Осветительные и проекционные приборы. Прожекторы.

В оптической схеме прожектора источник света, например кратер дугового электрического разряда, находится в фокусе параболического отражателя. Лучи, исходящие из всех точек дуги, отражаются параболическим зеркалом почти параллельно друг другу. Пучок лучей немного расходится потому, что источником служит не светящаяся точка, а объем конечного размера.

Диаскоп.

В оптическую схему этого прибора, предназначенного для просмотра диапозитивов и прозрачных цветных кадров, входят две линзовые системы: конденсор и проекционный объектив. Конденсор равномерно освещает прозрачный оригинал, направляя лучи в проекционный объектив, который строит изображение оригинала на экране. В проекционном объективе предусматриваются фокусировка и замена его линз, что позволяет менять расстояние до экрана и размеры изображения на нем. Оптическая схема кинопроектора такая же.

СХЕМА ДИАСКОПА. A - диапозитив; B - линзовый конденсор; C - линзы проекционного объектива; D - экран; S - источник света

Спектральные приборы.

Основным элементом спектрального прибора может быть дисперсионная призма либо дифракционная решетка. В таком приборе свет сначала коллимируется, т.е. формируется в пучок параллельных лучей, затем разлагается в спектр, и, наконец, изображение входной щели прибора фокусируется на его выходную щель по каждой длине волны спектра.

Спектрометр.

В этом более или менее универсальном лабораторном приборе коллимирующая и фокусирующая системы могут поворачиваться относительно центра столика, на котором расположен элемент, разлагающий свет в спектр. На приборе имеются шкалы для отсчетов углов поворота, например дисперсионной призмы, и углов отклонения после нее разных цветовых составляющих спектра. По результатам таких отсчетов измеряются, например, показатели преломления прозрачных твердых тел.

Спектрограф.

Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210-800 нм), стекла (360-2500 нм) или каменной соли (2500-16000 нм). В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области.

Фотоаппарат представляет собой замкнутую светонепроницаемую камеру. Изображение фотографируемых предметов создается на фотопленке системой линз, которая называется объективом. Специальный затвор позволяет открывать объектив на время экспозиции.

Особенностью работы фотоаппарата является то, что на плоской фотопленке должны получаться достаточно резкими изображения предметов, находящихся на разных расстояниях.

В плоскости фотопленки получаются резкими только изображения предметов, находящихся на определенном расстоянии. Наведение на резкость достигается перемещением объектива относительно пленки. Изображения точек, не лежащих в плоскости резкого наведения, получаются размытыми в виде кружков рассеяния. Размер d этих кружков может быть уменьшен путем диафрагмирования объектива, т.е. уменьшения относительного отверстия a / F. Это приводит к увеличению глубины резкости.

Объектив современной фотокамеры состоит из нескольких линз, объединенных в оптические системы (например, оптическая схема Тессар). Число линз в объективах самых простых фотокамер — от одной до трех, а в современных дорогих фотоаппаратах их бывает до десяти или даже восемнадцати.

Оптическая схема Тессар

Оптических систем в объективе может быть от двух до пяти. Практически все оптические схемы устроены и работают одинаково – они фокусируют проходящие через линзы лучи света на светочувствительной матрице.

Только от объектива зависит качество изображения на снимке, будет ли фотография резкой, не исказятся ли на снимке формы и линии, хорошо ли она передаст цвета — все это зависит от свойств объектива, поэтому объектив и является одним из самых важных элементов современной фотокамеры.

Линзы объектива делают из специальных сортов оптического стекла или оптической пластмассы. Создание линз одно из самых дорогостоящих операций создания фотокамеры. В сравнении стеклянных и пластмассовых линз стоит отметить, то пластмассовые линзы дешевле и легче. В настоящее время большинство объективов недорогих любительских компактных камер изготавливается из пластмассы. Но, такие объективы подвержены царапинам и не так долговечны, примерно через два-три года они мутнеют, и качество фотографий оставляет желать лучшего. Оптика камер подороже изготавливается из оптического стекла.

В настоящее время большинство объективов компактных фотокамер изготавливается из пластмассы.

Между собой линзы объектива склеивают или соединяют при помощи очень точно рассчитанных металлических оправ. Склейку объективов можно встретить намного чаще, нежели металлические оправы.

Проекционный аппарат предназначен для получения крупномасштабных изображений. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D) на удаленном экране Э. Система линз K, называемая конденсором, предназначена для того, чтобы сконцентрировать свет источника S на диапозитиве. На экране Эсоздается действительное увеличенное перевернутое изображение. Увеличение проекционного аппарата можно менять, приближая или удаляя экран Э с одновременным изменением расстояния между диапозитивом D и объективом O.

Понятие о голографии.

