Реферат
по дисциплине «Оптические измерения»
по теме: «Оптические приборы и их применения »
Выполнил:
студент 4 курса
группы № 4142
Петров Д.С.
Проверил:
к. т. н. ____________ Бородин А. Н.
Дубна, 2020
Оглавление
Введение. 3
Базовые оптические элементы.. 4
Линзы.. 4
Оптические призмы.. 6
Зеркала. 11
Световые фильтры.. 12
Список литературы.. 16
Введение
Оптические приборы — это устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Отдавая дань исторической традиции, оптическими обычно называют приборы, работающие в видимом свете. При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Для многих приборов определяющей характеристикой оказывается поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета.
Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света и называется разрешающей силой. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси.
При желании создать качественный оптический прибор следует оптимизировать набор его основных характеристик – светосилы, разрешающей способности и увеличения. Нельзя сделать хороший, например, телескоп, добиваясь лишь большого видимого увеличения и оставляя малой светосилу (апертуру). У него будет плохое разрешение, так как оно прямо зависит от апертуры. Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств. Но при воплощении любой спроектированной оптической системы в готовый оптико-механический прибор необходимо расположить все оптические элементы в строгом соответствии с принятой схемой, надежно закрепить их, обеспечить точную регулировку положения подвижных деталей, разместить диафрагмы для устранения нежелательного фона рассеянного излучения. Нередко требуется выдерживать заданные значения температуры и влажности внутри прибора, сводить к минимуму вибрации, нормировать распределение веса, обеспечить отвод тепла от ламп и другого вспомогательного электрооборудования. Значение придается внешнему виду прибора и удобству обращения с ним.
Базовые оптические элементы
Термин «Оптические приборы» является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны. Оптическая система — совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для определённого формирования пучков световых лучей (в классической оптике), радиоволн (в радиооптике), заряженных частиц (в электронной и ионной оптике). Вообще по своей сути, оптический прибор — это конструктивным образом оформленная для выполнения конкретной задачи оптическая система, состоящая, по крайней мере, из одного из базовых оптических элементов, исторически такими элементами являлись:
1. Линзы.
2. Призмы.
3. Зеркала.
4. Световые фильтры.
Теперь рассмотрим каждый оптический элемент или как их еще называют, оптические детали, подробней.
Линзы
Под этим понятием подразумевают абсолютно любой объект, который способен изменять направление распространения электромагнитного излучения. Это общее определение линз в физике, под которое попадают оптические стекла, магнитные и гравитационные линзы.
В данном реферате главное внимание будет уделено именно оптическим стеклам, которые представляют собой объекты, изготовленные из прозрачного материала, и ограниченные двумя поверхностями. Одна из этих поверхностей обязательно должна иметь кривизну (то есть являться частью сферы конечного радиуса), в противном случае объект не будет обладать свойством изменения направления распространения световых лучей. Суть работы этого незамысловатого оптического объекта заключается в явлении преломления солнечных лучей. В начале XVII века знаменитый голландский физик и астроном Виллеброрд Снелл ван Ройен опубликовал закон преломления, который в настоящее время носит его фамилию. Формулировка этого закона следующая: когда солнечный свет переходит через границу раздела двух оптически прозрачных сред, то произведение синуса угла падения между лучом и нормалью к поверхности на коэффициент преломления среды, в которой он распространяется, является величиной постоянной.
Виды линз
Вид оптической линзы в физике определяется исключительно формой поверхностей, которые ее образуют. От этой формы зависит направление преломления падающего на них луча. Так, если кривизна поверхности будет положительной (выпуклой), то при выходе из линзы световой пучок будет распространяться ближе к ее оптической оси. Наоборот, если кривизна поверхности является отрицательной (вогнутой), тогда пройдя через оптическое стекло, луч станет удаляться от его центральной оси.
Отметим еще раз, что поверхность любой кривизны преломляет лучи одинаково (согласно закону Стелла), но нормали к ним имеют разный наклон относительно оптической оси, в результате получается разное поведение преломленного луча.
