|
| |
|
Слаботочка Книги линзы u места расположения предмета могут формироваться как действительные, так и мнимые изображения. Перечисленное разнообразие свойств линз делает их удобными для создания оптических систем различного функционального назначения. Основным параметром линзы, характеризующим ее преломляющее действие, является оптическая сила Ф, определяемая для тонких линз известной формулой: Ф = (п-!)(1 -1-1 -2), (1.82) где / и Гг - радиусы кривизны передней (относительно падающих на нее лучей) и задней поверхностей. Правило знаков при сшределении гу, гг таково, что в двояковыпуклой линзе положительно, а гг отрицательно; поэтому для такой линзы при I/"!I = 2 Ф = 2(п-1)/;. (1.83) Вели-ина /=Ф- - фокусное расстояние линзы: именно на этом расстоянии от нее сходятся лучи (или их продолжения) преломленного параллельного пучка. Увеличение линзы Txjx-a {х, Хи - расстояние от -центра линзы О до предмета и до изображения соответственно) принципиально может быть любым; практический предел определяется искажениями, так как линза представляет классический пример проявления «всех видов аберраций. Одно из применений свойств линзы - конструкция линзо-растрового экрана (рис. 1.17,г), основное назначение которого в оптоэлектронике (главным образом в индикаторной технике) - создание однородной освещенности на большой площади при использовании источника малых размеров. Дифракционная решетка (рис.1.18) - структура периодически чередующихся фрагментов с различными оптическими свойствами, представляет собой искусственный диспергирующий элемент, т. е. элемент с " острой избирательностью по отношению к потокам излучения, различающимся по длинам волн. Простейшая прозрачная дифракционная решетка выполняется как совокупность параллельных равноотстоящих друг от друга щелей в непрозрачном экране (рнс. 1.16,а). Дифрагирующие на каждой щели лучи интерферируют между собой, образуя максимумы интенсивности в тех угловых направлениях, для которых разность хода отдельных лучей составляет тХ, т=1, 2, 3, ... Аппаратная функция такого элемента определяется числом фрагментов N, их геометрией (а, d), углами падения лучей и их наблюдения (а и Р), длиной волны X. В частном случае (а=0) sin и sinNv 
где w=itasinpA, v = nd sin Р/Х; /о - максимальная интенсивность засветки (прн р=0). В (1.84) второй сомножитель характеризует интерференцию крайних лучей внутри одной щели (условие максимума asinp = ±), а третий - интерференцию подобных лучей из разных щелей (условие максимума dsinp= =±тЯ). Анализ (1.84) показывает, что при увеличении числа щелей (при неизменной их щирине а) интенсивности главных максимумов растут пропорционально № (так как при .малых v sin Nv -~ №), тогда как в среднем интенсивно ь лроходящего света -пропорциональна N. Таким образом, с увеличением N избирательность а-ппаратной функции растет - наблюдаются узкие резки- полосы свечения (рис. 1.16,6). Угловая ширина главных максимумов при не слишком больших т ДРяк2Я/(Ш). (1.85) Дифракционные решетки могут быть одно-, двух- и трехмерные (объемные); по оптическим свойствам щелей различают прозрачные и отражательные решетки. Если при а=р = 0 между различными лучами не возникает разности фаз, решетка называется амплитудной, в противном случае - фазовой (или амплитудно-фазовой). Отметим, что на практике часто прозрачность отдельных участков решетки меняется не скачкообразно, а по синусоидальному закону - это открывает дополнительную возможность повышения избирательности аппаратной функции. Дифракционные решетки, наиболее широко используемые в спектральных приборах, в оптоэлектронике служат главным образом для избирательности (выделения) мод. Волоконно-оптические элементы (рис. 1.19,а, в, г) представляют собой прозрачные осесимметричные структуры с неоднородностью оптических свойств в радиальном направлении. В цилиндрическом волоконном световоде и в фоконе показатель преломления скачкообразно уменьшается на границе сердцевины с оболочкой, в селфоке имеет место постепенный спад значения п в направлении от оси к периферии. Механизм светопередачи в двух первых элементах основан на эффекте .полного внутреннего отражения, а в селфоке - на эффекте рефракции (искривлении траектории луча в оптически неоднородной среде). ,В цилиндрическом световоде углы при входе и выходе луча по абсолютной величине равны (1 авых = авх), это соотношение сохраняется и при не слишком сильном .изгибе световода относительно его оси, следовательно, данный  «Вых Рис. 1.19. Волоконно-оптические элементы: цилиндрический двухслойный световод (с), фокон (б) и его развертка (в), селфок (г)  элемент обладает единичным увеличением (Г=±1). Обычно .цилиндрический световод используется для передачи изображения на расстояние, для изменения ориентировки изображения, в том числе и для его оборачивания. В фоконе при выходе лучей со стороны широкого торца происходит угловое сужение пучка I«выхI = I arcsin [п sin (аз - 2 6)] < I. Неравенство имеет место, так как согласно закону преломления sinaBx = =п sin Oz. Линейное увеличение предмета при его расположении перед суженной частью где Ri к R2 - радиусы узкого и широкого оснований фокона (рис. 1.19,е). Типичное применение фокона в оптоэлектронике - сужение диаграммы направленности точечного источника (например, при вводе излучения лазера в волоконно-оптический тракт). Тогда источник располагают перед узкой частью фокона. Следует иметь в виду, что это возможно, когда апертура источника меньше апертуры световода. Иногда фокон используется и для решения обратной задачи - стягивания большого светового пятна в точку; при этом нежелательный сопутствующий эффект состоит в увеличении угловой расходимости пучка на выходе фокона. В селфоке или цилиндрическом грине внутриапертурные лучи распространяются по синусоидальным траекториям и, как показывают расчеты, при радиальном законе изменения показателя преломления вида n=noSch{yr), где щ - значение п на оси селфока (=0); у - константа, все лучи, исходящие из одной точки, периодически самопроизвольно фокусируются с шагом 1фл/у. В связи с этим селфоки могут использоваться не только для передачи изображений на значительные расстояния (как и двухслойные световоды), но и как плоокопараллельные линзовые элементы. К сожалению, ни при каком законе изменения п{г) в селфоке не удается устранить ни геометрические аберрации (обусловленные яемеридиональными лучами), ни тем более хроматические. Кроме того, селфоки, как правило, имеют небольшую угловую апертуру. Волоконно-оптические элементы используются либо в виде моноэлементов (как на рис. 1.19), либо в виде их сотовых объединений в волоконно-оптические жгуты и пластины. Описанные простейшие оптические элементы часто используются в оптоэлектронике самосточтельно, а иногда в тех или иных комбинациях, образующих оптические приборы, характеризующиеся более высокими значениями определяющих параметров и подавлением аберраций. Обязательным компонентом практически любой оптической системы является объектив, формирующий изображение в необходимом масштабе при его вводе в систему. При этом предмет может располагаться и в бесконечности, но его изображение формируется на конечном расстоянии. Объектив выполняется в виде жестко связанной комбинации нескольких линз; его определяющими параметрами являются апертура, попе зрения, увеличение, фокусное расстояние. Некоторые разновидности объективов используются в качестве конденсоров (устройств, концентрирующих излучение точечного источника) или коллиматоров, преобразующих расходящийся пучок лучей в параллельный. Назначение оптического фильтра состоит в выделении из светового потока необходимых спектральных составляющих, например квазимонохроматического 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [16] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||||||||||