
- •Глава 1. Теоретические основы прикладной оптики
- •1.1. Природа света. Волновой и квантовый характер световых явлений
- •1.2. Законы распространения света
- •1.3. Способы определения скорости света
- •1.4. Когерентность [7]
- •1.4.1. Степень когерентности светового пучка
- •1.4.2. Методы измерения пространственной и временной когерентности
- •1.5. Дисперсия света
- •1.6. Интерференция света
- •1.7. Интерференционные линии равной толщины и равного наклона
- •1.8. Интерферометры
- •1.8.1. Интерферометр Линника
- •1.8.2. Интерферометр Рэлея
- •1.8.3. Звездный интерферометр Майкельсона
- •1.8.7. Схема интерферометра Майкельсона
- •1.8.4. Интерферометр Фабри-Перо
- •1.8.5. Интерферометр Жамена
- •1.8.6. Интерферометр Рождественского
- •1.8.7. Использование интерференции света в промышленности
- •1.9. Дифракция света. Принцип Гюйгенса Френеля
- •1.10. Дифракция Фраунгофера
- •1.10.1. Дифракция от щели
- •1.10.2. Дифракционная решетка
- •1.10.3. Дифракционная решетка как спектральный прибор
- •1.11. Дифракция на круглом отверстии
- •1.11.1. Зоны Френеля
- •1.11.2. Зонная пластинка
- •1.11.3. Линза как дифракционный прибор
- •1.11.4. Пятно Пуассона
- •1.12. Поляризация света
- •1.12.1. Свет поляризованный и неполяризованный. Закон Малюса
- •1.12.2. Одноосные кристаллы
- •1.12.3. Скрещенные поляризаторы
- •1.12.4. Двойное лучепреломление
- •1.12.5. Поляризаторы
- •1.12.6. Анализ поляризованного света
- •1.12.7. Естественное вращение плоскости поляризации
- •1.12.8. Эффект Зеемана и поляризация
- •1.12.9. Искусственное двойное лучепреломление
- •1.12.10. Магнитное вращение плоскости поляризации
- •1.13. Оптически бесцветное стекло. Марки стекла
- •1.14. Требования к стеклу. Классы и категория стекла
- •1.15. Цветное оптическое стекло. Техническое стекло
- •1.16. Выполнение рабочих чертежей оптических деталей в соответствии с ескд
- •Глава 2. Основные оптические детали
- •2.1. Зеркала
- •2.2. Тонкие линзы
- •2.3. Плоскопараллельная пластинка
- •2.4. Оптический клин
- •2.5. Отражательные призмы
- •2.6. Развертка призм в плоскопараллельную пластинку
- •Для прямоугольной призмы с двумя отражениями
- •2.7. Редуцирование призм. Графоаналитический метод расчета призм
- •2.8. Компенсаторы
- •Глава 3. Основные свойства идеальной оптической системы
- •3.1. Идеальная оптическая система
- •3.2. Линейное и угловое увеличение оптической системы.
- •3.3. Правило знаков
- •3.4. Основные оптические формулы. Построение изображения
- •3.5. Инвариант Аббе
- •3.6. Расчет хода нулевого луча
- •3.7. Отдельная линза в воздухе
- •3.8. Расчет хода нулевого луча через сложную оптическую систему
- •3.9. Оптическая система из двух компонент
- •Положим и выберем произвольно, тогда из формул
- •3.10. Графический способ определения хода нулевого луча
- •3.11. Определение хода действительного луча
- •Глава IV. Общие свойства оптических систем
- •4.1. Основные характеристики оптического прибора
- •4.2. Видимое увеличение
- •4.3. Основные фотометрические понятия
- •4.4. Потери света
- •4.5. Диафрагмы и их значение
- •4.6. Виньетирование
- •4.7. Светосила
- •4.8. Освещенность по полю изображения
- •4.9. Поле зрения
- •4.10. Глубина изображаемого пространства
- •4.11. Глубина резкости
- •4.12. Аберрации оптических систем
- •4.12.1. Классификация аберраций
- •4.12.2. Хроматическая аберрация
- •4.12.3. Сферическая аберрация
- •4.12.4. Астигматизм и кривизна изображения
- •4.12.5. Кома
- •Величина, численно характеризующая кому, равна
- •4.12.6. Дисторсия
- •Глава 5. Теория оптических приборов
- •5.1. Зрачки и люки
- •5.2. Отрезки, определяющие положение зрачков
- •5.3. Передача перспективы оптическими приборами
- •5.4. Основные фотометрические величины
- •Мы имеем
- •5.5. Источники излучения
- •5.6. Приемники световой энергии
- •5.7. Светосила оптического прибора
- •5.8. Светосила оптического прибора с малой передней апертурой и малой задней апертурой
- •5.9. Потери света в оптическом приборе
- •Преобразуем эту формулу
- •5.10. Глаз человека
- •5.11. Видимое увеличение оптического прибора
- •5.12. Глубина резкости фотографического аппарата, лупы и микроскопа
- •5.13. Критерий разрешающей способности оптического прибора
- •5.14. Разрешающая способность зрительных труб и фотографических объективов
- •Глава 6. Теория микроскопа
- •6.1. Оптическая система микроскопа
- •Из формулы
- •6.2. Формулы геометрической теории микроскопа
- •Поэтому
- •6.3. Осветительная система микроскопа
- •6.4. Основы дифракционной теории микроскопа
- •6.5. Разрешающая способность микроскопа
- •Окуляр, в нашем случае, есть лупа, для которой мы имели формулу
