Опис оптичних систем

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Опис оптичних систем»
МІНСЬК, 2008

Елементи оптичних систем
Оптична система - це сукупність оптичних середовищ, розділених оптичними поверхнями, які обмежуються діафрагмами. Оптична система призначена для формування зображення шляхом перерозподілу у просторі електромагнітного поля, що виходить з предмета (перетворення світлових пучків).
Перетворення світлових пучків в оптичній системі відбувається за рахунок заломлення і віддзеркалення світла поверхнями, а також за рахунок обмеження пучків діафрагмою. Крім того, пучки світла можуть перетворюватися за допомогою дифракції.
У найбільш загальному випадку оптична система може складатися з таких функціональних елементів:
- Оптичні середовища,
- Оптичні поверхні,
- Дзеркала,
- Діафрагми,
- Дифракційні оптичні елементи.

Оптичні середовища

Оптичні середовища - це прозорі однорідні середовища з точним значенням показника заломлення (з точністю до 4-6 знаків після коми).
В якості оптичних середовищ в оптичних системах в основному застосовують:
- Повітря (вакуум) (n ≈ 1),
- Оптичні скла - точно відомі їхні показники заломлення і різні оптико-фізичні властивості (n = 1,42 ¸ 2,0),
- Оптичні кристали - працюють в більш широкому діапазоні довжин хвиль, ніж скла.
Оптичні системи використовуються в широкому інтервалі довжин хвиль (від УФ до ГИК), тому важливо знати показники заломлення скла та кристалів для різних довжин хвиль. Дисперсія оптичних матеріалів - це залежність показника заломлення від довжини хвилі. Вона описується дисперсійними формулами, званими формулами Зельмейєра:
(1)
(2)
Всі скла відрізняються один від одного характером залежності показника заломлення від довжини хвилі. Можна описувати оптичні матеріали або значеннями коефіцієнтів дисперсійної формули, або безпосередньо значеннями показника заломлення для різних довжин хвиль.
Оптичні матеріали можуть працювати тільки в певному інтервалі довжин хвиль (від λ 1 до λ 2), в межах якого показник заломлення добре описується дисперсійної формулою. Поблизу кордонів цього інтервалу залежність показника заломлення сильно відрізняється від описаного дисперсійної формулою (показник заломлення або різко зменшується, або різко збільшується). Прикордонні інтервали довжин хвиль називаються смугами поглинання. У різних стекол ці смуги різні.
У видимій області спектра можуть стандартні довжини хвиль, звані Фраунгоферови лініями:
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
Основними характеристиками стекол є показник заломлення для основної довжини хвилі і загальна дисперсія , Де , - Найбільша і найменша довжини хвиль, які пропускає скло.
В якості опорних чи основних довжин хвиль для видимої області зараз використовуються: центральна довжина хвилі , Крайні довжини хвиль . Раніше як основних довжин хвиль використовувалися: .
Оптичне скло характеризується показником заломлення для основної довжини хвилі (Або ), А також загальної дисперсією (Або ).
Ще однією важливою характеристикою скла є число Аббе (коефіцієнт відносної дисперсії):
(3)
або
.
Ернст Аббе (Ernst Abbe) - німецький учений, засновник сучасної прикладної оптики, науковий керівник фірм Carl Zeiss і Schott (кінець XIX століття).
Чим менше число Аббе, тим більше дисперсія, тобто сильніше залежність показника заломлення від довжини хвилі. За кількістю Аббе оптичне скло ділять на дві групи:
- - Крони,
- - Флінти.
Комбінація стекол, що належать різним групам, дає можливість створювати високоякісні оптичні системи. Крони і флінти - це основні групи оптичних стекол. Їх назви сформувалися в Англії в XVIII столітті, коли вперше було започатковано промислове виробництво оптичних стекол.

