Optika_otvety
.pdfпреломления невелика — порядка одного процента. При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет, испытывая полное внутреннее отражение, будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Лучи, при движении пересекающие ось световода, называются меридиональными. Отметим, что часть лучей, называемых косыми (асимметричными), будет двигаться по спиралеобразной траектории, не пересекая ось волокна; при анализе волоконнооптических процессов они, как правило, не учитываются. Используемые материалы, состав и размеры компонентов определяют физические параметры и особенности оптоволокна.
МОДЫ Строгое рассмотрение уравнений Максвелла, определяющих характер распространения света в оптоволокне, показывает, что в волокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами. Каждая мода имеет характерные для нее структуру электромагнитного поля, а также фазовую и групповую скорость. Напомню, что под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Для свободно распространяющихся электромагнитных волн обе скорости эквивалентны и равны скорости света, в то время как для электромагнитных волн, перемещающихся в оптоволокне, величины фазовой и групповой скорости различны и зависят от частоты колебаний, материала оптоволокна и его геометрических параметров. Следствием влияния этих факторов является дисперсия. Различают следующие виды дисперсии:
●материальную (молекулярную) дисперсию, обусловленную зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны излучения;
●волноводную дисперсию, определяемую длиной волны в оптическом волноводе и фактически зависящую от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна, как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления по длине оптоволокна и т.п.;
●межмодовую (модовую) дисперсию, являющуюся результатом различной скорости распространения мод в многомодовом волокне. Моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечника и оптической оболочки их электромагнитные поля оказываются в фазе. Если это условие не соблюдается, то волны, интерферируя, гасят друг друга. Являясь одним из возможных решений уравнения Максвелла, мода выступает в качестве математического понятия, определяющего такую физическую характеристику, как режим работы оптоволокна. Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконно-оптических линий связи. Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства: F = (2π × NA × r / λ0) < Fотс. (6)
Здесь λ0 — рабочая длина волны, r – радиус сердечника, F – нормированное значение рабочей частоты, Fотс. — нормированное значение частоты отсечки (частоты, соответствующей предельному значению длины волны данной моды). Величина Fотс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и Fотс. = 3,53 в случае параболического профиля. Величину NA можно
найти из выражения: NA = √(n1 2- n2 2) (7)
Здесь n1 и n2 – показатели преломления сердечника и оптической оболочки. Условие, определяемое неравенством (6), необходимо, но недостаточно. Кроме него, должно выполняться следующее равенство:
2r √ (n1 2– n2 2) = 0,38 λ0 (8)
Если неравенство (6) не выполняется, в световоде устанавливается многомодовый режим. В этом случае число мод приблизительно равно N = F 2 /2 для световода со ступенчатым профилем и N = F 2 /4 в случае градиентного профиля. Характер распространения света в многомодовом и одномодовом волокне для разных профилей показателя преломления поясняется на рис. 5.
Подробнее рассмотрим характерное для многомодового волокна явление межмодовой дисперсии. При вводе луча в оптическое волокно путь распространения от начала до конца волокна для разных мод различен. Это обуславливает разное время распространения мод, переносящих энергию первичного сигнала, и перераспределение выходной суммарной энергии в заданном отрезке времени. В результате, если импульс света на входе оптоволокна имел ярко выраженные фронт и срез сигнала, то на выходе получаем существенно «размытый» сигнал со сглаженными фронтом и срезом. Это «размывание» сигнала обусловлено межмодовой дисперсией и проявляется тем сильнее, чем длиннее линия связи. Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность волокна, так как при повышении частоты входного сигнала (последовательность коротких импульсов) размытые края среза одного импульса начинают перекрываться размытым фронтом последующего, ведя к потере информативности сигнала (рис. 6). Несмотря на большую дисперсию, многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления является очень распространенным в силу более низких требований к технологическому оборудованию для его производства и используемому материалу. Данное волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера (PCS) или быть полностью изготовленным из пластика. Для волокна с градиентным показателем преломления величина межмодовой дисперсии существенно меньше. Это происходит благодаря свойству света распространяться быстрее в среде с меньшим показателем преломления: большую часть пути переотраженные лучи проходят через области сечения оптоволокна с меньшим показателем преломления, поэтому на выходе оптоволокна они появляются почти одновременно с лучами, распространявшимися вдоль оси через область с максимальным значением показателя преломления.
