X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Основной частью любого оптического прибора является оптическая система. В одних оптических приборах изображение получается на экране, другие приборы предназначены для работы непосредственно с глазом. Оптические системы широко распространены в измерительной технике.

Оптическая система предназначена для формирования изображения путем перераспределения в пространстве электромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков). Преобразование световых пучков в оптической системе происходит за счет преломления и отражения света поверхностями, ограничения пучков диафрагмой. Кроме того, пучки света могут преобразовываться за счет дифракции на оптических элементах [1].

Оптическая система состоит из функциональных элементов:

- оптические среды,

- оптические поверхности,

- зеркала,

- диафрагмы,

- дифракционные оптические элементы.

Оптические среды – это прозрачные однородные среды показатель преломления которых обычно измерен с точностью до 4-6 знаков после запятой.

В качестве оптических сред в оптических системах в основном различают:

воздух (вакуум) (n~1);

оптические стекла –показатель преломления n=1,42 – 2,0 и хорошо исследованы их оптико-физические свойства;

оптические кристаллы – работают в более широком, чем стекла, диапазоне длин волн,.

Оптические системы в настоящее время находят применение в широком интервале длин волн (от УФ до ИК), поэтому важно знать показатели преломления стекол и кристаллов для разных длин волн[2].

Дисперсия оптических материалов – это зависимость показателя преломления от длины волны. Она описывается дисперсионными формулами, называемыми формулами Зельмейера:

Все стекла отличаются друг от друга характером зависимости показателя преломления от длины волны. Можно описывать оптические материалы либо значениями коэффициентов дисперсионной формулы, либо непосредственно значениями показателя преломления для различных длин волн.

Оптические материалы могут быть эффективно использованы в определенном интервале длин волн (от до), в пределах которого показатель преломления хорошо описывается дисперсионной формулой. Вблизи границ этого интервала зависимость показателя преломления сильно отличается от описанного дисперсионной формулой (показатель преломления либо резко убывает, либо резко увеличивается). Пограничные интервалы длин волн называются полосами поглощения. У различных стекол эти полосы разные [3].

В видимой области спектра имеются волны, называемые Фраунгоферовыми линиями:

i – 365 нм	d – 587 нм
h – 404 нм	D – 589 нм
G′ – 434 нм	C′ – 643 нм
g – 436 нм	C – 656 нм
F′ – 480 нм	r – 706 нм
F – 486 нм	A′ – 768 нм
e – 546 нм

Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волны и общая дисперсия , где , – наибольшая и наименьшая длины волн, которые пропускает стекло.

В качестве опорных или основных длин волн для видимой области сейчас используются: центральная длина волны , крайние длины волн , . Ранее в качестве основных длин волн использовались: .

Оптическое стекло характеризуется показателем преломления для основной длины волны (или ), а также общей дисперсией (или )[4].

Еще одной важной характеристикой стекла является число Аббе (коэффициент относительной дисперсии):

или

Чем меньше число Аббе, тем больше дисперсия, то есть сильнее зависимость показателя преломления от длины волны. По числу Аббе оптические стекла делят на две группы:

– кроны;

– флинты.

Комбинация стекол, принадлежащим различным группам, дает возможность создавать высококачественные оптические системы. Кроны и флинты – это основные группы оптических стекол [5].

Оптическая поверхность – это гладкая регулярная поверхность точно известной формы.

Поверхности могут быть:

плоские,

сферические,

асферические.

Чаще всего в оптике применятся плоские поверхности и сферические поверхности. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны R. Плоской поверхностью можно считать сферическую поверхность с радиусом кривизны равным бесконечности. Для плоскости R = ∞, но условно принято считать, что R = 0 [6].

Форма оптических поверхностей должна выдерживаться с точностью меньше длины волны. В идеальных оптических системах отклонения от идеальной формы поверхности не должны превышать 0.1 – 0.02 λ, при этом допуск не зависит от размера поверхности [7].

Плоские и сферические поверхности изготавливаются достаточно просто (методом притирки), и поэтому именно их чаще всего используют в оптических системах. Асферические поверхности используются редко из-за сложности их изготовления и контроля, так как у них различная величина радиуса кривизны по различным направлениям. В настоящее время существуют технологии изготовления асферических поверхностей на станках с программным управлением. Получение точного профиля асферической поверхности возможно только методом ретуши [8].

Диафрагма– это металлический экран с круглым отверстием. На оптических схемах диафрагмы могут быть заданы явно – диафрагма является самостоятельным элементом оптической системы (рис.1.а), или неявно – роль диафрагмы играет край или оправа линзы (рис.1.б). Роль диафрагмы: они часто играют оправы линз, призм, зеркал и др. оптических деталей, зрачок глаза, границы освещённого предмета, в спектроскопах ‒ щели. Размеры и положение диафрагмы определяют освещённость и качество изображения, глубину резкости и разрешающую способность оптической системы, поле зрения. Существует два вида диафрагм: апертурная (действующая диафрагма) и полевая(диафрагма поля зрения).