Линза, которая ограничена двумя выпуклыми поверхностями, называется собирающей. В свою очередь, если она образована двумя поверхностями с отрицательной кривизной, тогда она называется рассеивающей. Все остальные виды оптических стекол связаны с комбинацией указанных поверхностей, к которым добавляется еще и плоскость. Каким свойством будет обладать комбинированная линза (рассеивающим или собирающим), зависит от суммарной кривизны радиусов ее поверхностей.
Традиционное применение линз — бинокли, телескопы, оптические прицелы, теодолиты, микроскопы и фотовидеотехника. Одиночные собирающие линзы используются как увеличительные стёкла. Другая важная сфера применения линз офтальмология, где без них невозможно исправление недостатков зрения — близорукости, дальнозоркости, неправильной аккомодации, астигматизма и других заболеваний. Линзы используют в таких приспособлениях, как очки и контактные линзы. В радиоастрономии и радарах часто используются диэлектрические линзы, собирающие поток радиоволн в приёмную антенну, либо фокусирующие на цели. В конструкции плутониевых ядерных бомб для преобразования сферической расходящейся ударной волны от точечного источника (детонатора) в сферическую сходящуюся применялись линзовые системы, изготовленные из взрывчатки с разной скоростью детонации (то есть с разным коэффициентом преломления
Оптические призмы
Оптические призмы являются одним из основных элементов при создании оптических систем и оптических приборов. Призмы широко используются в оптических приборах различного назначения, таких как наблюдательные оптические приборы (телескопы, бинокли, микроскопы и другие), оптические приборы для регистрации изображений на электронных приёмниках, сложные многофункциональные оптические приборы. Причём, чем сложнее оптический прибор, тем большее количество и номенклатура оптических призм может в нём использоваться. Например, большое число сложных оптических призм используется в таких оптических приборах как спектральные оптические приборы, интерферометры, поляриметры и другие.
Оптические призмы в зависимости от их оптической конструкции функционально позволяют:
· Изменять ход лучей в оптических приборах;
· Изменять направление оптической оси системы;
· Изменять направление линии оптического визирования;
· Оборачивать оптические изображения;
· Уменьшать габариты оптических систем;
· Разделять пучки лучей в оптических системах;
· Объединять поля в оптических системах;
· Вращать в оптических системах изображения;
· Компенсировать в оптических системах поворот изображения;
· Разлагать белый свет в спектр;
· Получать поляризованный свет;
Следует отметить, что действие оптической призмы подобно зеркалу. однако в ряде случаев использовать оптические призмы удобнее, чем зеркала. Отметим некоторые преимущества призм перед зеркалами:
· Действие одной призмы, часто, заменяет действие системы зеркал. Углы между зеркалами должны регулироваться с большой точностью при сборке, система зеркал подвержена разъюстированию. Углы между гранями призмы неизменны;
· Потери света у призм от граней с полным внутренним отражением равны нулю, тогда как при отражении от поверхностей зеркал потери довольно велики; кроме того, отражающие покрытия зеркал с течением времени могут портиться;
· Конструкция крепления призм в оправах, как правило, проще чем системы зеркал, имеет меньшие габариты;
Вместе с тем, встречаются оптические системы и оптические приборы, в которых замена оптических призм на зеркала целесообразна. Важнейшими факторами являются вес прибора (зеркала значительно легче призм), а также стоимость. Кроме того призмы в ряде случаев являются источниками хроматических и некоторых других аберраций.
Рабочие и нерабочие поверхности призмы - плоскости. Различают преломляющие рабочие поверхности призмы, через которые световой пучок входит в призму и выходит из нее, и отражающие поверхности призмы, от которых пучок отражается при прохождении внутри призмы. Число рабочих граней и взаимное их расположение определяет ход пучка внутри призмы и все преобразования пучка, которые при этом происходят.