Для одномодового волокна существенным является другой вид дисперсии – материальная дисперсия (или молекулярная). Если вспомнить формулу (2), то очевидно, что для разных длин волн (для источников излучения характерна определенная ширина спектра для заданного значения рабочей частоты) показатель преломления также различен. Таким образом, даже в рамках одной моды скорость распространения в оптоволокне для разных значений частот спектра рабочей частоты различна. Этот вид дисперсии присутствует и в многомодовом оптоволокне, но им, по сравнению с межмодовой дисперсией, можно пренебречь. Еще один вид дисперсии — волноводная дисперсия — также является существенным для одномодового волокна. По существу этот вид дисперсии связан с тем, что заметная часть оптической мощности (до 20% от общей мощности) распространяется по оптической оболочке, имеющей отличный от ядра показатель преломления, что делает её скорость иной, чем при распространении в ядре. Суммарную дисперсию, включающую в себя материальную и волноводную, называют хроматической дисперсией.
ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ Потери оптической мощности (или затухание) являются результатом поглощения света материалом световода, рассеяния в местах микро- и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Коэффициент затухания, отражающий потери оптической мощности, обозначается α и измеряется в дБ/км. Величину потерь оптической мощности в оптоволокне можно рассчитать из соотношения (10), носящего название закона
Бугера.
PL = P0 e –αL (10)
Здесь PL — величина потерь мощности на длине L, P0 — величина введенной мощности. Учитывая, что мощность на выходе оптоволокна меньше, чем на входе, значение потерь, выраженное в децибелах, будет иметь знак минус, который часто опускается в тексте.
Рассеяние определяет часть оптической энергии, которая переизлучается в направлении, отличном от первоначального. Рассеяние света вызвано присутствием в стекле микроскопических неоднородностей и изменением величины плотности самого материала (кварца). Это явление описывается как релеевское рассеяние, интенсивность которого обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.
Потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна, неизбежны всякий раз, когда волокно имеет отклонения от правильной геометрической формы или не размещено вдоль прямой линии. Микроизгибы носят случайный характер и являются вариациями профиля границы ядра и оптической оболочки, то есть фактически проявлением технологического дефекта. Макроизгибы являются следствием неправильной прокладки оптоволоконного кабеля. Кроме увеличения затухания, при этом снижается предел прочности кабеля на разрыв (максимально допустимая нагрузка на растяжение или изгиб, не приводящая к повреждению световода.
45. Будова та принцип дії мікроскопа.
Микроскоп
В микроскопе выделяют две системы: оптическую и механическую. К оптической системе относят объективы, окуляры и осветительное устройство.
Объектив — одна из важнейших частей микроскопа. При его помощи получают увеличенное действительное изображение объекта и выявляют тонкие детали его структуры. Объектив состоит из металлического цилиндра и вмонтированных в него линз, число которых может быть различным. Степень увеличения находится в прямой зависимости от числа линз. Объектив с большим увеличением имеет 8 — 10 линз. Увеличение объектива обозначено на нем цифрами. Микроскоп МБР-1 снабжен тремя
объективами: Х8, Х40, Х90.
Рис. 1. Устройство биологического микроскопа:
1 — окуляр, 2 — тубус, 3 — тубусодержатель, 4 — винт грубой наводки, 5 — микрометренный винт, 6 — подставка, 7 — зеркало, 8 — конденсор и ирисовая диафрагма, 9 — предметный столик, 10 — револьвер с объективами.
Качество объектива определяет его разрешающая способность. Что же это такое? Невооруженным взглядом человек может различить две очень близко лежащие линии или две точки лишь в том случае, если расстояние между ними будет не менее 0,15 мм (150 мкм). Если же это расстояние меньше, то две линии или две точки сливаются в одну.
