Что такое просветленная оптика кратко

Обновлено: 04.07.2024

Математическое описание прохождения полем границы раздела двух сред имеет большое значение при проектировании оптических систем, где встречается ряд практически важных частных случаев. Ниже рассматриваются эти случаи, а также пример применения формул Френеля (параграф 3.2) при создании средств, уменьшающих потери света на отражение.

3.3.1. Нормальное падение

При нормальном падении . Тогда коэффициент отражения определяется так:

Если граница раздела сред – стекло-воздух, то , то есть при нормальном падении света на стекло отражается около 4% энергии.

3.3.2. Угол Брюстера

Из выражения (3.2.13) следует, что при угле падения таком, что , коэффициент отражения параллельно поляризованного света . Следовательно, при определенном угле падения свет при параллельной поляризации совсем не отражается, а отражается только ортогонально поляризованный свет (рис.3.3.1).

Угол, при котором происходит полная поляризация при отражении, называется углом Брюстера :

(3.3.3)

Рис.3.3.1. Угол Брюстера.

Можно наглядно показать различия зависимостей коэффициентов отражения света от границы раздела двух сред для двух случаев поляризации. Для этого строится график зависимости и от угла падения (рис.3.3.2). Индекс обозначает такое состояние поляризации света, при котором электрический вектор перпендикулярен плоскости падения (), а – состояние поляризации, при котором электрический вектор лежит в плоскости падения (). График показывает, что граница раздела двух сред оказывает наиболее сильное влияние на поляризацию падающего света для углов падения, близких к углу Брюстера. Это явление используется при создании специальных преобразователей светового поля – поляризаторов.

Рис.3.3.2. График зависимости коэффициентов отражения
для TM и TE поляризованного света от угла падения .

3.3.3. Просветление оптики. Тонкие пленки

При прохождении света через сложные оптические системы с большим количеством оптических деталей на каждой поверхности теряется около 4% света. В результате через систему может пройти всего 20% светового потока. Применение тонкослойных пленок для ослабления френелевского отражения называется просветлением оптики . Просветляющие покрытия могут уменьшить отражение в 3-4 раза.

Принцип действия просветляющих покрытий основан на явлении интерференции. На поверхность оптической детали наносят тонкую пленку, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла . Луч, отраженный от поверхности пленки, и луч, отраженный от границы пленка-стекло когерентны. Можно подобрать толщину пленки так, чтобы при интерференции они погасили бы друг друга, усиливая, таким образом, проходящий свет (рис.3.3.3).

Рис.3.3.3. Просветление оптики.

Для этого, во-первых, амплитуды двух отраженных волн должны быть равны , и, во-вторых, фазы (эйконалы) должны отличаться на половину периода, чтобы лучи погасили друг друга ( или ). Для этого необходимо выполнение следующих условий:

Просветле́ние о́птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. Показатель преломления таких плёнок меньше показателя преломления стёкол линз.

Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения. Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить. Кроме того, тончайшие пленки загрязнений (жир, масло) на поверхности просветляющего покрытия нарушают его работу и резко увеличивают отражение света от загрязненной поверхности. Следует помнить, что следы пальцев со временем разрушают не только просветление, но и поверхность самого стекла. По методике нанесения и составу просветляющего покрытия просветление бывает физическим (напыление) и химическим (травление).

Содержание

Однослойное просветление

Толщина просветляющего слоя (например, кремниевой кислоты) равняется 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность станет равной нулю. Для наилучшего эффекта показатель преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы. Наиболее подходящим материалом для просветляющей пленки является фторид бария, обладающий весьма низким (n=1,38) показателем преломления. Однако, фторид бария растворим в воде и требует нанесения защитного покрытия.

В настоящее время однослойное просветление часто используется для лазерной оптики, рассчитанной на работу в узком спектральном диапазоне. Используя стекла с относительно высоким показателем преломления и напыляя пленку фторида бария, удается добиться минимальной отражающей способности около 1 %. Главным преимуществом такого просветления является его дешевизна.

Многослойное просветление

Инфракрасная оптика

Некоторые оптические материалы, используемые в инфракрасном диапазоне имеют очень большой показатель преломления. Например у германия показатель преломления близок к 4.1 . Такие материалы требуют обязательного просветления.