Если осевой луч проходит внутри призмы в одной плоскости, то такую призму называют плоской. Если осевой луч идет в двух плоскостях, - такая призма называется пространственной.
Сечение призмы плоскостью, в которой проходит осевой луч пучка, называется главным сечением призмы; у плоских призм одно главное сечение, у пространственных главных сечений столько, сколько плоскостей, в которых проходит осевой луч.
Отражательные призмы. Основными характеристиками работы отражательных призм являются угол отклонения и смещение светового пучка, а также оборачивание изображения. Углом отклонения называется угол между направлениями осевого луча до и после призмы, причем, промежуточные отклонения луча внутри призмы во внимание не принимаются.
|
| Ри |
Оборачивание изображения зависит от числа отражающих граней и их расположения в пространстве. Для плоских призм при четном числе отражающих граней изображение не оборачивается призмой, при нечетном - оборачивается в главном сечении. Для оборачивания изображения в плоскости, нормальной к главному сечению, одна из отражающих граней призмы заменяется крышей, которая представляет собой две отражающих поверхности, образующие двугранный угол 90°, симметрично расположенные относительно главного сечения призмы.
|
Каждая оптическая призма обозначается двумя буквами и числом, разделенными знаком тире. Первая буква указывает число отражающих граней призмы (А - одно отражение, Б - два, В - три), вторая - характер ее конструкции (Р - равнобедренная, П - пента-призма, У - полупента, С - ромбическая, Л - призма Лемана). Число обозначает угол отклонения осевого луча в градусах. При этом крыша считается за одну грань. Обозначается крыша индексом "к" у первой буквы. Для пространственных призм указываются углы отклонения в соответствующих плоскостях по ходу луча.
Плоские призмы с четным числом отражающих граней дают прямое изображение. При наклоне такой призмы в главной плоскости выходящий пучок лучей не отклоняется. Плоские призмы с нечетным числом отражающих граней дают зеркальное изображение предмета. При наклоне их в плоскости главного сечения лучи отклоняются на двойной угол.
Отражательные призмы развертываются в плоскопараллельную пластинку. Развертка призмы выполняется путем постепенного перевертывания контура главного сечения призмы вокруг отражающих граней по ходу луча в призме. Длина развертки призмы равна геометрической длине хода пучка в призме
|
Если призма не развертывается в плоскопараллельную пластинку, то она действует как клин с большим преломляющим углом и вызывает хроматизм и искажение изображения. Такие призмы применяются с дополнительным (компенсирующим) клином.
Призмы, представляющие собой комбинации из двух или большего числа простых типовых призм, скрепляемых в единый блок с помощью склейки или закрепления в оправе, называются составными или сложными. Они применяются в тех случаях, когда типовые призмы не подходят для проектируемой системы по габаритам или углу отклонения, или требуется уменьшить габариты системы. На рисунке далее приведены призмы с клином, и составные призмы прямого зрения.
|
На рисунке далее приведены составные пространственные призмы, использующиеся как оборачивающие призменные системы - призменные системы Малафеева-Порро первого и второго рода соответственно.
|
Обычное назначение отражательных призм - отклонение пучка и оборачивание изображения. Однако в оптических приборах часто применяются призмы, решающие и другие задачи, например, соединение или разделение пучков, разделение поля. Примеры призм, решающих подобные задачи, приведены на рисунке.
|
Спектральные призмы. Спектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией (dn/d l). Угол выхода лучей из призмы зависит от длины волны излучения. Прохождение луча через призму связано с преломлением, зависящим от материала. Для изготовления хороших спектральных призм должен использоваться материал, прозрачный с исследуемой области спектра, обладающий большой дисперсией, высокой оптической однородностью и изотропностью, быть сравнительно недорогим и хорошо обрабатываться. Материал для поляризационных призм, напротив, должен быть анизотропным.