Таким образом, разрешающая способность глаза человека равна 150 мкм. Естественно, чем больше разрешающая способность, тем больше выявляют подробностей строения наблюдаемого объекта. Данные, определяющие разрешающую способность, обозначены на объективах. Чем меньше диаметр фронтальной линзы, тем больше его разрешающая способность.
Окуляр подобно лупе дает прямое увеличение изображения наблюдаемого объекта. Он не выявляет новых деталей строения. Окуляр устроен намного проще, чем объектив. Он состоит из двух-трех линз, вмонтированных в металлический цилиндр. Между линзами расположена постоянная диафрагма, определяющая границы поля зрения. Нижняя линза фокусирует изображение объекта, построенное объективом в плоскости диафрагмы, а верхняя служит непосредственно для наблюдения. Увеличение окуляров обозначено на них цифрами: Х7, ХЮ, Х15.
Для определения общего увеличения микроскопа следует умножить увеличение объектива на увеличение окуляра (напр. 90x10).
Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз – объектива O1 и окуляра O2 (рис. 6.1.2).
Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы.
Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.
Рисунок 6.1.2.
Ход лучей в микроскопе.
Мнимое изображение предмета, рассматриваемое через окуляр, всегда перевернуто. Если же это оказывается неудобным (например, при прочтении мелкого шрифта), можно перевернуть сам предмет перед объективом. Поэтому угловое увеличение микроскопа принято считать положительной величиной.
Как следует из рис. 6.1.2, угол зрения предмета, рассматриваемого через окуляр в приближении малых углов,
Приближенно можно положить d = F1 и f = l, где l – расстояние между объективом и окуляром микроскопа («длина тубуса»). При рассматривании того же предмета невооруженным глазом
В результате формула для углового увеличения микроскопа приобретает вид
Хороший микроскоп может давать увеличение в несколько сотен раз. При больших увеличениях начинают проявляться дифракционные явления.
У реальных микроскопов объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы, в которых устранены различные аберрации.
46. Будова та принцип дії телескопа.
Телескоп
Телескопы (зрительные трубы) предназначены для наблюдения удаленных объектов. Они состоят из двух линз – обращенной к предмету собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), обращенной к наблюдателю. Зрительные трубы бывают двух типов:
∙Зрительная труба Кеплера, предназначенная для астрономических наблюдений. Одна дает увеличенные перевернутые изображения удаленных предметов и поэтому неудобна для земных наблюдений.
∙Зрительная труба Галилея, предназначенная для земных наблюдений, дающая увеличенные прямые изображения. Окуляром в
трубе Галилея служит рассеивающая линза.
На рис. 6.1.3 изображен ход лучей в астрономическом телескопе. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность, поэтому лучи от каждой точки удаленного предмета выходят из окуляра параллельным пучком. Такой ход лучей называется телескопическим. В астрономической трубе телескопический ход лучей достигается
при условии, что расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний F= F1 + F2.
Зрительная труба (телескоп) принято характеризовать угловым увеличением . В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя. Если удаленный предмет виден невооруженным глазом под углом , а при наблюдении через телескоп под углом , то угловым увеличением называют отношение
Угловому увеличению , как и линейному увеличению, можно приписать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Угловое увеличение астрономической трубы Кеплера отрицательно, а земной трубы Галилея положительно.
Угловое увеличение зрительных труб выражается через фокусные расстояния:
Рисунок 6.1.3. Телескопический ход лучей.
В качестве объектива в больших астрономических телескопах применяются не линзы, а сферические зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Хорошее зеркало проще изготовить, кроме того, зеркала в отличие от линз не обладают хроматической аберрацией.
У нас в стране построен самый большой в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м. Следует иметь в виду, что большие астрономические телескопы предназначены не только для того, чтобы увеличивать угловые расстояния между наблюдаемыми космическими объектами, но и для увеличения потока световой энергии от слабосветящихся объектов.
