Дзеркала

Дзеркало - самий старий оптичний інструмент, який коли-небудь використовувався або був розроблений. Щораз, коли світло проходить від одного середовища в інше, є декілька відбиттів. Для збільшення відбивної здатності наноситься одношарове або багатошарове покриття на фронтальну або внутрішню поверхню плоскопараллельної пластини або іншої підкладки будь-якої бажаної форми. Поверхневі дзеркала першого типу більш прийнятні. У другому випадку (внутрішня поверхня), світло повинно увійти в середину пластини, що має в загальному випадку відмінний від зовнішнього середовища індекс заломлення.

Рис. 4.9. Дзеркало із другою відбиваючою поверхнею.

У цьому випадку повинні бути враховано кілька ефектів. Перший, через заломлюючий індекс n пластини, відбивна поверхня виявляється ближчою (Рис.4.9). Віртуальна товщина d пластини для невеликих кутів Θ₁ може бути знайдена із простої формули:

d≈L/n. (4.22)

Зовнішня поверхня дзеркала може також відбивати істотну кількість світла, створюючи так зване уявне відбиття. Наприклад, скляна пластина відбиває приблизно 4 % видимого світла. Далі, матеріал пластини може мати істотне поглинання на довжині хвилі, що нас цікавить. Наприклад, якщо дзеркало працює в далекому ІЧ спектральному діапазоні, повинна використовуватися або металізована зовнішня поверхня підкладки або внутрішня поверхня, якщо підкладка виготовлена з ZnSe, або іншого прозорого на необхідній довжині хвилі матеріалу.

Рис. 4.10. Спектральна відбивна здатність деяких покриттів дзеркала.

Такі матеріали як Si або Ge мають занадто велике поверхневе відбиття, щоб їх можна було використовувати для виготовлення дзеркал із внутрішньою поверхнею. Поверхневі покриття, що відбивають, для видимого й близького ІЧ діапазонів можуть бути: срібними, алюмінієвими, хромованими, або з родію. Золото краще для обладнань у далекій інфрачервоній спектральній області. Вибираючи відповідне покриття, відбиваюча здатність дзеркал може перебувати в діапазоні від 0 до 1 (Рис. 4.10).

Кращі широкосмугові дзеркала використовують чисто металеві шари, нанесені напилюванням у вакуумі або електролітичним осадженням на скляних, металевих підкладках, або із плавленого кварцу. Щоб досягтися вирівнюючого ефекту, на дзеркало можна наносити ґрунтовку з міді, цирконію-міді, або молібдену перед нанесенням шару, що відбиває. Інший зручний відбивач, який може служити як друге поверхневе дзеркало без потреби у відбивних покриттях - призма, де використовується ефект повного внутрішнього відбиття (ПВВ). Кут повного внутрішнього відбиття - функція заломлюючого індексу:

Θ₀ =arcsin (1/n). (4.23)

Повні внутрішні відбивачі найбільш ефективні у видимому й близькому інфрачервоному спектральному діапазоні, коли коефіцієнт відбиття близький до одиниці. Принцип ПВВ фундаментальний для роботи оптичних волокон.

Відбивна поверхня може бути сформована фактично в будь-якій формі, щоб відхилити напрямок поширення світлового променя. В оптичних системах, увігнуті дзеркала дають еквівалентний ефект як і лінзи. Переваги, які вони мають, включають: (1) більш високий коефіцієнт передачі, особливо в довгохвильовому спектральному діапазоні, де лінзи є менш ефективними через більш високе поглинання й відбиття;

(A) (B)

Рис. 4.11. Сферичні (A) і параболічні (B) фронтально-поверхневі дзеркала.

(2) відсутність викривлень внаслідок відмінності заломлюючого зусилля для різних довжин хвиль (дисперсії - колірне відхилення), і (3) менший розмір і вага в порівнянні з багатьма типами лінз. Сферичні дзеркала використовуються щораз, коли світло повинно бути зібрано і сфокусоване (фокус - від латинського значення слова " fireplace" (камін)). Однак, сферичні дзеркала гарні тільки для паралельного або майже паралельного світлового пучка, який падає на дзеркало під кутом близьким до нормального. Ці дзеркала страждають від дефектів відображення названих абераціями. Рис. 4.11A показує сферичне дзеркало із центром кривизни в точці C. Фокус розташований на відстані половини радіуса від поверхні дзеркала. Сферичне дзеркало астигматичне, що означає що промені "поза віссю" зосереджені далеко від її фокуса. Однак такі дзеркала є дуже корисними в датчиках, де немає особливих вимог до якості зображення - наприклад, в інфрачервоних датчиках руху, які докладно описані в розділі 6.5 глави 6. Параболічне дзеркало досить корисне для фокусування світла "поза віссю". Коли воно використовується в нашім випадку реалізується повний доступ до фокальної області без затінення, як показано на Рис. 4.11B.

Лінзи

Лінзи користі в сенсорах і датчиках, щоб відхилити напрямок світлових променів і направити їх бажаним способом. На Рис. 4.12 показана плоско-опукла лінза, яка має одну поверхню сферичну, а іншу плоску. Лінза має два фокуси по обидва боки: F і F', які перебувають на рівних відстанях -f і f від лінзи. Коли світлові промені від об'єкта G входять у лінзу, їх напрямок змінюється згідно із законом Снелліуса. (Слово лінза - від латинської назви сочевиця (lentil). Сочевиця плоска й кругла, і її сторони опуклі й спрямовані назовні - точно так само як опукла лінза).

Рис. 4.12. Геометрія плоско-опуклої лінзи.

Щоб визначати розмір і положення зображення, створеного лінзою, зручно намалювати два промені, які мають спеціальні властивості. Один паралельний оптичній осі, яка є лінією, що проходить через центр сфери скривлення. Після проходу лінзи, цей промінь проходить через фокус F'. Інший промінь спочатку проходить через фокус F, і після проходу лінзи, він поширюється паралельно оптичній осі. Тонка лінза, чий радіус скривлення набагато більший, ніж товщина лінзи, має фокусну відстань f, яка може бути знайдена з рівняння

1/f = (n-1)(1/r₁ +1/r₂), (4.24)

де r₁ і r₂ - радіуси скривлення лінзи. Зображення об'єкта G′ інвертоване й перебуває на відстані b від лінзи. Ця відстань може бути знайдена з рівняння тонкої лінзи:

1/f =1/а +1/b. (4.25)

Для товстих лінз, де товщина t порівнянна з радіусом кривизни, фокальна відстань може бути знайдена з:

f =n r₁ r₂/(n-1)[n (r₁ + r₂) - t (n-1)]. (4.26)

Кілька лінз можуть бути об'єднані в більш складну систему. Для двох лінз розділених відстанню d, загальна фокусна відстань може бути знайдена з

f =f₁f₂/(f₁ +f₂ – d). (4.27)

Дата добавления: 2015-07-11