Для ультрафиолетовой части спектра часто используется природный кристаллический кварц, хотя он обладает двойным лучепреломлением, вращает плоскость поляризации, достаточно дорог и недоступен в виде больших кусков достаточной однородности и прозрачности. Получаемый искусственным выращиванием кварц достаточно однороден и свободен от двойного лучепреломления. Однако для видимой области кварцевые призмы малопригодны.
Для видимой области основным материалом для изготовления спектральных призм служит стекло. Как правило, спектральные призмы делают из тяжелых стекол типа флинт, обладающих большой дисперсией. Для большинства сортов тяжелых стекол большая дисперсия сопровождается значительным поглощением в коротковолновой части видимого спектра.
Поверхности призм из тяжелых флинтов подвержены воздействию химически агрессивной атмосфере. Заметные разрушения поверхности наблюдаются в призмах приборов, установленных в химических лабораториях, где в атмосфере присутствуют пары кислот.
Для призм с размерами более 100 мм трудно изготовить достаточно однородное стекло. Хорошие кристаллы кварца больших размеров встречаются также чрезвычайно редко. Эти обстоятельства ограничивают размеры призм в промышленных приборах. Призмы большого размера изготовлены в единичных лабораторных экземплярах.
Основные свойства призмы проще всего проследить на простейшей спектральной призме, форма которой показана на рисунке.
|
Двугранный угол с ребром АВ называется преломляющим. Плоскости ABCD и ABC'D' называются преломляющими гранями призмы. Плоскость, перпендикулярная ребру призмы и проходящая через его середину, называется плоскостью главного сечения.
Зеркала
Зеркало — гладкая поверхность, предназначенная для отражения света (или другого излучения). Наиболее известный пример — плоское зеркало. Зеркала широко используются в оптических приборах — спектрофотометрах, спектрометрах в других оптических приборах. Различают несколько видов зеркал:
Плоское зеркало — Простейшее оптическое устройство, способное создавать изображение предмета. Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым, так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье».
Сферическое зеркало — представляет собой часть поверхности шара и может быть вогнутым или выпуклым. Хотя принято считать, что зеркала должны быть стеклянными, на практике сферические зеркала чаще делают металлическими
Параболическое зеркало — Это вогнутый диск, немного напоминающий по форме чашу и способный отражать свет, имеет зеркальное покрытие и, будучи правильно направлено, фокусирует весь падающий свет в одной точке, находящейся немного выше центра параболоида
Гиперболическое зеркало — это зеркало, у которого поверхность выполнена в виде одной из полостей эллиптического гиперболоида.
Световые фильтры
Светофильтр в оптике, технике — оптическое устройство, которое служит для подавления (выделения) части спектра электромагнитного излучения. В мире существует огромное количество всевозможных световых фильтров и каждый предназначен для своих целей, например: защитный фильтр, предназначен для предохранения передней поверхности объектива от механических воздействий. Часто в этой роли используется ультрафиолетовый фильтр.
Виды фильтров:
Нейтральный фильтр, служит для снижения эффективной светосилы объектива без изменения геометрической, а также для снижения эффективной светосилы объектива, не имеющего диафрагмы.
Солнечный фильтр — чрезвычайно плотный нейтральный фильтр, позволяющий без вреда для фотографа и фотоматериала снимать солнце, ядерный взрыв и другие явления, значительно превышающие по яркости обычные предметы.
Градиентный фильтр, выравнивает яркость сцены, притемняя или меняя цвет части изображения. Обычно служит для компенсации избыточной яркости неба и для получения различных художественных эффектов. Также применяется термин «Оттенённый светофильтр».
Спектральные (цветные)
Ультрафиолетовый фильтр (бесцветный фильтр) — предназначен для снижения воздействия ультрафиолетовой части спектра в горных, высотных и иных аналогичных условиях съёмки. Актуален только в случае, если объектив пропускает ультрафиолетовую часть спектра.
Инфракрасный фильтр — пропускает инфракрасную часть спектра, задерживая все остальные части спектра.