Телескопы. Телескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопавходят две положительные линзы. Лучи от удаленного предмета, параллельные оси тел ескопа (лучи
a и c на рис. 2), собираются в заднем фокусе первой линзы (объектива). Вторая линза (окуляр) уда лена отфокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновьпараллельно оси системы. Некоторый луч b, исходящий не из тех точек предмета, откуда пр ишли лучи a и c,падает под углом a к оси телескопа, проходит через передний фокус объектива и после него идетпараллельно оси системы. Окуляр направляет его в свой задний фокус под углом b. Поскольку расстояние отпереднего фокуса объектива до глаза наблюдателя пренебрежимо мал о по сравнению с расстоянием допредмета, то из схемы рис. 2 можно получить выражение для ви димого увеличения M телескопа:
M =-tgb/tga =-F/f'
(или F/f). Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто. В астрономическихтеле скопах оно таким и остается; в телескопах для наблюдений за наземными объектами применяюто борачивающую систему, чтобы рассматривать нормальные, а не перевернутые изображения. Воб орачивающую систему могут входить дополнительные линзы или, как в биноклях, призмы.
46.Будова та принцип дії фотоапарата. ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ФОТОКАМЕРЕ
Для фотограмметрической съемки местности или исследуемых объектов применяются оптические системы – фотокамеры. Их очень часто называют метрическими камерами, так как по полученным с их помощью снимкам можно определять фотокоординаты изобразившихся на них точек (предусмотрена возможность введения системы прямоугольных координат в плоскости снимка). При этом искажение изображения на снимке сведено к минимуму. Обычные любительские фотоаппараты такими свойствами не обладают, так как для них главное - художественное качество полученных при фотографировании изображений.
Фотокамеры, используемые для фотографирования местности с летательного аппарата, называются аэрофотоаппаратами (или АФА) а, для фотографирования ее с точек земной поверхности - фототеодолитами.
Изображение в фотокамере строится на плоскости (пленке или пластинке со светочувствительным слоем, или ПЗС матрице) с помощью объектива, представляющего собой сложную оптическую систему собирательных и рассеивающих линз, центры кривизны сферических поверхностей которых расположены на одной прямой линии, называемой главной оптической осью.
Рассмотрим особенности построения изображения объекта идеальным объективом. Они основаны на следующих законах геометрической оптики:
- прямолинейности распространения световых лучей в однородной среде;
- независимости распространения отдельных световых лучей и пучков;
-обратимости лучей света;
-отражении и преломлении световых лучей на границе двух сред.
Законы геометрической оптики позволяют сложную оптическую систему идеального объектива заменить упрощенной моделью (линзой), сечение которой плоскостью, проходящей через главную оптическую ось, показано на рис. 1.
На нем: R1 и R2 – передняя и задняя поверхности объектива; S1 и S2 – его передняя и задняя узловые точки; F1 и F2 – передний и задний главные фокусы; H1 и H2– главные плоскости объектива (они проходят через точки S1 и S2 перпендикулярно главной оптической оси).
Передняя узловая точка S1 относится к пространству предметов местности и является точкой фотографирования. Задняя узловая точка S2 относится к пространству изображения и является центром проекции. Узловые точки обладают тем свойством, что любой луч, вошедший в переднюю узловую точку, выйдя из задней узловой точки, не меняет направления. Такие лучи называются центральными.
Главным фокусом объектива (линзы) называется точка схода лучей идущих от бесконечно удаленного предмета, параллельно главной оптической оси. Их два. Плоскости, проходящие через главные фокусы перпендикулярно к главной оптической оси, называются фокальными
плоскостями.
Изображение любой точки, например, А, фотографируемого объекта местности строится следующим образом. Луч идущий параллельно главной оптической оси, преломляется на главной задней плоскости H2 и
проходит через задний фокус F2. Луч, проходящий через передний фокус F1, после преломления на передней главной плоскости H1 пойдет параллельно оптической оси. В соответствии с законами геометрической оптики центральный луч AS входит в переднюю узловую точку S1 под углом b к оптической оси и выходит из задней узловой точки S2 под тем же углом к ней. В результате таких построений все три луча пересекутся в точке a на плоскостиP1. При этом для
точек A и a будет выполняться условие оптического сопряжения
(1)
где d1 – расстояние от плоскости H2 до плоскости изображения P1; d2 – расстояние от плоскости H1 до точки фотографируемого объекта; f¢ – фокусное расстояние объектива (рис. 1).