- •6.6. Фазовый контраст
- •6.7. Производство современных микроскопов
- •6.7.1. Световые
- •Микроскопы серии dm lm
- •Глава 7. Теория телескопических систем
- •7.1. Телескопические системы
- •Для продольного увеличения была получена формула
- •7.2. Зрительная труба Галилея
- •7.3. Зрительная труба Кеплера
- •7.4. Окуляры и объективы зрительных труб
- •7.5. Зрительные трубы с призменными оборачивающими системами
- •7.6. Зрительные трубы с линзовыми оборачивающими системами
- •7.7. Телескопические системы со скачкообразной переменной увеличения
- •Глава 8. Методы компьютерной оптики
- •8.1. Задачи компьютерной оптики [1,2]
- •8.2. Цифровая голография [3-5]
- •8.2.1. Общая процедура изготовления синтезированной голограммы
- •8.2.2. Получение цифровой голограммы Фурье и ее бинаризация
- •8.2.3. Киноформ
- •8.3. Фазовая проблема в оптике. Cоздание на основе решения обратных задач нового класса оптических элементов [1, 2, 6-9]
- •8.3.1. Извлечение фазовой информации из данных об интенсивности
- •8.3.2. Особенности расчета характеристик фокусаторов и корректоров излучения
- •8.3.3. Дифракционные оптические элементы
- •8.3.4. Создание фокусаторов на основе управляемых зеркал
- •8.4. Фокусировка излучения при наличии случайных помех. Использование методов адаптивной оптики [7-9]
- •8.5. Оптические элементы для анализа и формирования поперечного состава излучения [1]
- •8.6. Цифровая обработка полей в оптических системах [10-13]
- •8.6.1. Виды обработки оптических полей
- •8.6.2. Автоматизированная измерительная система для диагностики структуры лазерных пучков
- •Глава 9. Запись и обработка оптической информации
- •9.1. Общая характеристика оптических систем [1-3]
- •9.2. Однолинзовая система [1-4]
- •9.2.1. Линзы как элементы, выполняющие преобразование Фурье
- •9.2.2. Формирование изображения [1]
- •9.3. Получение изображений в сложных системах [1, 8]
- •9.3.1. Дифракционно-ограниченные системы
- •9.4. Учет аберраций [5]
- •9.5. Голографическая запись информации [2, 6-9]
- •9.5.1. Принцип голографической записи
- •9.5.2. Голограммы Фурье
- •9.6. Оптическая фильтрация и распознавание образов [2,3]
- •9.6.1. Применение системы 4-f
- •9.6.2. Голографический метод синтезирования пространственных фильтров и проблема апостериорной обработки информации
- •9.7. Сопоставление методов когерентной и некогерентной оптики [2]
- •9.8. Характеристики качества изображения [10]
- •Оглавление
4.4. Потери света
Световой поток, падающий в оптическую систему, состоящую из преломляющих и отражающих поверхностей, не весь проходит через нее. Яркость пучков лучей, проходящих через преломляющие и отражающие поверхности оптических деталей, составляющих прибор, ослабляется в связи с тем, что часть световых лучей поглощается массой стекла и отражается при переходе от одной среды к другой. Отношение потока излучения, пропущенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него, называется коэффициентом пропускания τ.
Та часть световой энергии, которая поглощается массой стекла, определяется коэффициентом поглощения α. Коэффициентом поглощения называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:
(4.4.1)
где F — начальный поток излучения; Fа—поток излучения, поглощенный данным телом; l— длина пути луча в стекле, выраженная в сантиметрах. Величина θ в оптике получила наименование коэффициента прозрачности. Оптическое стекло не является идеальной прозрачной средой. Внутри среды имеются материальные непрозрачные частицы, которые рассеивают свет и вызывают потери его на поглощение. Для современных сортов оптического стекла потеря света на поглощение характеризуется величиной 1 % на 1 см хода луча в стекле, следовательно, θ = 0,99.
Часть световой энергии, которая рассеивается на границе преломления или отражения, определяется коэффициентом отражения ρ. Коэффициентом отражения называется отношение потока излучения, отраженного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него.
Потери света на отражение и поглощение в линзе схематически показаны на рис. 4.4.1.
Рис. 4.4.1. Схема потерь света в линзе
Коэффициент отражения для случая двух прозрачных сред с идеально полированной поверхностью соприкосновения определяется по известной формуле Френеля
(4.4.2)
(4.4.3)
Коэффициент пропускания для одной поверхности определяется формулой
(4.4.5)
Величина ρ зависит от показателя преломления среды. Так, на-пример, если 1,5<n<1,57, то принимают ρ=0,04, а если 1,57< <n<1,65, то ρ = 0,05. Для отражающих поверхностей (посеребренных, алюминированных) достаточно принять ρ = 0,1.