Текстурированные покрытия

Добиться уменьшения отражения можно с помощью текстурирования поверхности, то есть создания на ней массива из конусообразных рассеивателей или двумерных канавок. Такой способ был впервые обнаружен при изучении структуры глаза некоторых видов мотыльков. Наружная поверхность роговицы глаза таких мотыльков, играющая роль линзы, покрыта сетью конусообразных пупырышек, называемых роговичными сосками, обычно высотой не больше 300 нм и примерно таким же расстоянием между ними. Поскольку длина волны видимого света больше размера пупырышек, их оптические свойства могут описываться с помощью приближения эффективной среды. Согласно этому приближению свет распространяется через них так же, как если бы он распространялся через среду с непрерывно меняющейся эффективной диэлектрической проницаемостью. Это в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента отражения, что позволяет мотылькам хорошо видеть темноте, а также оставаться незамеченными для хищников вследствие уменьшения отражательной способности от глаз.

Текстурированная поверхность обладает антиотражающими свойствами также и в коротковолновом пределе, при длинах волн много меньших характерного размера текстуры. Это связано с тем, что лучи, первоначально отразившиеся от текстурированной поверхности, имеют шанс все же проникнуть в среду при последующих переотражениях. При этом текстурирование поверхности создает условия, при которых прошедший луч может отклониться от нормали, что ведет к эффекту запутывания прошедшего света (англ. - light trapping), используемому, например, в солнечных элементах.

В длинноволновом пределе (длины волны больше размера текстуры) для расчета отражения можно использовать приближение эффективной среды. В коротковолновом пределе (длины волны меньше размера текстуры) для расчета отражения можно использовать метод трассировки лучей. В случае, когда длина волны сопоставима с размером текстуры, отражение можно рассчитать только путем численного решения уравнений Максвелла. Антиотражающие свойства текстурированных покрытий хорошо изучены в литературе для широкого диапазона длин волн [1] [2] . .

См. также

Источники

Литература

Просветле́ние о́птики — технология обработки поверхности линз, призм и других оптических деталей для снижения отражения света от оптических поверхностей, граничащих с воздухом. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контрастность изображения за счёт снижения мешающих паразитных отражений в оптической системе.

Большинство применяемых оптических систем, например, объективы фотоаппаратов и видеокамер, состоят из многих линз, и отражение от каждой поверхности раздела стекла с воздухом уменьшает проходящий полезный световой поток. Без применения методов просветления падение интенсивности проходящего света в многолинзовой системе может достигать нескольких десятков процентов. Поэтому во всех современных объективах используется просветлённая оптика.

Применяются четыре пути снижения коэффициента отражения от поверхности, в том числе, просветления оптики:

С использованием интерференционных тонкослойных покрытий.
С использованием явления поляризации света.
Придание оптической поверхности микротекстурных неровностей.
Просветление градиентным изменением показателя преломления.

В основном применяются интерференционные просветляющие покрытия оптических поверхностей. В таких покрытиях на оптические поверхности наносится один или несколько слоёв тонкой плёнки, соизмеримой по толщине с длиной световых волн. Показатель преломления этих слоёв отличается от показателя преломления материала оптической детали. Должным подбором толщин покрытия и их показателей преломления удаётся снизить коэффициент отражения практически до нуля для одной или нескольких, в случае многослойных покрытий, длин волн света.

Покрытия поверхностей, снижающие коэффициент отражения, также называют антибликовыми или противобликовыми покрытиями. Такие покрытия применяются не только в оптических системах, но и для уменьшения мешающих бликов от других поверхностей, например, экранов мониторов.

Длина волны (l) – это расстояние между ближайшими точками, имеющими одинаковую фазу колебания.

Частота (n) – количество циклов, совершенных за единицу времени. Единица частоты называется Герцем. (Гц)

Период колебания (Т) – минимальный промежуток времени, через который движение тела полностью повторяется.

Амплитуда (Е) – максимальное значение смещения или изменения переменной величины при колебательном или волновом движении. Для электромагнитных волн соответствует величине электрического и магнитного полей.

Скорость распространения (u) – расстояние, проходимое волной за единицу времени (зависит от среды распространения).

u = n ∙ l

2. Что такое интерференция и где она используется? Интерференционные светофильтры? В чём их достоинства и недостатки?

Интерференция света – явление взаимного усиления и ослабления света при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые направление и частоту колебаний n.

Интерференция света, сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей.

Некоторые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем. И. с. возникает только в случае, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны.