Говорят, что объектив, изображенный на рисунке строит действительное, уменьшенное и перевернутое (обратное) изображение рассматриваемого объекта.
Для точки расположенной ближе или дальше (т.е. d2 другое), условие (1) не выполняется, поэтому ее изображение в плоскости P1 будет иметь вид размытого кружка. Но если его диаметр 
, глаз воспринимает изображение как четкую точку.
При фотографировании в целях картографирования, когда расстояние d1 значительно меньше расстояния d2 (то есть можно считать, что d2 равно бесконечности)d1= f¢ , все точки фотографируемого объекта достаточно резко изображаются на
плоскости P2 (главной фокальной плоскости), которая расположена перпендикулярно оптической оси и проходит через главный задний фокус F2. По этой причине в АФА и фототеодолитах плоскость изображения P, как правило, располагается вблизи главного фокуса объектива F2 на расстоянии чуть меньше фокусного. Смещение плоскости P2 в сторону объектива необходимо с целью улучшения резкости изображения на краях поля изображения, но за счет некоторого ухудшения его в центре. Величина этого смещения выражается долями миллиметра.
Плоскость P, в которой помещается светочувствительный материал (фотопленка или фотопластинка), называют плоскостью изображения. Расстояние от задней узловой точки объектива S2 до плоскости изображения P называется фокусным расстоянием фотокамеры
иобозначается буквой f.
47.Будова та принцип дії перископу
Перископом называется оптический прибор, представляющий собой зрительную трубу с системой зеркал или призм и линз. Он позволяет вести наблюдение из укрытий, убежищ, броневых башен, рубок, танков, подводных лодок.
Перископ является обязательным прибором любой подводной лодки. Появление новых технических средств наблюдения на подводных лодках — радиолокации и гидроакустики — не заменило перископа. Эти средства дополнили его, особенно в условиях плохой видимости (туман, дождь, снег и т. п.).
С помощью перископа командир подводной лодки определяет направление (пеленг) с подводной лодки на цель, курсовой угол корабля противника, расстояние до цели, скорость ее, а также момент торпедного залпа.
Чтобы противник не заметил перископ, габариты его выступающей из-под воды головки должны быть минимальными. Но для успешного наблюдения за воздушными целями головку перископа вынужденно делают утолщенной, чтобы можно было разместить в ней необходимую оптику зенитного наблюдения. Поэтому в настоящее время на подводной лодке устанавливают два перископа: перископ атаки (командирский) и зенитный.
Перископ атаки служит для обнаружения противника и наблюдения за ним во время торпедной атаки в светлое время суток при хорошей видимости.
Огромную опасность для подводных лодок представляет авиация. Имея большую скорость, самолеты могут внезапно появляться над подводной лодкой и сбрасывать бомбы до того, как лодка успеет погрузиться. Поэтому при переходе лодок основное внимание уделяется наблюдению за воздухом.
С помощью зенитного перископа можно вести наблюдение за воздухом и поверхностью моря, т. е. от горизонта до зенита. Поэтому зенитный перископ используется чаще, чем перископ атаки.
Перископ состоит из следующих трех отдельно расположенных механизмов и частей: трубы с оптикой, подъемного устройства и тумбы с сальниками.
Наиболее сложной по устройству является оптическая схема перископа.
Она состоит из двух астрономических труб, сложенных одна с другой своими объективами, и дополненная двумя зеркалами в виде призм полного внутреннего отражения.
На этом рисунке показаны соответственно окуляр Л1 и объектив Л2 верхней астрономической трубы, объектив Л3 и окуляр Л4 нижней трубы, призмы П1 и П2 полного внутреннего отражения. Если рассматривать эту схему в делом как перископ, то Л1 — это объектив перископа, а Л4 — окуляр. Верхняя (объективная) призма П1 служит для обозрения поверхности моря. Призма вращается в ограниченном секторе около горизонтальной оси, что позволяет во время качки удерживать в центре поля зрения трубы изображения наблюдаемых предметов. Нижняя призма П2 (окулярная) помещена перед окуляров что позволяет глазу наблюдателя удобно вести наблюдение в окуляр по горизонтальному направлению.
47. Будова та принцип дії труби Кеплера