Голография (от греч. holos grapho – полная запись) – особый способ записи информации. В 1948 г. английский физик (венгр по национальности) Денис Габор высказал идею принципиально нового метода получения объемных изображений объектов. Он предложил регистрировать с помощью фотопластинки не только амплитуды и интенсивности, как с помощью обычной фотографии, но и фазы рассеянных объектом волн, воспользовавшись для этого явлением интерференции волн. Это позволяет избавиться от потери информации при фиксировании оптических изображений. Однако, практическое применение этот способ нашел только после изобретения лазеров – источников света высокой степени когерентности (временнόй и пространственной). В 1963 г. были получены первые лазерные голограммы.

Советский ученый Ю.Н. Денисюк в 1962 г. предложил оригинальный способ фиксирования голограмм на толстослойной эмульсии. Этот метод дает цветное изображение, и восстанавливается оно обычным белым светом.

Рассмотрим элементарный способ получения голограмм на толстослойной эмульсии (простейшая голографическая схема изображена на рис. 9.12 (BS – светоделитель, M1–M3 – глухие зеркала, L –короткофокусная линза, C – коллиматор, H – голограма)).

Испускаемый лазером луч, расширяется и делится на две части. Одна часть падает на фотопластинку, отразившись от зеркала (опорный луч), другая часть отражается от предмета (предметный луч). Оба пучка лучей должны быть когерентными. Опорный и предметный лучи складываются на фотопластинке, образуя интерференционную картину. Там, где максимумы интенсивности, эмульсия засвечивается сильнее, где минимумы – слабее.

Рис. 9.12

Для восстановления изображения проявленную фотопластинку помещают в то самое место, в котором она находилась при фотографировании, и освещают опорным пучком света (часть лазерного пучка, которая освещала предмет, перекрывается). Опорный пучок дифрагирует на голограмме, в результате возникает волна точно такая же, как волна, отраженная предметом. Эта волна дает мнимое изображение предмета, которое воспринимается глазом наблюдателя.

Необходимо отметить, что обычная фотопластинка фиксирует только интенсивность, а голограмма – зависимость интенсивности от фазы.

Голограммы обладают следующими особенностями, отличающими их от фотографий.

· Голограмма дает объемное изображение.

· Голограмму можно разбить, и каждый осколок даст изображение. Объясняется это тем, что каждая точка пластинки при экспонировании подвергается действию волн, отраженных от всех точек предмета. При отделении части голограммы, уменьшается число «штрихов» своеобразной дифракционной решетки. Поэтому уменьшается разрешающая способность и интенсивность изображения при восстановлении, но картинка сохраняется.

· При воспроизведении изображения возможно его увеличение или уменьшение. Для увеличения необходимо при воспроизведении использовать излучение с большей частотой, чем при экспозиции. В этом случае масштаб увеличения можно определить по формуле.

· Цветные голограммы получают на толстослойных эмульсиях. При этом экспозиция проводится несколько раз с монохроматическим излучением. На голограмме фиксируется не плоская, а пространственная интерференционная картина и формируется пространственная решетка. Для воспроизведения голограмму освещают белым светом, и максимумы волн различной длины располагаются в различных точках пространства, формируя объемное цветное изображение, парящее в пространстве (рис. 9.13). На рис. 9.14 показан сильно увеличенный участок голографического негатива.

Рис. 9.13	Рис. 9.14

Хотя голографию изобрели в 1949 г., она получила широкое распространение лишь с начала шестидесятых годов, после изобретения лазера. В настоящее время голография представляет собой одно из главных направлений в оптических исследованиях. Ведутся исследования и разработки по применению голографии в медицине. Например, при получении оптических голограмм глаза, обеспечивающих единое трехмерное изображение хрусталика и сетчатки, или акустических голограмм тела, которые могут иметь важное преимущество по сравнению с двумерными рентгенограммами. К другим применениям голограммы относятся исследования и разработки по созданию кассетной видеозаписи, запоминающих электронно-вычислительных устройств, а также способов неразрушающих испытаний материалов.

Дисперсия света.

Опыт Ньютона

До вто­рой по­ло­ви­ны XVII века не было пол­ной яс­но­сти, что же такое цвет. Неко­то­рые уче­ные го­во­ри­ли, что это свой­ство са­мо­го тела, неко­то­рые за­яв­ля­ли, что это раз­лич­ные со­че­та­ния свет­ло­го и тем­но­го, тем самым путая по­ня­тия цвета и осве­щен­но­сти. Такой цве­то­вой хаос царил до того вре­ме­ни, пока Исаак Нью­тон не про­вел опыт по про­пус­ка­нию света сквозь приз­му (рис. 1).

