Растровые системы и экраны.

Растром называется решетка, служащая для структурного преобразования пучка лучей. Используют растры прозрачные и отражательные. Растры, элементы которых обладают фокуси­рующим действием, называются оптическими. Они состоят из множества достаточно малых отдельных элементов, каждый из которых создает изображение элемента предмета. Число полу­ченных изображений равно числу элементов растра. Расстояние между осями двух смежных элементов называется шагом растра. Основными оптическими характеристиками растра являются его шаг и фокусное расстояние элемента.

Растровая оптическая система характеризуется тем, что в ней образуется множество входных и выходных зрачков (равное числу элементов), действующих совместно так, что каждый элементар­ный выходной зрачок участвует в создании лишь малого участка формируемого изображения – элемента изображения.

Рис. 9. Схема действия оптиче­ского растра

Действие оптического растра иллюстрирует рис.9. Предмет АВ изображается каждым элементом растра и в резуль­тате получается столько изо­бражений А'₁В'₁, А'₂В'₂,..., сколько элементов имеет растр. Изображение, создаваемое растровой системой, восприни­мается глазом как сплошное, не разбитое на элементы, если видимый угловой размер растрового элемента будет меньше угла, определяющего предел разрешения глаза (меньше одной минуты). Обратный ход лучей от изображений, полученных на экране, через растровую систему восстанавливает в пространстве пред­метов прежнюю форму предмета.

Конструктивные элементы растра рассчитывают на основании законов геометрической оптики.

Благодаря фокусирующему действию растровых оптических систем их широко применяют в оптических приборах различного рода. Растровую систему зачастую используют в качестве освети­тельной. На рис. 10 показана схема такой системы с двумя рас­трами. Первый растр – назовем его основным – создает изобра­жение S' источника S в плоскости, где установлен растр-коллек­тив 1, который направляет пучки лучей во входной зрачок 2, например проекционного объектива. Размеры элемента растра-коллектива должны быть того же порядка, что и размеры элемента основного растра; число элементов этих растров должно быть одинаковым. Подобная осветительная система обеспечивает хоро­шую равномерность освещенности во входном зрачке проекцион­ного объектива. Так как элементы обоих растров имеют весьма короткие фокусные расстояния, в такой осветительной системе нет необходимости точно устанавливать источник света относительно первого растра. Точно необходимо выдер­жать лишь расстояние между растрами и между последним растром и кадровым окном или вход­ным зрачком.

Рис. 10. Схема действия растра-коллектива

Рис. 11. Конструкция растровой отражающей поверхности

Рис. 12. Ход лучей при отражении в растровом экране

Оптические растры нашли применение в ки­новидеопроекционных экранах направленного отра­жения. Эти экраны представляют собой сово­купность достаточно малых по размерам оптических элемен­тов. Растровые поверхности экранов, применяемых в настоящее время для киновидеопроекции, имеют одинаковые отражающие элементы в виде вогнутых, обычно сферических, лунок с прямоугольным конту­ром (рис. 11). Прямоугольная форма элементов (например, 1×1,6 мм) позволяет полу­чить необходимые углы светораспределения, разные в гори­зонтальной и вертикальной плоскостях. Такая форма элементов растра отвечает также требованию сплошного заполнения отдель­ными элементами всей отражающей поверхности.

Отраженный растровым экраном поток рассеивается в преде­лах заданного угла 2σ' (рис. 12), который можно рассчитать по формуле:

sin σ'= D(4r² – D²)^1/2/2r²,

где r – радиус сферического элемента; D – размер сечения элемента.

Линзы Френеля.

Линзы Френеля представляют собой оптические элементы, содержащие или ступенчатые концентрические, или спиральные, или даже параллельные поверхности, профиль которых рассчитывается исходя из поставленных задач: получения безаберрационного изображения осевой точки предмета, увеличения светосилы, формирования светового пятна с равномерным распределением освещенности и др.

Реальные линзы имеют малые коэффициенты пропускания, а увеличение их диаметра приводит не только к увеличению веса, но и к еще большему снижению коэффициента пропусканияиз-за увеличения толщи­ны стекла.

Плоско-выпуклая стеклянная линза диаметром 1 метр при толщине в центральной части 0,3 метра будет иметь вес около 330 кг. Поэтому, чтобы снизить вес линзы большого диаметра, французский ученый Огюстен Френель предложил сферическую линзу со ступенчатыми кольцевыми преломляющими поверхностями. Профиль френелевской линзы показан на рис.13.

Рис.13. Разрез линзы Френеля

Плоская линза Френеля состоит из центрального плоско-выпуклого участка и прилегающих друг к другу концентрических колец, которые можно рассматривать как самостоятельные линзы с малыми угловыми размерами по отношению к фокусу всего профиля. При этом сферическая аберрация плоско-выпуклого участка и концентрических колец получается весьма незначительной. Основой такой линзы является несущий слой (прямолинейный или криволинейный) одинаковой толщины по всему диаметру. Непосредственно на несущем слое расположены рабочие элементы линзы. Толщина несущего слоя зависит от механической прочности материала линзы и от технологических требований, связанных с остыванием линзы после извлечения ее из пресс-формы.

Такие линзы применяются как правило в осветительных приборах. Для получения более равномерного светового пятна поверхность тыльной стороны линз малого диаметра покрыта мелкозернистым растром, а линзы Френеля большого диаметра (более 250 мм) имеют сотовый растр. Переход к френелевым поверхностям является переходом к особого рода несферическим поверхностям, которые можно рассматривать и как коррекционные элементы. Линзы Френеля имеют значительно меньший вес и меньшую толщину, чем обычные линзы при минимальном уголе охвата 45° и коэффициенте пропускания τ=0,84. Кроме линз с прямолинейным несущим слоем в осветительных приборах используются также линзы Френеля с криволинейным несущим слоем (Рис. 14).

Рис.14. Линза Френеля с криволинейным несущим слоем в схеме преломляющей светооптической системы.

Для увеличения угла охвата до 120° применяются сдвоенные линзы Френеля с криволинейным несущим слоем на внешней стороне у внешней линзы и на внутренней стороне у внутренней линзы.

Характерной особенностью линз Френеля является нерабочий участок на каждом кольце профиля френелевой поверхности в месте перехода одного кольца в другое. Если профиль будет иметь скошенные от центра к краю линзы грани кольцевых рабочих элементов (профиль Аллара), то в такой линзе Френеля нерабочий участок устраняется и потери света значительно снижаются.

Для увеличения угла охвата до 180° необходимо применение линз с катадиоптрическим профилем элементов, работающих на принципе полного внутреннего отражения.

В отечественных разработках прожекторов используются стандартный ряд линз Френеля:

В зарубежных моделях осветительных приборов используются линзы Френеля следующих диаметров: 50, 80, 112, 175, 250, 350, 420 и 625 мм.

Казалось бы, линза Френеля должна работать как обычная. Но с точки зрения физики волновой оптики явления, происходящие в этой линзе значительно сложнее, так как изменяются фазы отдельных пучков и концентрация света в фокусе такой линзы несколько иная, чем, в случае если бы линза была сплошной. Для построения изображений такая «плоская» линза использоваться не может, т. к. для нее характерна фокусировка изображения только в очень узком диапазоне длин волн, практически в монохромном свете, причем это принципиально и исправлению не подлежит. Описанная линза небольших размеров используется в визирных устройствах фотоаппаратов и только очень условно может называться плоской, так как также имеет кольца-зубцы очень малой высоты. Она обычно изготавливается горячим прессованием из пластмасс (полиметилметакрилат) и просто на ощупь кажется плоской.