Тогда можно написать приближенную формулу для подсчета пропускания света в случае отсутствия просветленных поверхностей:
(4.4.6)
где N1 — число преломлений на поверхностях, разделяющих воздух и стекло, с n<1,57; N2 — число преломляющих поверхностей, разделяющих воздух и стекло, с n>1,57; N3 — число отражающих поверхностей; l — длина хода луча в сантиметрах в стекле по оптической оси.
Потери света неприятны не только тем, что ослабляют освещенность изображения, но в особенности тем, что снижают контраст изображения. Свет, отраженный от поверхностей, частично возвращается обратно путем отражений от предыдущих поверхностей и, пройдя через поверхности оптической системы, образует вторичные изображения. Если эти вторичные изображения находятся вблизи основного изображения, то они могут настолько его испортить, что основное изображение будет непригодным для использования. Таким образом, свет, отраженный от поверхностей при преломлении, так же как и свет, рассеянный средой стекла, является светом вредным, и борьба с ним имеет важное значение.
Влияние рассеянного света на изображение принято характеризовать коэффициентом светорассеяния (s), под которым принято понимать отношение освещенности образуемого объективом изображения черного предмета (Eт), расположенного на равномерно ярком фоне, к освещенности изображения яркого фона (Eс), т. е.
S=Eт/Ec (4.4.7)
Так, например, современные фотографические объективы имеют s=0,03-0,04.
В последнее время удалось значительно повысить прозрачность оптического стекла. В особенности значительные успехи достигнуты в области снижения потерь света на отражение путем просветления поверхностей. Просветлением оптики называется процесс уменьшения отражения света от поверхностей оптических деталей. Теоретические разработки сущности снижения потерь света методами просветления принадлежат нашим соотечественникам— академику И. В. Гребенщикову и А. Г. Власову. Просветление заключается в том, что на полированные поверхности оптических деталей наносят весьма тонкие прозрачные пленки. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Теория этого явления так же, как и теория цвета тонких пластинок в отраженном свете, известна из физической оптики. Толщина пленки приближенно определяется по формуле
(4.4.8)
где λ — длина волны света, а k = 0; 1; 2; 3 и т. д.; п — показатель преломления пленки.
(4.4.9)
В практике мы имеем дело со светом широкого спектрального состава, и лучи идут в систему под различными углами поля зрения, поэтому для таких пучков лучей оказывается невозможным полностью уничтожить потери света.
Различные методы, применяемые для просветления оптики, можно разбить «а три группы:
Химическое взаимодействие стекла с растворами кислот и солей (химический метод).
Испарение и конденсация фторидов или других веществ з вакууме (физический метод).
Использование легкогидролизующихся растворов (метод гидролизации).
Просветление травлением водными растворами кислот создает прочную пленку и повышает химическую устойчивость стекла. Физическими методами достигаются хорошие результаты по просветлению, но проблема надежного упрочнения слоя еще не решена, в связи с чем применение этих методов не рекомендуется для просветления наружных поверхностей. Просветление на основе использования легкогидролизующихся соединений, в основном на базе ортокремниевой кислоты, создает прочный слой и позволяет применять многослойные пленки с хорошими показателями.
В табл. 1 приведены сравнительные данные результатов просветления различными методами. Коэффициент отражения одной поверхности до просветления находится в пределах от 0,04 до 0,055.
Просветление оптических приборов дает хорошие результаты и широко .применяется. Например, просветление одного из фотографических объективов позволило увеличить светопропускание с 39 до 72%. В среднем можно считать, что просветление почти вдвое повышает пропускание света в оптических приборах и, кроме того, резко снижает действие рассеянного паразитного света.
Таблица 1
Метод |
Коэффициент отражения в %
|
|
до просветления |
после просветления |
|
Химический Физический |
4,5—5,5 4,5—5,5 |
1,7—2,2 0,4—1,4 |
однослойный Гидролизация двухслойный трехслойный |
- 4,5—5,5 - |
0,8—2,5 1 — 1,2 0,2 — 0,6 |
Внедрение просветления в практику оптического приборостроения позволяет дать новую приближенную формулу коэффициента пропускания света:
(4.4.10)
где N4— число поверхностей, просветленных физическим методом и методом гидролизации; N5— число поверхностей, просветленных химическим методом.
Пример 14. Оптическая система состоит из зеркала с внутренним серебрением, из зеркала с 'внешним алюминированием, из трех непросветленных линз с показателем преломления п =1,54, свободно расположенных в воздухе, и двух ахроматических двух-линзовых склеенных объективов, просветленных химическим методом. Общая толщина оптического стекла по оптической оси составляет 67 мм (~7 см). Определить коэффициент пропускания! света и потери света.
Решение. В нашем случае N1 = 8; N3=l; N5 = 4; l=7. На основании (4.4.6) и (4.4.10) составим формулу
тогда получим
т. е. потери составляют 43,9%.