Рис. 1. Ход лучей в приз­ме (Ис­точ­ник)

Вспом­ним, что луч, про­хо­дя­щий через приз­му, тер­пит пре­лом­ле­ние при пе­ре­хо­де из воз­ду­ха в стек­ло и потом еще одно пре­лом­ле­ние – из стек­ла в воз­дух. Тра­ек­то­рия луча опи­сы­ва­ет­ся за­ко­ном пре­лом­ле­ния, а сте­пень от­кло­не­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния. Фор­му­лы, опи­сы­ва­ю­щие эти яв­ле­ния:

= n; ; =

Рис. 2. Опыт Нью­то­на (Ис­точ­ник)

В тем­ной ком­на­те сквозь став­ни про­ни­ка­ет узкий пучок сол­неч­но­го света, на его пути Нью­тон раз­ме­стил стек­лян­ную трех­гран­ную приз­му. Пучок света, про­хо­дя через приз­му, пре­лом­лял­ся в ней, и на экране, сто­яв­шем за приз­мой, по­яв­ля­лась раз­но­цвет­ная по­ло­са, ко­то­рую Нью­тон на­звал спек­тром (от ла­тин­ско­го «spectrum» – «ви­де­ние»). Белый цвет пре­вра­тил­ся сразу во все цвета (рис. 2). Какие же вы­во­ды сде­лал Нью­тон?

1. Свет имеет слож­ную струк­ту­ру (го­во­ря со­вре­мен­ным язы­ком – белый свет со­дер­жит элек­тро­маг­нит­ные волны раз­ных ча­стот).

2. Свет раз­лич­но­го цвета от­ли­ча­ет­ся сте­пе­нью пре­лом­ля­е­мо­сти (ха­рак­те­ри­зу­ет­ся раз­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми пре­лом­ле­ния в дан­ной среде).

3. Ско­рость света за­ви­сит от среды.

Эти вы­во­ды Нью­тон из­ло­жил в своем зна­ме­ни­том трак­та­те «Оп­ти­ка». Ка­ко­ва же при­чи­на та­ко­го раз­ло­же­ния света в спектр?

Дисперсия света

Как по­ка­зы­вал опыт Нью­то­на, сла­бее всего пре­лом­лял­ся крас­ный цвет, а силь­нее всего – фи­о­ле­то­вый. Вспом­ним, что сте­пень пре­лом­ле­ния све­то­вых лучей ха­рак­те­ри­зу­ет по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния n. Крас­ный цвет от фи­о­ле­то­во­го от­ли­ча­ет­ся ча­сто­той, у крас­но­го ча­сто­та мень­ше, чем у фи­о­ле­то­во­го. Раз по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ста­но­вит­ся все боль­ше при пе­ре­хо­де от крас­но­го конца спек­тра к фи­о­ле­то­во­му, можно сде­лать вывод: по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния стек­ла уве­ли­чи­ва­ет­ся с воз­рас­та­ни­ем ча­сто­ты света. В этом и со­сто­ит суть яв­ле­ния дис­пер­сии.

Вспом­ним, как по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния свя­зан со ско­ро­стью света:

n = => n ~

n ~ ν; V ~ => ν =

n – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния

С – ско­рость света в ва­ку­у­ме

V – ско­рость света в среде

ν – ча­сто­та света

Зна­чит, чем боль­ше ча­сто­та света, тем с мень­шей ско­ро­стью свет рас­про­стра­ня­ет­ся в стек­ле, таким об­ра­зом, наи­боль­шую ско­рость внут­ри стек­лян­ной приз­мы имеет крас­ный цвет, а наи­мень­шую ско­рость – фи­о­ле­то­вый.

Раз­ли­чие ско­ро­стей света для раз­ных цве­тов осу­ществ­ля­ет­ся толь­ко при на­ли­чии среды, есте­ствен­но, в ва­ку­у­ме любой луч света лю­бо­го цвета рас­про­стра­ня­ет­ся с одной и той же ско­ро­стью м/с. Таким об­ра­зом мы вы­яс­ни­ли, что при­чи­ной раз­ло­же­ния бе­ло­го цвета в спектр яв­ля­ет­ся яв­ле­ние дис­пер­сии.

Дис­пер­сия – за­ви­си­мость ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния света в среде от его ча­сто­ты.

От­кры­тое и ис­сле­до­ван­ное Нью­то­ном яв­ле­ние дис­пер­сии ждало сво­е­го объ­яс­не­ния более 200 лет, лишь в XIX веке гол­ланд­ским уче­ным Ло­рен­сом была пред­ло­же­на клас­си­че­ская тео­рия дис­пер­сии.

