- •Глава 1. Теоретические основы прикладной оптики
- •1.1. Природа света. Волновой и квантовый характер световых явлений
- •1.2. Законы распространения света
- •1.3. Способы определения скорости света
- •1.4. Когерентность [7]
- •1.4.1. Степень когерентности светового пучка
- •1.4.2. Методы измерения пространственной и временной когерентности
- •1.5. Дисперсия света
- •1.6. Интерференция света
- •1.7. Интерференционные линии равной толщины и равного наклона
- •1.8. Интерферометры
- •1.8.1. Интерферометр Линника
- •1.8.2. Интерферометр Рэлея
- •1.8.3. Звездный интерферометр Майкельсона
- •1.8.7. Схема интерферометра Майкельсона
- •1.8.4. Интерферометр Фабри-Перо
- •1.8.5. Интерферометр Жамена
- •1.8.6. Интерферометр Рождественского
- •1.8.7. Использование интерференции света в промышленности
- •1.9. Дифракция света. Принцип Гюйгенса Френеля
- •1.10. Дифракция Фраунгофера
- •1.10.1. Дифракция от щели
- •1.10.2. Дифракционная решетка
- •1.10.3. Дифракционная решетка как спектральный прибор
- •1.11. Дифракция на круглом отверстии
- •1.11.1. Зоны Френеля
- •1.11.2. Зонная пластинка
- •1.11.3. Линза как дифракционный прибор
- •1.11.4. Пятно Пуассона
- •1.12. Поляризация света
- •1.12.1. Свет поляризованный и неполяризованный. Закон Малюса
- •1.12.2. Одноосные кристаллы
- •1.12.3. Скрещенные поляризаторы
- •1.12.4. Двойное лучепреломление
- •1.12.5. Поляризаторы
- •1.12.6. Анализ поляризованного света
- •1.12.7. Естественное вращение плоскости поляризации
- •1.12.8. Эффект Зеемана и поляризация
- •1.12.9. Искусственное двойное лучепреломление
- •1.12.10. Магнитное вращение плоскости поляризации
- •1.13. Оптически бесцветное стекло. Марки стекла
- •1.14. Требования к стеклу. Классы и категория стекла
- •1.15. Цветное оптическое стекло. Техническое стекло
- •1.16. Выполнение рабочих чертежей оптических деталей в соответствии с ескд
- •Глава 2. Основные оптические детали
- •2.1. Зеркала
- •2.2. Тонкие линзы
- •2.3. Плоскопараллельная пластинка
- •2.4. Оптический клин
- •2.5. Отражательные призмы
- •2.6. Развертка призм в плоскопараллельную пластинку
- •Для прямоугольной призмы с двумя отражениями
- •2.7. Редуцирование призм. Графоаналитический метод расчета призм
- •2.8. Компенсаторы
- •Глава 3. Основные свойства идеальной оптической системы
- •3.1. Идеальная оптическая система
- •3.2. Линейное и угловое увеличение оптической системы.
- •3.3. Правило знаков
- •3.4. Основные оптические формулы. Построение изображения
- •3.5. Инвариант Аббе
- •3.6. Расчет хода нулевого луча
- •3.7. Отдельная линза в воздухе
- •3.8. Расчет хода нулевого луча через сложную оптическую систему
- •3.9. Оптическая система из двух компонент
- •Положим и выберем произвольно, тогда из формул
- •3.10. Графический способ определения хода нулевого луча
- •3.11. Определение хода действительного луча
- •Глава IV. Общие свойства оптических систем
- •4.1. Основные характеристики оптического прибора
- •4.2. Видимое увеличение
- •4.3. Основные фотометрические понятия
- •4.4. Потери света
- •4.5. Диафрагмы и их значение
- •4.6. Виньетирование
- •4.7. Светосила
- •4.8. Освещенность по полю изображения
- •4.9. Поле зрения
- •4.10. Глубина изображаемого пространства
- •4.11. Глубина резкости
- •4.12. Аберрации оптических систем
- •4.12.1. Классификация аберраций
- •4.12.2. Хроматическая аберрация
- •4.12.3. Сферическая аберрация
- •4.12.4. Астигматизм и кривизна изображения
- •4.12.5. Кома
- •Величина, численно характеризующая кому, равна
- •4.12.6. Дисторсия
- •Глава 5. Теория оптических приборов
- •5.1. Зрачки и люки
- •5.2. Отрезки, определяющие положение зрачков
- •5.3. Передача перспективы оптическими приборами
- •5.4. Основные фотометрические величины
- •Мы имеем
- •5.5. Источники излучения
- •5.6. Приемники световой энергии
- •5.7. Светосила оптического прибора
- •5.8. Светосила оптического прибора с малой передней апертурой и малой задней апертурой
- •5.9. Потери света в оптическом приборе
- •Преобразуем эту формулу
- •5.10. Глаз человека
- •5.11. Видимое увеличение оптического прибора
- •5.12. Глубина резкости фотографического аппарата, лупы и микроскопа
- •5.13. Критерий разрешающей способности оптического прибора