Оптичні поверхні

Оптична поверхню - це гладка регулярна поверхню точно відомої форми.
Поверхні можуть бути:
- Плоскі,
- Сферичні,
- Асферичні.
Найчастіше в оптиці застосуються плоскі поверхні і сферичні поверхні. Для сферичних поверхонь задається один параметр поверхні - радіус кривизни R. Плоскою поверхнею можна вважати сферичну поверхню з радіусом кривизни рівним нескінченності. Для площині R = ∞, але умовно прийнято вважати, що R = 0.
При комп'ютерних розрахунках зручно використовувати не радіус кривизни, а кривизну поверхні:
. (4)
Форма оптичних поверхонь повинна витримуватися з точністю менше довжини хвилі. В ідеальних оптичних системах відхилення від ідеальної форми поверхні не повинні перевищувати , При цьому допуск не залежить від розміру поверхні.
Плоскі та сферичні поверхні виготовляються досить просто (методом притирання), і тому саме їх найчастіше використовують в оптичних системах. Асферичні поверхні використовуються рідко через складність їх виготовлення і контролю, так як у них різна величина радіусу кривизни з різних напрямків. В даний час існують технології виготовлення асферичних поверхонь на верстатах з програмним управлінням. Отримання точного профілю асферичної поверхні можливості можливо тільки методом ретуші.

Діафрагми

Діафрагма - це металевий екран з круглим отвором. На оптичних схемах діафрагми можуть бути задані явно - діафрагма є самостійним елементом оптичної системи (ріс.1.а), або неявно - роль діафрагми грає край або оправа лінзи (ріс.1.б).
SHAPE \ * MERGEFORMAT
а) б)

Малюнок 1 - Діафрагми

Взаємне розташування елементів в оптичній системі

Центрированная оптична система.

Центрована оптична система - це оптична система, яка має вісь симетрії (оптичну вісь) і зберігає всі свої властивості при обертанні навколо цієї осі.
Для центрованої оптичної системи повинні виконуватися наступні умови:
- Всі плоскі поверхні перпендикулярні осі,
- Центри всіх сферичних поверхонь належать осі,
- Все діафрагми круглі, центри всіх діафрагм належать осі,
- Всі середовища або однорідні, або розподіл показника заломлення симетрично щодо осі.
Центровані оптичні системи можуть включати в себе плоскі дзеркала і відображають призми, що ламають оптичну вісь, але по суті не впливають на симетрію системи (рис.2).
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Рісунок.2 - Центрированная оптична система з зламом оптичної осі
Нумерація елементів оптичної системи ведеться по ходу променя (рис.3). Всі відстані між поверхнями (товщини лінз або повітряні проміжки) відкладаються по осі.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
промінь
1
2
4 березня
0 1 2 3 4

Рисунок 3 - Нумерація елементів оптичної системи

Правила знаків

Для зручності читання оптичних схем і комп'ютерних розрахунків в оптиці прийняті єдині правила знаків.
Позитивним напрямком світла вважається розповсюдження зліва направо.
Осьові відстані між заломлюючу поверхню вважаються позитивними, якщо вони вимірюються у напрямку поширення світла (зліва направо) (рис. 4).
Радіус кривизни поверхні вважається позитивним, якщо центр кривизни знаходиться праворуч від поверхні (поверхня обернена опуклістю вліво) (рис. 4).
Кут між променем і оптичною віссю вважається позитивним, якщо для поєднання осі з променем вісь потрібно обертати за годинниковою стрілкою (рис. 4).
Відрізки, перпендикулярні оптичної осі вважаються позитивними, якщо вони розташовуються над віссю (рис. 4).
SHAPE \ * MERGEFORMAT
y> 0
промінь
a> 0
R > 0
d > 0

Малюнок 4 - Правила знаків
На кресленнях та малюнках завжди вказують знак відрізків і кутів. При оптичних розрахунках вважається, що після кожної поверхні, що відбиває показник заломлення, осьова відстань і кут відбиття змінюють знак на протилежний.
Промінь може пройти одну і ту саму поверхню кілька разів, тому фізичне і розрахункова кількість поверхонь може розрізнятися. Наприклад, на рис.5.5 показані 8 фізичних і 12 розрахункових поверхонь.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
2 Січень
8
7
4 березня
6
5
9 10 11 12
3
4 Травня
7 червня
2 Січень
8

Малюнок 5 - Фізичні та розрахункові поверхні
За складом оптичні системи поділяються на:
- Лінзові (немає дзеркал, крім плоских для зламу оптичної осі),
- Дзеркальні,
- Дзеркально-лінзові.