Апертурная диафрагма, действующая диафрагма - диафрагма или оправа одной из линз, которая ограничивает пучки лучей, выходящие из точек предмета, расположенных на оптической оси и проходящих через оптическую систему. Полеваядиафрагма, диафрагмаполязрения — непрозрачная преграда, ограничивающая линейное поле оптической системы в пространстве предметов или в пространстве изображений [9].

Рис.1. Диафрагмы

Взаимное расположение элементов в оптической системе

Центрированная оптическая система – это оптическая система, которая имеет ось симметрии (оптическую ось) и сохраняет все свои свойства при вращении вокруг этой оси [10].

Для центрированной оптической системы должны выполняться следующие условия:

все плоские поверхности перпендикулярны оси,

центры всех сферических поверхностей принадлежат оси,

все диафрагмы круглые, центры всех диафрагм принадлежат оси,

все среды либо однородны, либо распределение показателя преломления симметрично относительно оси.

Центрированные оптические системы могут включать в себя плоские зеркала и отражающие призмы, ломающие оптическую ось, но, по сути, не влияющие на симметрию системы (рис.2).

Рис.2. Центрированная оптическая система с изломом оптической оси

Нумерация элементов оптической системы ведется по ходу луча (рис.3), а расстояния между поверхностями (толщина линз и воздушные промежутков) откладываются по оси [11].

Рис.3. Нумерация элементов оптической системы

Из-за наличия разных искажений простейшая центрированная оптическая система — линза дает весьма несовершенное изображение. Для сведения к минимуму разного рода искажений обычно пользуются сложной центрированной оптической системой, состоящей из совокупности преломляющих (и отражающих) поверхностей.

Для сложной центрированной оптической системы главное фокусное расстояние измеряется от главного фокуса, т.е. от точки действительного или мнимого пересечения лучей, выходящих из прибора [12].

Правила знаков

Для удобства чтения оптических схем и компьютерных расчетов в оптике приняты единые правила знаков.

Положительным направлением света считается распространение слева направо.

Осевые расстояния между преломляющими поверхностями считаются положительными, если они измеряются по направлению распространения света (слева направо) (рис.4). Радиус кривизны поверхности считается положительным, если центр кривизны находится справа от поверхности (поверхность обращена выпуклостью влево).

Угол между лучом и оптической осью считается положительным, если для совмещения оси с лучом ось нужно вращать по часовой стрелке. Отрезки, перпендикулярные оптической оси считаются положительными, если они располагаются над осью [13].

Рис.4. Правила знаков

При оптических расчетах считается, что после каждой отражающей поверхности показатель преломления, осевое расстояние и угол отражения меняют знак на противоположный.

Луч может пройти одну и ту же поверхность несколько раз, поэтому физическое и расчетное число поверхностей может различаться (рис.5) [14].

Рис.5 Физические и расчетные поверхности

По составу оптические системы делятся на:

линзовые (нет зеркал, кроме плоских для излома оптической оси),

зеркальные,

зеркально-линзовые.

При анализе оптической системы используются понятия меридиональной и сагиттальной плоскости. Меридиональная плоскость – это плоскость, проходящая через оптическую ось (например, плоскость, показанная на рис. 6). Сагиттальная плоскость – это плоскость, которая содержит луч, перпендикулярна меридиональной плоскости и не проходит через ось (может быть ломаной и рассматривается по частям). Примером такой плоскости может служить воображаемая ломаная плоскость, содержащая луч на (рис. 6) и перпендикулярная плоскости этого рисунка [15].

Рис.6 (Меридиональная и сагиттальная плоскости)

Заключение. Оптические системы используются во всех сферах научной деятельности, от биологии до физики. Одним из важнейших оптических элементов является линза. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих во Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать всем отраслям науки. Оптические явления тесно связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным.

Список литературы.1.https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическаясистема.

2.Теория оптических систем, 2 изд., М.: 1981.

3.Дубовик А.С. Прикладная оптика. – М.: Недра, 2002.

4. Заказнов Н.П. Прикладная оптика. – М.: Машиностроение, 2002.

5. Нагибина И.М. и др. Прикладная физическая оптика. Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 2005

6. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. и др. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение, 2004 .

7. Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений - М.: Наука, 1981. – 560 с.

8. Сивухин Д. В., Общий курс физики, Т.4. - Оптика, 2 изд., М.: 1985. 9. Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1974. - Т.18. - 632с.

10.http://www.fotooptica.ru/optika-razdel-fiziki/centrirovannaya-opticheskaya-sistema

11. Арцыбышев С.А. Физика - М.: Медгиз, 1950. - 511с.

12. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. - 656с.

13. Ландсберг Г.С. Оптика - М.: Наука, 1976. - 928с.

14. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Оптика - М.: Наука, 1980. - 751с.

15. http://www.astronet.ru/db/msg/1172370/text#MERIDIONALXNAQ_PLOSKOSTX

Код для цитирования: Скопировать