- •5.14. Разрешающая способность зрительных труб и фотографических объективов
- •Глава 6. Теория микроскопа
- •6.1. Оптическая система микроскопа
- •Из формулы
- •6.2. Формулы геометрической теории микроскопа
- •Поэтому
- •6.3. Осветительная система микроскопа
- •6.4. Основы дифракционной теории микроскопа
- •6.5. Разрешающая способность микроскопа
- •Окуляр, в нашем случае, есть лупа, для которой мы имели формулу
- •6.6. Фазовый контраст
- •6.7. Производство современных микроскопов
- •6.7.1. Световые
- •Микроскопы серии dm lm
- •Глава 7. Теория телескопических систем
- •7.1. Телескопические системы
- •Для продольного увеличения была получена формула
- •7.2. Зрительная труба Галилея
- •7.3. Зрительная труба Кеплера
- •7.4. Окуляры и объективы зрительных труб
- •7.5. Зрительные трубы с призменными оборачивающими системами
- •7.6. Зрительные трубы с линзовыми оборачивающими системами
- •7.7. Телескопические системы со скачкообразной переменной увеличения
- •Глава 8. Методы компьютерной оптики
- •8.1. Задачи компьютерной оптики [1,2]
- •8.2. Цифровая голография [3-5]
- •8.2.1. Общая процедура изготовления синтезированной голограммы
- •8.2.2. Получение цифровой голограммы Фурье и ее бинаризация
- •8.2.3. Киноформ
- •8.3. Фазовая проблема в оптике. Cоздание на основе решения обратных задач нового класса оптических элементов [1, 2, 6-9]
- •8.3.1. Извлечение фазовой информации из данных об интенсивности
- •8.3.2. Особенности расчета характеристик фокусаторов и корректоров излучения
- •8.3.3. Дифракционные оптические элементы
- •8.3.4. Создание фокусаторов на основе управляемых зеркал
- •8.4. Фокусировка излучения при наличии случайных помех. Использование методов адаптивной оптики [7-9]
- •8.5. Оптические элементы для анализа и формирования поперечного состава излучения [1]
- •8.6. Цифровая обработка полей в оптических системах [10-13]
- •8.6.1. Виды обработки оптических полей
- •8.6.2. Автоматизированная измерительная система для диагностики структуры лазерных пучков
- •Глава 9. Запись и обработка оптической информации
- •9.1. Общая характеристика оптических систем [1-3]
- •9.2. Однолинзовая система [1-4]
- •9.2.1. Линзы как элементы, выполняющие преобразование Фурье
- •9.2.2. Формирование изображения [1]
- •9.3. Получение изображений в сложных системах [1, 8]
- •9.3.1. Дифракционно-ограниченные системы
- •9.4. Учет аберраций [5]
- •9.5. Голографическая запись информации [2, 6-9]
- •9.5.1. Принцип голографической записи
- •9.5.2. Голограммы Фурье
- •9.6. Оптическая фильтрация и распознавание образов [2,3]
- •9.6.1. Применение системы 4-f
- •9.6.2. Голографический метод синтезирования пространственных фильтров и проблема апостериорной обработки информации
- •9.7. Сопоставление методов когерентной и некогерентной оптики [2]
- •9.8. Характеристики качества изображения [10]
- •Оглавление
1.11. Дифракция на круглом отверстии
В плане историческом теоретическое исследование явлений дифракции было исключительно важным для утверждения представлений о волновой природе света. Что и говорить, правильные представления в каждой области очень важны для общего правильного представления о Природе. Только в таком случае мы можем успешно использовать явления всякого рода для наших нужд.
В оптике различные приборы по понятным причинам имеют круглое входные отверстия, диафрагмы и проч. И неизбежная дифракция на круглых отверстиях ограничивает возможности этих приборов. При знакомстве, например, с линзой мы ограничивались параксиальными лучами, достаточно узкими пучками света. Лишь при этом условии преломляющие поверхности линзы можно изготавливать сферическими. Но это, естественно, ограничивает возможности изготовленных из таких линз оптических приборов и, в частности, из-за дифракции. А вот, например, для астрономических наблюдений необходимы грандиозно большие входные отверстия, изменяемые метрами. В этом случае задача изготовления телескопа неимоверно усложняется, телескопы с такими отверстиями очень дороги и, соответственно, уникальны.
Вот для некоторого, хотя бы, понимания этих проблем нам и необходимо заняться обсуждением дифракции на круглых отверстиях.