При­чи­на этого яв­ле­ния – во вза­и­мо­дей­ствии внеш­не­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния, то есть света со сре­дой: чем боль­ше ча­сто­та этого из­лу­че­ния, тем силь­нее вза­и­мо­дей­ствие, а зна­чит, тем силь­нее будет от­кло­нять­ся луч.

Дис­пер­сия, о ко­то­рой мы го­во­ри­ли, на­зы­ва­ет­ся нор­маль­ной, то есть по­ка­за­тель ча­сто­ты рас­тет, если ча­сто­та элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния рас­тет.

В неко­то­рых редко встре­ча­ю­щих­ся сре­дах воз­мож­на ано­маль­ная дис­пер­сия, то есть по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды рас­тет, если ча­сто­та па­да­ет.

Цвет

Мы уви­де­ли, что каж­до­му цвету со­от­вет­ству­ет опре­де­лен­ная длина волны и ча­сто­та. Волна, со­от­вет­ству­ю­щая од­но­му и тому же цвету, в раз­ных сре­дах имеет одну и ту же ча­сто­ту, но раз­ные длины волн. Чаще всего, го­во­ря о длине волны, со­от­вет­ству­ю­щей опре­де­лен­но­му цвету, имеют в виду длину волны в ва­ку­у­ме или воз­ду­хе. Свет, со­от­вет­ству­ю­щий каж­до­му цвету, яв­ля­ет­ся мо­но­хро­ма­ти­че­ским. «Моно» – один, «хро­мос» – цвет.

Рис. 3. Рас­по­ло­же­ние цве­тов в спек­тре по дли­нам волн в воз­ду­хе (Ис­точ­ник)

Самый длин­но­вол­но­вый – это крас­ный цвет (длина волны – от 620 до 760 нм), самый ко­рот­ко­вол­но­вый – фи­о­ле­то­вый (от 380 до 450 нм) и со­от­вет­ству­ю­щие ча­сто­ты (рис. 3). Как ви­ди­те, бе­ло­го цвета в таб­ли­це нет, белый цвет – это со­во­куп­ность всех цве­тов, этому цвету не со­от­вет­ству­ет ка­кая-то стро­го опре­де­лен­ная длина волны.

Чем же объ­яс­ня­ют­ся цвета тел, ко­то­рые нас окру­жа­ют? Объ­яс­ня­ют­ся они спо­соб­но­стью тела от­ра­жать, то есть рас­се­и­вать па­да­ю­щее на него из­лу­че­ние. На­при­мер, на ка­кое-то тело па­да­ет белый цвет, ко­то­рый яв­ля­ет­ся со­во­куп­но­стью всех цве­тов, но это тело лучше всего от­ра­жа­ет крас­ный цвет, а осталь­ные цвета по­гло­ща­ет, то оно нам будет ка­зать­ся имен­но крас­но­го цвета. Тело, ко­то­рое лучше всего от­ра­жа­ет синий цвет, будет ка­зать­ся си­не­го цвета и так далее. Если же тело от­ра­жа­ет все цвета, оно в итоге будет ка­зать­ся белым.

Имен­но дис­пер­си­ей света, то есть за­ви­си­мо­стью по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния от ча­сто­ты волны, объ­яс­ня­ет­ся пре­крас­ное яв­ле­ние при­ро­ды – ра­ду­га (рис. 4).

Рис. 4. Яв­ле­ние ра­ду­ги (Ис­точ­ник)

Ра­ду­га воз­ни­ка­ет из-за того, что сол­неч­ный свет пре­лом­ля­ет­ся и от­ра­жа­ет­ся ка­пель­ка­ми воды, дождя или ту­ма­на, па­ря­щи­ми в ат­мо­сфе­ре. Эти ка­пель­ки по-раз­но­му от­кло­ня­ют свет раз­ных цве­тов, в ре­зуль­та­те белый цвет раз­ла­га­ет­ся в спектр, то есть про­ис­хо­дит дис­пер­сия, на­блю­да­тель, ко­то­рый стоит спи­ной к ис­точ­ни­ку света, видит раз­но­цвет­ное све­че­ние, ко­то­рое ис­хо­дит из про­стран­ства по кон­цен­три­че­ским дугам.

Также дис­пер­си­ей объ­яс­ня­ет­ся и за­ме­ча­тель­ная игра цвета на гра­нях дра­го­цен­ных кам­ней.

Итоги

1. Яв­ле­ние дис­пер­сии – это раз­ло­же­ние света в спектр, обу­слов­лен­ное за­ви­си­мо­стью по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния от ча­сто­ты элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния, то есть ча­сто­ты света. 2. Цвет тела опре­де­ля­ет­ся спо­соб­но­стью тела от­ра­жать или рас­се­и­вать ту или иную ча­сто­ту элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: