами обратил внимание знаменитый художник и естествоиспытатель Леонардо да Винчи (1452-1519), более подробно ее описал в 1665 году Гримальди. Основоположником теории дифракции света считают Гюйгенса, ее значительно дополнил Френель, сформулировавший основной принцип дифракции (принцип Гюйгенса - Френеля) [7,39] (рис. 12):

1.Каждая точка воображаемой замкнутой поверхности Р является источником вторичной волны, амплитуда и фаза которой задаются реальным источником излучения.

2.Все вторичные волны когерентны и их комплексные амплитуды в любой точке наблюдения М можно складывать,

врезультате происходит интерференция вторичных волн.

3.Амплитуда вторичных волн уменьшается при увеличении угла дифракции ф, она максимальна при ф = 0.

Рис. 12. Пояснение принципа Гюйгенса - Френеля: п - нормаль; S - расстояние от точки на поверхности Р до точки наблюдения М; г - расстояние от точечного источника излучения ИИ до выбранной точки на поверхности Р

26

Необходимо помнить, что вторичные волны не имеют прямого физического смысла, их рассматривают лишь в качестве удобной модели для количественной оценки дифракционных задач, например, при вычислении распределения интенсивности потока излучения в области дифракции.

В голографии, например, дифракцию света рассматривают как интерференционное наложение световых волн, образующихся при разрушении фронта плоской волны [82].

Реальные оптические элементы (линзы, диафрагмы и т.д.) имеют конечные размеры, поэтому световая волна претерпевает дифракционную расходимость, которая характеризуется углом 0 ~ X/d, где 1 - длина волны, d - диаметр отверстия.

При дифракции каждая точка в изображении объекта будет иметь вид светлого пятна конечного размера, согласно описанного выше критерия Релея два таких пятна можно различить, если главный максимум одного из них совпадает с первым минимумом другого (см. рис. 10).

Точное распределение интенсивности в дифракционной картине получают с помощью дифракционного интеграла Фраунгофера [7] (рис. 13), при этом первый минимум освещенности (иначе радиус первого темного пятна) наблюдается

1 i i ^

здесь р = 206265". Например, две звезды с помощью зрительной трубы, имеющей диаметр объектива d = 40 мм, и при длине волны X = 0,55 мкм можно наблюдать раздельно, если угловое расстояние между ними не менее

На практике разрешающую способность объектива вы-

сокого класса вычисляют по формуле [17]:

27

На практике дифракцию широко используют. Так, например, известно [45], что, если на пути параллельного пучка когерентного потока лазерного излучения поместить зонную пластинку Френеля (рис. 13), то в некоторой точке Р0, нахо-

а

дящейся на расстоянии R ^ - — { а - радиус первой зоны), мож-

Я

но получить максимум света. Так как расстояния границ зон

Я

от точки Р0 отличаются на значение —, то действие прозрачных зон совпадает по знаку, в результате чего амплитуда волнового поля в точке Р0 будет гораздо больше, чем в отсутствие зонной пластинки. Т.е. зонная пластинка подобно линзе

Рис. 13. Зонная пластинка Френеля

В оптико-механической промышленности по виду дифракционного изображения точки контролируют качество оптической системы, такой метод контроля является высокочувствительным. Схема установки для контроля оптической системы (ОС) показана на рис. 14 [17].

28

Рис. 14. Схема установки для наблюдения дифракционного изображения точечной диафрагмы:

1 - лампа накаливания; 2 - конденсор; 3 - коллиматор; 4 - объектив коллиматора; 5 - проверяемая оптическая система; 6 - изображение точечной диафрагмы D в фокальной плоскости проверяемой оптической системы 5; 7 - микроскоп

Дифракционные изображения точечной диафрагмы показаны на рис. 15.

о0

Рис. 15. Дифракционные изображения точечной диафрагмы оптической системой:

а - при хорошем качестве ОС; б - при децентрировании; в - при отступлении поверхностей от правильной сферической формы; г - при дефектах стекла; д - при напряжениях

Широкое применение нашли дифракционные решетки, о них отдельно сказано при рассмотрении устройства электронных тахеометров.

Поляризация потока излучения (света)

Световая волна в любой точке пространства однозначно задается правовинтовой тройкой векторов (рис. 16, 17) Е (электрический вектор), Н (магнитный вектор) и V (фазовая скорость распространения волны).

29

В обычных условиях ИИ испускает неполяризованный (естественный) свет, при этом электрический и магнитный векторы вращаются произвольно относительно направления распространения волны.

X

С помощью специальных устройств из естественного света можно выделить луч, колебания электрического вектора

Е которого будут происходить в определенном направлении. Если эти колебания происходят только в одном направлении, то такой луч называют линейно- (или плоско-) поляризованным (рис. 18,6). Плоскостью поляризации называют плоскость, перпендикулярную той, в которой происходят колебания вектора Е , очевидно, что магнитный вектор Н расположен в плоскости поляризации. В том случае, когда можно выделить предпочтительное направление колебаний, говорят о частично поляризованном свете (возникает как смесь линейного поляризованного и естественного света).

Рис. 18. Поляризация света:

а - эллиптическая; б - линейная; в - круговая

30

Плоско-поляризованным является излучение газовых лазеров, частичную поляризацию имеют лучи полупроводниковых лазеров.

Для получения частично или полностью поляризованного света можно использовать поляризацию при отражении или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред (диэлектриков) [7,17].

При отражении от диэлектриков естественный свет линейно поляризуется, если тангенс угла падения численно равен относительному показателю преломления (закон Брюстера):

При отражении от плоской пластины из стекла К8 с показателем преломления п = 1,5, расположенной в воздухе, угол Брюстера £ = 57° (рис. 19).

Следует помнить, что закон Брюстера не выполняется при отражении света от металлов. Кроме того, при отражении от оптически более плотной среды (п2 > щ) в диапазоне углов падения от 0 до £ отраженная и падающая волны будут

31

-лад -прел

Рис. 21. Векторы Е, Н и V падающей, отраженной и преломленной волн

Интерференция потоков излучения

Интерференция света, как правило, происходит в области пересечения пучков света, распространяющихся от двух взаимно только когерентных источников излучения, имеющих одинаковую частоту и разность фаз, при этом колебания совпадают по направлению плоскости поляризации.

Интерференцией волн называют такое их взаимодействие, когда происходит перераспределение суммарной энергии волн в пространстве и образование максимумов и минимумов объемной плотности энергии излучения [7].

При сложении двух и более одинаково направленных гармонических колебаний с одинаковой частотой 0), но с разными амплитудами А{ и разными фазами ф1 возникает новое гармоническое колебание той же частоты. Амплитуда суммы двух гармонических колебаний вычисляется как:

где А(р-(Р\-(Р2 ~разность фаз гармонических колебаний. Фаза ф результатирующего колебания вычисляется как:

Максимум амплитуды достигается при разности фаз ф = 27tn, тогда АР = Aj + А2. Минимум амплитуды достигается при разности фаз ф = тг(2п + 1), тогда АР = А{ - А2. Здесь п - целое число.

32

При световых колебаниях от двух ИИ, излучающих в одинаковой фазе, разность фаз в какой-либо точке однородной среды:

А<р = 2к(\ г{-т2\),

где Tj - расстояния от источников излучения до точки наблюдения.

Разность фаз для разных точек наблюдения меняется, при этом суммарная амплитуда изменяется от максимума (2А! = 2А2 - при равенстве амплитуд) до нуля.

На рис. 22 для примера показан ход лучей от лазерного источника излучения через две одинаковые голографические дифракционные решетки ММ и КК, расположенные между собой под двугранным углом ф. При этом в произвольном сечении LL, перпендикулярном биссектрисе угла между направлениями интерферирующих пучков CL и CjL, наблюдаются интерференционные полосы, в точке В этого сечения при перемещении одной из решеток амплитуда суммарной световой волны изменяется от максимума до минимума. При записи объемных голографических решеток в линейной зоне световой характеристики материала самой решетки и при облучении под углом Брэгга второй и более высокие порядки дифракции практически отсутствуют.

М

/ ' C i v \ - А К"

\\

w

L \ ч \

М ^ К'

Рис. 22. Интерференция на дифракционных голографических решетках:

ф - двугранный угол между решетками; 9 - угол Брэгга; ММ - измерительная решетка; КК - индикаторная решетка; АС - нормаль;

К" - второй порядок дифракции

33