1.11.1. Зоны Френеля
При знакомстве с дифракцией в параллельных лучах (при бесконечных расстояниях до источника света и до зоны наблюдения) их параллельность сильно упрощала математические проблемы необходимых расчетов, хотя результаты и их смысл не становились от этого очень простыми. Теперь нам придется иметь дело со сферическими волнами, их лучи, разумеется, не параллельны друг другу. Это усложняет нужную для расчета математику, большинство задач поэтому мы будем решать приближенно. Но вначале оставим хотя бы расстояние до источника бесконечным - рассмотрим дифракцию плоской волны на круглом отверстии.
s
P
P
Рис. 1.12.1
В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля каждый элементарный участок фронта s (рис. 1.12.1) может быть рассмотрен как точечный источник сферических волн. Такой участок показан на рисунке. Точка наблюдения p в наших задачах, как правило, будет находиться на оси симметрии на некотором расстоянии от отверстия или от круглой преграды. Разумеется, от различных элементарных участков фронта свет к точке наблюдения будет проходить разные расстояния и при сложении колебаний нам необходимо будет учитывать разности фаз отдельных колебаний. Но разности фаз , понятно, будут нулевыми, если элементарные участки расположены в пределах тонкого кольца, и тогда (пока мы не перешли к другому кольцу) мы можем просто складывать амплитуды колебаний волн, приходящих от таких участков. Поэтому и сами элементарные участки мы будем выбирать в виде тонких колец. Фаза колебаний в точке наблюдения будет зависеть от радиуса такого кольца.
Итак, рассмотрим падение плоской волны на круглое отверстие и проанализируем, как зависит от радиуса отверстия амплитуда суммарных колебаний в точке наблюдения.
L
r =r/b
b P
Рис. 1.12.2
Из рис. 1.12.2 видно, что разность хода лучей от края кольца радиуса r и от центра отверстия
.
Поэтому от кольца с радиусом r колебания будут приходить с запаздыванием по фазе на
.
С помощью векторной диаграммы мы будем складывать колебания, приходящие в точку наблюдения от тонких колечек толщиной r (рис. 1.12.3). Соответствующие векторы на фазовой диаграмме будут повернуты по отношению друг к другу на угол
Рис. 1.12.3
.
При достаточно большом радиусе будет
.
Соответствующий радиус r1 называется (внешним) радиусом первой зоны Френеля. При дальнейшем увеличении радиуса, естественно, величина будет увеличиваться. Из условия k мы получаем выражение для радиуса k-й зоны Френеля:
; .
E0
Рис. 1.12.4
Мы уже достаточно много работали с векторными диаграммами, и должно быть понятно, что при дальнейшем увеличении радиуса отверстия (по сравнению с r1) амплитуда суммарных колебаний в точке наблюдения, пропорциональная длине отрезка (вектора), соединяющего начало и конец дуги, будет уменьшаться. Она достигнет минимума, когда радиус отверстия достигнет внешнего радиуса второй зоны Френеля. Но в отличии от задачи о колебаниях волны, излучаемой щелью при дифракции Фраунгофера, дуга не замкнется в окружность, мы получим некоторую скручивающуюся спираль. Длина вектора, проведенного от начала к центру спирали, дает, очевидно, амплитуду падающей волны - скручивание спирали к центру соответствует бесконечно большому радиуса отверстия, когда дифракция не наблюдается.
Подобная спираль, которую называют спиралью Френеля, получается и в том случае, когда на отверстие падает сферическая волна конечного радиуса a. Выражение для радиусов зон Френеля в этом случае, естественно, иное.
a
S r b P
Рис.1.12.5
На рисунке a - радиус фронта волны, b - расстояние от фронта до точки наблюдения P. Таким образом, расстояние от источника света S до точки наблюдения вдоль оси равно (a+b).
Подсчитаем теперь длину некоторого произвольного луча. Как и раньше, рассматриваем лишь параксиальные лучи. При таком ограничении наши выражения будут приближенными.
Нижний катет прямоугольного треугольника, образованного радиусом фронта a, осью системы и радиусом r некоторого кольца на фронте волны, будет равен
.
Расстояние от источника света до края кольца и от него до точки наблюдения будет равен
.
При преобразованиях мы пренебрегли слагаемым с четвертой степенью r и воспользовались приближенным равенством .
Таким образом, разность хода “прямого” луча от S к точке наблюдения P и луча, проходящего через край кольца радиуса r
,
и разность фаз колебаний волн, проходящим по этим путям,
.
Наконец, из условия получаем для внешнего радиуса k-й зоны Френеля выражение:
.
Естественно, при a это выражение переходит в полученное нами ранее выражение для случая падения на отверстие плоской волны.