- •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
5.8. Светосила оптического прибора с малой передней апертурой и малой задней апертурой
Приборы с малым передним апертурным углом служат для наблюдения предметов, находящихся на далеком расстоянии – зрительные трубы, фотографические объективы для ланшафтной съемки.
Р ис. 5.8.1
Ввиду малости угла (рис. 5.8.1) можно заменить sin через и, используя первую формулу для H, записать
Из чертежа видно, что .
Тогда
Используя ранее полученную формулу
Найдем
Тогда
Предмет для прибора с малой передней апертурой лежит, как правило, на далеком расстоянии от прибора; его изображение расположено в задней фокальной плоскости, следовательно, V равно 0 ( или ), тогда
то есть, в случае бесконечно удаленного предмета светосила прибора пропорциональна квадрату отношения . Это отношение называется относительным отверстием прибора.
К приборам с малой задней апертурой относятся различные приборы, проектирующие изображения на экран, освтительные и сигнализа-ционные приборы.
В этом случае задний апертурный угол ’ мал, sin ’=’, кроме того n = n’ =1, тогда из второй формулы для H имеем:
Как в предыдущем случае ’ заменяеься выражением:
Тогда
где S’ - площадь выходного зрачка прибора.
Так как , то .
Это выражение для освещенности E на экране.
Формула для определения светосилы H и освещенности на экране для приборов с малой задней апертурой справедлива в том случае, когда выходной зрачок полностью заполнен светом. Если это условие соблюдено (рис. 5.8.2), то в площадь S’ должна входить не вся площадь зрачка, а только ее действующая часть.
Рис. 5.8.2
Обычно в выходном зрачке прибора проектора получается изображение источника света. Нужно стремится к тому, чтобы изображение источника света полностью заполняло взодной зрачок прибора.
5.9. Потери света в оптическом приборе
Для определения коэффициента - пропускной способности оптического прибора, рассмотрим причины, вызывающие потери света при прохождении через оптическую систему.
1). На границах преломляющих поверхностей часть света отражается и не участвует в образовании изображения. Кроме того, многократные отражения от отражающих поверхностей вызывают засветку в плоскости изображения.
Для вычисления потерь света при отражении от преломляющих поверхностей применяется формула Френеля, которая при малых углах падения света на преломляющие поверхности имеет вид:
,
где F – световой поток, падающий на преломляющую поверхность, n и n’ – показатели преломления сред, разделяемых преломляющей поверхностью.
Коэффициент пропускания , для одной поверхности определяется формулой
Если преломляющая поверхность граничит с воздухом, то формула еще упрощается и имеет вид
Для стекол с показателем преломлением n , находящихся в пределах от 1.5 – 1.57 (кроны) можно приближенно считать Fr =0.04, для n в пределах 1.57 до 1.65 - Fr =0.05.
Если две поверхности склеены канадским бальзамом или бальзамином, так как коэффициент преломления склеивающего вещества близок к 1.5, потери на отражения в месте склейки будут ничтожно малыми и в расчет не принимаются.
Для уменьшения потерь света, при отражении от преломляющих поверхностей используется просветление оптики, состоящее в том, что преломляющая поверхность покрывается тонким прозрачным слоем вещества с показателем преломления
.
Световые потоки, отраженные от двух поверхностей слоя, вследствии интерференции, взаимно поглащается.
Толщина слоя для этой цели должна быть равна четверти длины волны, т.е. /4. Т.к. по закону сохранения энергии она не может исчезнуть, то весь поток претерпевает преломление.
Для монохроматического света просветленная оптика может практически дать отсутствие отражения на преломляющих поверхностях при нормальном падении света на них (или под определенным углом). Другие углы падения вызывают изменение длины хода луча в пленке и, следовательно, изменение разности хода интерферирующих пучков, что ведет к появлению отражения.
Для белого света для каждой длины волны толщина пленки должна быть своей. Следовательно, минимум интерференции наблюдается только для одной длины волны, другие длины волн частично отражаются, и отраженный свет приобретает окраску. Поэтому просветленная оптика называется «голубой».
В промышленности используется три способа просветления: 1). химический – травлением преломляющей поверхности водными растворами солей; 2). физический – нанесением на поверхность стекла фторидов; 3). метод гидролизации – обработка поверхности стекла фторокрмневой кислотой. На поверхность стекла может быть нанесено несколько слоев, этим способом удается снизить потери до 1% при отражении от одной поверхности.
2). Поглощение и рассеивание света в массе стекла.
Рис. 5.9.1
Пусть F0 – световой поток, прошедший через входную поверхность оптической детали (рис. 5.9.1). Световой поток F , прошедший путь d внутри стекла, становится меньше F0 , в следствии поглощения. Придадим d малое приращение d, тогда изменение светового потока на этом пути будет равно
,
где – коэффициент пропорциональности.