Не может быть преломления света без отражения → при прохождение света через линзы объектива происходит паразитная засветка внутри объектива, ненужное отражение → чем больше линз больше теряется качество изображения 4-8%, значит можно было бы использовать линзы с меньшим коэффициентом преломления, но более пухлые, а это создаёт вероятность искажения изображения…

Просветление оптики – нанесение для увеличения светопропускания (прозрачности) объектива на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки, преломляющая способность которой меньше преломляющей способности стекла линз:

- толщина этой пленки l/4

- один слой может убрать только одну длину волны → многослойное просветление, в котором наносят

Просветление оптики, уменьшение отражения коэффициентов поверхностей оптических деталей путём нанесения на них одной или нескольких непоглощающих плёнок. Без таких (просветляющих) плёнок потери на отражение света могут быть значительными; так в видимой области спектра (длина волны l = 400-700 нм) даже при нормальном падении лучей на границе воздух - оптическая среда они могут составлять до 10% от интенсивности падающего излучения. В системах с большим числом поверхностей, например в сложных объективах, потери света могут достигать 70% и более. Многократное отражение от преломляющих поверхностей вызывает появление внутри приборов рассеянного света, что ухудшает качество изображений, формируемых оптическими системами приборов. Эти нежелательные явления устраняются с помощью просветления оптики.

Интерференционные светофильтры (один из них схематически изображен на рис. 1) состоят из двух полупрозрачных зеркал (например, слоев серебра) и помещенного между ними слоя диэлектрика оптической толщиной /2, , 3/2 ( — длина волны в максимуме пропускания). В проходящем свете интерферируют лучи, непосредственно прошедшие через Светофильтр и отражённые 2, 4, 6 и более раз от полупрозрачных слоев; в отражённом свете интерферируют лучи, отражённые 1, 3, 5 и более раз. В результате в проходящем свете остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине слоя диэлектрика, а в отражённом эти лучи отсутствуют. Кривые пропускания таких светофильтров показаны на рис. 2.

- Интерференционные Светофильтр выделяют узкие области спектра (до 15—20 А)

- не уменьшают количество света, или потери света гораздо меньше, у абсорбционных светофильтров.

- наличие значительного фона вне полос пропускания

- зависимость положения этих полос от угла падения лучей света → нельзя применять для широкоугольной оптики, т.к. под разными углами получаются разные цвета Þ делают изогнутые для того чтобы свет под разными углами падал перпендикулярно поверхности.

Рис. 1. Схематическое изображение простейшего интерференционного светофильтра. Между двумя тонкими слоями серебра, служащими полупрозрачными зеркалами, расположен слой диэлектрика оптической толщиной /2 ( — длина волны в максимуме пропускания). Для защиты от повреждений и удобства обращения светофильтр заключён между двумя стеклянными пластинками.

Рис.2. Кривые пропускания интерференционных светофильтров с серебряными полупрозрачными зеркалами при различных значениях коэффициента отражения R серебряных слоев.  — коэффициент пропускания. Максимум пропускания — при длине волны ₀ = 5600 Å (560 нм).

Конверсионные светофильтры (это фильтры с просветлением – синие и желтые)

Конверсионные светофильтры актуальны в большей степени для пленочных камер, которым, чтобы гарантировать правильный спектральный состав достигающих пленки лучей, необходимы насадки на объектив. В цифровой съемке подобные фильтры менее актуальны благодаря возможности настроить баланс белого и обработать снимок программным способом, хотя в некоторых случаях фильтр тонкой коррекции не повредит и цифровому изображению.

85А, 85B и 85C необходимы при фотосъемке на пленку, сбалансированную для искусственного освещения, при дневном свете. Светофильтр 85А уменьшает цветовую температуру с 5500° К до 3400° К, 85В уменьшает цветовую температуру с 5500° К до 3200° К, 85С уменьшает цветовую температуру с 5500оК до 3800оК. Результат применения светофильтра аналогичен съемке при дневном освещении на фотопленку, сбалансированную для 5500° К.

Интерференционно поляризационные cветофильтрs, в которых используется явление интерференции поляризованных лучей, могут выделять сверхузкие спектральные области (до долей ангстрема) при полном отсутствии фона. Однако такие Светофильтр применяют редко, главным образом в астрофизических исследованиях, т. к. они представляют собой сложные оптические системы, очень чувствительные к температуре и другим внешним влияниям.

Излучение лазера монохроматично и когерентно, то есть имеет постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также хорошо определённую поляризацию. Обычные источники света, такие как лампа накаливания, излучают свет в разных направлениях с широким диапазоном длин волн. Большинство из них также некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны подвержена случайным флуктуациям. Излучение обычного источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников обычно не обладает фиксированной поляризацией.

- можно рисовать фигуры

- бесконечный коридор прорисовывается лазером (дым, пар – в театральной постановке)

- использование в качестве светового фильтра

- добавление субтитров на киноэкран

- галография, печать на дисках

- фотолитогра́фия — метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике

- нанесение тончайшей сетки на поляризационные светофильтры

3. Что такое дисперсия света?
Почему в фото-кино прожекторах используют линзы Френеля?