Меридіональна і сагітальній площині

При аналізі оптичної системи використовуються поняття меридіональної і сагітальній площині. Меридіональна площину - це площина, що проходить через оптичну вісь (наприклад площину рисунок 5).
Сагітальна площину - це площина, що містить промінь і перпендикулярна меридіональної площині (може бути ламаної і розглядається по частинах). Її назва походить від слова "сагітти" (лат.) - стріла. Прикладом такої площині може служити уявна ламана площину, яка містить промінь на рис. 5.5 і перпендикулярна площині цього малюнка.

Предмет і зображення в оптичній системі

Основні положення

Оптичні системи в основному призначені для формування зображення (зображують оптичні системи). Для таких систем вводиться поняття предмета та зображення. Для оптичних систем, не будують зображення, поняття предмета та зображення вводиться умовно.
У геометричній оптиці предмет - це сукупність точок, з яких виходять промені, що потрапляють в оптичну систему.
З кожної точки предмета виходить гомоцентріческій пучок променів. Вся можлива сукупність точок (від + ∞ до - ∞) утворює простір предметів. Простір предметів може бути дійсним або уявним.
Оптична система розділяє весь простір на дві частини:
- Простір предметів,
- Простір зображень.
Площина предметів і площину зображень - це площині, перпендикулярні оптичної осі, які проходять через предмет і зображення.

Парні точки

У геометричній оптиці будь-якій точці простору предметів можна поставити у відповідність пов'язану їй точку в просторі зображень. Якщо з деякої точки в просторі предметів виходять промені і ці промені потім перетинаються в просторі зображень в будь-якій точці, то ці дві точки називаються сполученими.
Парні лінії - це лінії, для яких кожна точка лінії в просторі предметів пов'язана з кожною відповідною точкою лінії в просторі зображень (для ідеальних оптичних систем).
У реальних оптичних системах промені, що виходять з точки A, тільки приблизно сходяться в точці A '. Для ідеальних оптичних систем кожній точці простору предметів обов'язково відповідає ідеально сполучена їй точка в просторі зображень.

Типи предмета та зображення

Існують два типи предмета та зображення:
Близький тип - предмет (зображення) розташовані на кінцевій відстані, поперечні розміри вимірюються в одиницях довжини.
Далекий тип - предмет (зображення) розташовані в нескінченності, поперечні розміри виражені в кутовій мірі.
Терміни "кінцеве відстань" і "нескінченність" достатньо умовні і просто відповідають більш-менш близькому розташуванню предмета (зображення) по відношенню до оптичної системи.

ЛІТЕРАТУРА
Бігунів Б.М., замовлене Н.П. та ін Теорія оптичних систем. - М.: Машинобудування, 2004 2004
Замовне Н.П. Прикладна оптика. - М.: Машинобудування, 2002 2002
Дубовик О.С. Прикладна оптика. - М.: Недра, 2002 2002
Нагибіна І.М. та ін Прикладна фізична оптика. Навчальний посібник .- М.: Вища школа, 2005 2005
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
35.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Проектування лінійного тракту волоконно-оптичних систем передачі
Проектування лінійного тракту волоконно оптичних систем передачі
Підготовка до розробки техпроцесу збірки електронно оптичних систем
Теорія ідеальних оптичних систем параксіального або гауссова оптика
Розробка блоку управління фотоприймачем для волоконно-оптичних систем передачі інформації
Опис систем радіоавтоматики
Диференціальні рівняння та опис безперервних систем
Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон для волоконно-оптичних ліній звязку
Опис систем управління безпілотними літальними апаратами
© Усі права захищені
написати до нас