Учебное пособие: Свойства оптического сигнала

законы отражения (закон Снеллиуса) и преломления (закон Декарта) света;

Рис. 1.14. Формирование прямого (а) и перевернутого (б) изображений плоским зеркалом: 1 – зеркало; 2 и 2' – предмет и его мнимое изображение; 3 – лучи от предмета; 4 – направление наблюдения

Простейшие оптические элементы:

Плоское зеркало (рис. 1.14) представляет систему с единичным увеличением, дающую мнимое изображение предмета. (изображение называют мнимым, если оно образовано не самими лучами, а их продолжениями.) В зависимости от расположения предмета, зеркала и наблюдателя могут реализовываться условия прямого и перевернутого изображений. Элемент свободен от аберраций при любом характере падения лучей. Зеркало – используется для отклонения пучков лучей, их поступательного смещения, оборачивания изображения.

Плоскопараллельная пластинка (рис. 1.15) сохраняет неизменным направление проходящего через нее светового луча, вызывая в то же время его параллельный сдвиг на

Рис. 1.15. Направления падающего (1 и 1'), преломленного (2), проходящего (3) и отраженного (4) лучей в плоскопараллельной пластинке.

При нормальном падении луча пластинка смещает (приближает к себе) изображение вдоль оси на величину

Призмы (рис. 1.16, а, б), представляющие собой многогранники из прозрачного материала, служат главным образом для оборачивания изображения, изменения ширины параллельных пучков лучей, для спектрального разложения световых потоков. При построении оборачивающих систем – используются и отражательные, и преломляющие свойства граней; широкие конструкторские возможности открывает многообразие геометрических форм призм. Максимальная угловая дисперсия – преломляющей призмы при падении на нее параллельного пучка лучей шириной

(1.81)

где d– сторона основания призмы, а dn/dλ– дисперсия ее материала.

Рис. 1.16. Ход лучей в отражающей (а) и преломляющей (б) призмах

Линзы (рис. 1.17) несомненно относятся к числу основных элементов большинства оптических систем; конструктивно они представляют собой однородный – прозрачный материал, ограниченный двумя полированными преломляющими поверхностями, из которых хотя бы одна – неплоская (обычно сферическая). Наиболее распространены тонкие двояковыпуклые сферические линзы, хотя известно и много других их разновидностей. Рассмотрение хода лучей в различных линзах показывает, что они могут служить для преобразования параллельного пучка лучей в сходящийся (собирающая линза), в расходящийся (рассеивающая) или в параллельный пучок другого сечения (телескопическая). Во всех случаях назначение линзы – формирование оптического изображения с одновременным его увеличением (уменьшением). В зависимости от конструкции линзы и места расположения предмета могут формироваться как действительные, так и мнимые изображения. Все разнообразие свойств линз делает их удобными для создания оптических систем различного функционального назначения.

Рис. 1.17. Ход лучей в собирающей (а), рассеивающей (б), телескопической (в) линзах и в линзо-растровом экране (г)

Основным параметром линзы, характеризующим ее преломляющее действие, является оптическая сила Ф, определяемая для тонких линз известной формулой:

где r₁ и r₂ – радиусы кривизны передней (относительно падающих на нее лучей) и задней поверхностей. Правило знаков при определении r₁ , r₂ таково, что в двояковыпуклой линзе r₁ положительно, а r₂ отрицательно; поэтому для такой линзы при |r₁ | = | r₂ | = r

Величина – фокусное расстояние линзы: именно на этом расстоянии от нее сходятся лучи (или их продолжения) преломленного параллельного пучка.

Увеличение линзы ( – расстояние от центра линзы 0 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 (рис. 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 mλ, m=1, 2, 3,… Аппаратная функция такого элемента определяется числом фрагментов N их геометрией, углами падения лучей и их наблюдения, длиной волны В частном случае ()