Дисперсия света– зависимость преломления света от длины волны и показателя преломления среды.

Дисперсия – причина хроматической аберрации.

Луч света, который попадает на границу двух сред, преломляется. Разница сред обуславливается разностью скорости распространения света в материалах. Чем больше плотность, тем больше преломляется свет (алмаз сверкает, больше чем стекло, т.к. его плотность больше)

Коэффициент преломления зависит не только от материала, свойств среды, но и от длины волны: чем больше длина волны, тем коэффициент меньше.

Красные преломляются меньше, а синие больше.

Отсюда понятно, почему для радиоволн не действует линза, они такие длинные, что не преломляются.

Чем больше отражается, тем меньше света проходит.

Когда мы светим через линзу, то на проекции мы видим по краям светового пятна радугу.

Волновая природа света

Длина волны (l) – это расстояние между ближайшими точками, имеющими одинаковую фазу колебания.

Частота (n) – количество циклов, совершенных за единицу времени. Единица частоты называется Герцем. (Гц)

Период колебания (Т) – минимальный промежуток времени, через который движение тела полностью повторяется.

u = n ∙ l

- толщина этой пленки l/4

- один слой может убрать только одну длину волны → многослойное просветление, в котором наносят

- Интерференционные Светофильтр выделяют узкие области спектра (до 15—20 А)

- не уменьшают количество света, или потери света гораздо меньше, у абсорбционных светофильтров.

- наличие значительного фона вне полос пропускания

Конверсионные светофильтры (это фильтры с просветлением – синие и желтые)

- можно рисовать фигуры

- бесконечный коридор прорисовывается лазером (дым, пар – в театральной постановке)

- использование в качестве светового фильтра

- добавление субтитров на киноэкран

- галография, печать на дисках

- нанесение тончайшей сетки на поляризационные светофильтры

3. Что такое дисперсия света?
Почему в фото-кино прожекторах используют линзы Френеля?

Дисперсия света– зависимость преломления света от длины волны и показателя преломления среды.

Дисперсия – причина хроматической аберрации.

Красные преломляются меньше, а синие больше.

Отсюда понятно, почему для радиоволн не действует линза, они такие длинные, что не преломляются.

Чем больше отражается, тем меньше света проходит.

Когда мы светим через линзу, то на проекции мы видим по краям светового пятна радугу.

Согласно континуальной концепции Гюйгенса – Френеля, свет – это волновой процесс. Пустоты с точки зрения континуальной концепции описания природы не существует. Свет распространяется согласно принципу Гюйгенса –Френеля, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло колебание-возмущение является источником вторичных (когерентных) волн.

В настоящее время теория волновой оптики имеет прочный статус и применяется в различных сферах практической деятельности. Рассмотрим использование волновых свойств света в просветлении оптики.

Просветление оптики – это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, очень тонкой прозрачной плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. Показатель преломления таких плёнок меньше показателя преломления линз данной оптической системы. Просветление оптики происходит путём напыления на поверхность линз, на границе вещество-воздух, тончайшей плёнки, или нескольких слоёв плёнок один поверх другого. Эта манипуляция позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контраст изображения за счёт подавления бликов, возникающих при частичном отражении света от поверхности линзы. Величины показателей преломления чередуются по величине и подбираются таким образом, чтобы за счёт явления интерференции света уменьшить (или совсем устранить) нежелательное отражение световых лучей от линз оптической системы.

Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения. Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить. Кроме того, тончайшие пленки загрязнений (жировых или масляных) на поверхности просветляющего покрытия нарушают его работу и увеличивают отражение света от загрязненной поверхности. Следует помнить, что следы пальцев со временем разрушают не только просветляющие плёнки, но и поверхность самого материала линзы. По методике нанесения и составу просветляющего покрытия просветление бывает физическим – напыление и химическим – травление.

Просветление оптики – антибликовое покрытие применяется во многих областях, где свет проходит через оптический элемент и требуется снизить потери интенсивности или устранить отражение. Наиболее распространёнными случаями являются линзы очков и объективы камер, биноклей, перископов, прицелов и других оптических систем.

Список литературных и информационных источников

1 Горбачев В.В. Концепции современного естествознания / В.В. Горбачев. – М.: Оникс 21 век Мир и образование, 2016. – 704 с.

2 Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для студентов вузов. – 11-е изд., перераб. и доп. – М.: КНОРУС, 2012. – 670 с.

Читайте также: