Оптическая система

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Оптическая система (англ. optical system) — совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для преобразования световых пучковгеометрической оптике), радиоволн (в радиооптике), заряженных частиц (в электронной и ионной оптике)[1].

Оптическая схема — графическое представление процесса изменения света в оптической системе.

Оптический прибор (англ. optical instrument) — конструктивным образом оформленная для выполнения конкретной задачи оптическая система, состоящая, по крайней мере, из одного из базовых оптических элементов. В состав оптического прибора могут входить источники света и приёмники излучения. В иной формулировке, Прибор называют оптическим, если хотя бы одна его основная функция выполняется оптической системой.

Общие сведения[править | править вики-текст]

В оптических приборах не все взаимодействующие со светом детали являются оптическими, специально предназначенными для его изменения. Такими неоптическими деталями в оптических приборах являются оправы линз, корпус и т. п.

Совокупность беспорядочно разбросанных оптических деталей не образует оптической системы.

Обычно под оптическими системами подразумевают системы, преобразующие электромагнитное излучение в видимом или близких диапазонах (ультрафиолетовый, инфракрасный). В таких системах преобразование пучков света происходит за счёт преломления и отражения света, его дифракции (являющейся частным случаем явления интерференции (при необходимости учета ограничения протяженности волновых фронтов), поглощения и усиления интенсивности света (в случае использования квантовых усилителей).

Типы и разновидности оптических систем весьма разнообразны, однако обычно выделяют изображающие оптические системы, которые формируют оптическое изображение и осветительные системы, преобразующие световые пучки от источников света.

Базовые оптические элементы[править | править вики-текст]

Также называются оптическими деталями. Исторически такими элементами являлись:

В XIX веке эта триада была дополнена поляризаторами и дифракционными элементами (дифракционная решётка, эшелон Майкельсона).

В XX веке появились:

Принцип действия[править | править вики-текст]

Оптическая система предназначена для пространственного преобразования поля излучения до оптической системы (в «пространстве предметов») в поле после оптической системы (в «пространстве изображений»). Такое разделение «пространств» весьма условно, поскольку эти различные с точки зрения изменения структуры поля «пространства» могут в некоторых случаях (например при использовании зеркал) совпадать в трёхмерном физическом пространстве.

Преобразование поля из пространства предметов в пространство изображений производится, как правило, путем использования надлежащим образом осуществляемого явления интерференции излучения, определяющего структуру поля в пространстве предметов.[2].

Такая организация и достигается путём использования имеющих определённую форму оптических элементов, действие которых проявляется в явлении преломления, отражения и рассеяния излучения. Физической причиной всех этих явлений является интерференция[2].

Во многих случаях для объяснения действия оптического элемента вполне достаточно применения понятий о сущности этих явлений, без раскрытия роли интерференции, что позволяет описывать поле излучения его формализованной геометрической моделью, основанной на интуитивно понятном представлении о «луче света» и постулате о бесконечно малости длины волны излучения и оптической однородности среды, заполняющей всё пространство, в котором действуют законы геометрической оптики.

Но в случае, когда оказывается необходимым учитывать волновые свойства излучения и принимать во внимание сравнимость размеров оптического элемента с длиной волны излучения, геометрическая оптика начинает давать ошибки, что носит название дифракции[2], по сути своей не являющейся самостоятельным явлением, а лишь той же интерференцией.

Параксиальное приближение[править | править вики-текст]

Даже в случае возможности пренебречь влиянием дифракции, геометрическая оптика позволяет с удовлетворительной точностью предсказать ход лучей в пространстве изображений лишь для тех из них, которые падают на рабочую поверхность очередного оптического элемента под малыми углами по отношению к оси и на малом расстоянии точки падения от оси параксиальные лучи.

В противном случае наблюдаются существенные отклонения хода луча, носящие название аберраций. Их роль может быть уменьшена за счёт усложнения оптической системы (добавления компонентов), отказа от использования сферических поверхностей и их заменой на поверхности образованные кривыми, описываемыми уравнениями более высокого порядка, что связано с существенным усложнением технологии их производства, а также расширения номенклатуры оптических сред в сторону создания прозрачных сред во все более широком спектральном диапазоне и имеющих все более высокие значения показателя преломления[2]. В этом направлении действует специальная отрасль оптико-механической промышленности, исторически связанная с производством оптического стекла, а затем и других оптических сред как аморфных, так и кристаллических. Здесь проявили себя такие специалисты как Шотт и Аббе, а в России — Гребенщиков, Лебедев и др.

Некоторые аберрации (например, хроматическая) проявляются и в параксиальных пучках.

Потери излучения за счет отражения[править | править вики-текст]

Блики из-за переотражений в линзах объектива

Граница двух оптических сред с разными показателями преломления всегда отражает какую либо часть излучения. Так поверхность стекла с показателем преломления 1,5 в воздухе отражает примерно 4 % света. Для снижения этих потерь используется просветление оптики, основанное на возникновении интерференционных эффектов в тонких слоях прозрачных материалов, наносимых на рабочие поверхности. Так, например, для сравнительно простых объективов типа Триплет или Тессар, имеющих 6 границ стекло/воздух, потери на отражение, без использования просветления, составили бы примерно 20 %. С потерями, как таковыми, еще можно было бы мириться, но отраженный свет, повторно отражаясь от других поверхностей, попадает на изображение и искажает его. Такие блики, даже несмотря на просветление, хорошо заметны на фотографиях, снятых против света.

Поглощение излучения[править | править вики-текст]

Кроме пространственного преобразования поля излучения любой оптический элемент всегда ослабляет его интенсивность за счёт потерь, вызванных поглощением излучения материалом, из которого сделан оптический элемент. Использование оптических материалов с минимальным показателем поглощения на длине волны излучения является чрезвычайно важным в волоконной оптике, на использовании которой основано создание волоконных линий связи.

В зеркальных и зеркально-линзовых оптических системах часть излучения поглощается на металлических зеркалах.

Ослабление интенсивности излучения в ряде случаев является полезным (например в солнцезащитных очках), тем более в случае избирательного поглощения излучения цветными светофильтрами.

В настоящее время стало также возможным усиление света за счёт использования внешнего источника энергии.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фотокинотехника, 1981, с. 220
  2. 1 2 3 4 Г. С. Ландсберг. Оптика.

Литература[править | править вики-текст]

  • Е. А. Иофис Фотокинотехника / И. Ю. Шебалин. — М.,: «Советская энциклопедия», 1981. — С. 220, 221. — 447 с.