Корректирующие фильтры применяются в чёрно-белой фотографии — «жёлтый фильтр», «жёлто-зелёный фильтр», «оранжевый фильтр» и «красный фильтр». Эти фильтры демпфируют синюю часть спектра и делают изображение более контрастным. «Голубой фильтр» обладает противоположными свойствами.
Конверсионный фильтр — общее название группы фильтров, служащих для преобразования (конверсии) спектра.
Флуоресцентный фильтр — специальный корректирующий светофильтр, приводящий освещение лампами дневного света к балансу, близкому к лампам накаливания.
Мозаичный фильтр — светофильтр, состоящий из большого числа элементов разных цветов, расположенных в определённом порядке. Применяется при получении пробного цветного отпечатка, по которому определяется комбинация корректирующих субтрактивных светофильтров.
Светофильтры методов цветовоспроизведения
Аддитивные светофильтры — цветоделительные зональные светофильтры, выделяющие из исходного светового потока белого света трёх пространственно разделённых (с помощью других оптических элементов) потоков: синего, зелёного и красного.
Тепловой фильтр, теплофильтр — избирательно поглощает или отражает инфракрасное излучение и пропускает с малыми потерями диапазон видимого света. Применяются в осветительной аппаратуре, в проекторах для защиты плёнки, а также в микрофотографии для защиты биологических объектов от нагревания.
Абсорбционные, обладают спектральной избирательностью, обусловленной различным поглощением различных участков спектра электромагнитного излучения. Наиболее массовые фильтры. Производятся на основе окрашенных оптических стёкол или органических веществ (например, из желатины).
Интерференционный фильтр, отражает одну и пропускает другую часть спектра падающего излучения, благодаря явлению многолучевой интерференции в тонких диэлектрических плёнках. Также называется Дихроичный фильтр.
Отражательный фильтр. Действие отражательных фильтров основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала. Преимуществом отражательного фильтра перед абсорбционными является единственность участвующей в оптической системе поверхности и отсутствии хроматических аберраций, вносимых преломляющими прозрачными средами.
Поляризационный фильтр. Простейший съёмочный поляризационный фильтр линейной поляризации, содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от части отражений в стекле.
Дисперсные фильтры основаны на зависимости показателя преломления от длины волны. В сочетании с отражающими и/или интерференционными фильтрами, а также растром часто служат для создания расщепляющих оптических систем — дихроических призм. Находят применение в современных мультимедийных проекторах, где являются основным инструментом разделения светового потока мощной лампы накаливания на три спектральных диапазона. Применяются в качестве эффектных фильтров для получения радужных изображений.
Заключение
В настоящее время ни один оптический прибор не обходится без базовых элементов, таких как: линза, призма, зеркало, светофильтр. Все даже самые сложные приборы содержат эти элементарные составляющие, какова бы не была концепция прибора. Наш современный мир не мыслится без оптических приборов, потому как самые невероятные открытия человечества, как раз таки сделаны при помощи них. Например, без микроскопа ученые бы никогда не узнали о том, что все вещества в мире состоят из элементарных, малых частиц. Так же, никогда бы не был открыт микромир и все его обитатели, будь то какие-нибудь бактерии или вирусы! Без микроскопа никогда бы не произошел научный «бум» в медицине и не были бы открыты многие имеющиеся на сегодняшний день медикаменты. Если задуматься, то без созданного когда, то людьми телескопа мир до сих пор бы опирался на неправильные гипотезы о существовании нашей планеты, галактики, и все возможных небесных тел. Без телескопа мы бы никогда не узнали, что это наша планета крутится вокруг солнца, а не оно вокруг нас. На мой взгляд, о бессмысленности и бесполезности оптических приборов, даже не стоит и думать!
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 1970
2. Ефремов А.А. и др. Сборка оптических приборов. М., 1978
3. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 1980
4. Кулагин С.В. Основы конструирования оптических приборов. Л., 1982
5. https://www.labor-microscopes.ru/tehnologii/optical-prism.html