Пассивные оптические элементы

Тонкие линзы широко используются в оптоэлектронных приборах. Объективы это набор клееных тонких линз, исправляющих сферическую и хроматическую аберрации.

Правила построения изображений предметов, получаемых после прохождения света через тонкую линзу, показаны на рис.2.6. На рисунке приняты следующие обозначения: F - положение фокуса, f - фокусное расстояние. Стрелка АВ -реальный предмет, А′В′ - изображение. Лучи, проходящие параллельно оси сходятся в фокусе линзы F, лучи, проходящие через центр линзы, идут по прямой линии без изменения.

Уравнение Ньютона связывает расстояния от фокусов до объекта и его изображения с фокусными расстояниями :

. (2.14)

Уравнение Гаусса связывает фокусные расстояния с расстояниями от объекта и изображения до центра линзы:

. (2.15)

Для линзы в воздухе имеем , поэтому получим

.

Коллиматоры служат для создания слабо расходящихся пучков света (в идеале параллельных). Коллимированный луч - это луч с плоским фронтом, состоящий из лучей параллельных оптической оси объектива или линзы.

Рис. 2.7. Построение изображений для тонкой линзы;

a = AO, a΄ =A΄O – расстояния от объекта и изображения до центра линзы

Реальный коллимированный луч характеризуется малой расходимостью и почти плоским фронтом. Примером может служить луч от газового лазера. Формирование коллимированного луча от точечного источника с помощью линзы показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Формирование линзой коллимированного луча от

точечного источника

Зеркальный телескоп. Обычно телескоп используется для получения увеличенных изображений удаленных объектов. Одним из способов увеличения изображения является получение коллимированных (параллельных) пучков лучей, при этом, часто требуется расширить или сжать коллимированные лучи (рис.2.8). Изображение транспаранта увеличится во много раз в широком луче.

Коллимированный луч получают также с помощью двояковогнутых линз, совмещая их с выпуклыми тонкими линзами.

В оптических приборах широко используются зеркала разной формы. Наиболее часто используют зеркала для отражения и поворота лучей (отражательные и поворотные, рис. 2.9).

Рис. 2.9. Формирование широкого коллимированного луча

телескопом

Рис. 2.10. Формирование широкого коллимированного луча с помощью поворотного зеркала

Уголковый отражатель обладает свойством возвращать лучи к источнику излучения.

Схематическое изображение системы контроля чистоты атмосферы с использованием коллимированного луча и отражателя приведена на рис. 2.11.

Телескоп–рефлектор используется, как и обычный линзовый телескоп, для получения увеличенных изображений удаленных объектов. В основе его лежит параболическое зеркало, в фокусе которого находится поворотное зеркало (рис. 2.12). В оптической технике телескоп рефлектор часто используется усиления света от далеких источников.

При конструировании и изготовлении телескопа рефлектора основной трудностью является создание параболического зеркала высокого оптического качества. При расчетах используют свойство эллипсоида вращения, форма которого хорошо описывается математическими формулами.

Рис. 2.11. Схематическое изображение системы контроля чистоты

атмосферы с использованием коллимированного луча и отражателя

Эллипсоид вращения имеет два фокуса F₁ и F₂, причем все лучи света, выходящие из источника, находящегося в фокусе F₁ обязательно сходятся в фокусе F₂. При F₂ = F₁ поверхность эллипсоида вращения превращается в сферу.

Если задать условие, чтобы фокус F₂ находился на очень

Рис. 2.12. Схематическое изображение телескопа–рефлектора

большом расстоянии от F₁ (F₂ → ∞), то отражающая поверхность вблизи фокуса F₁ будет представлять параболоид (рис. 2.13), форму которого также можно хорошо описать формулами.

Рис. 2.13. Параболическое зеркало и ход лучей от точечного источника, расположенного в фокусе

Параболоид создает коллимированный луч от точечного источника, расположенного в фокусе F ₁.

Матричное описание оптических систем. При матричном описании оптических систем изображения представляют столбцами Y_i и V_i, а систему матрицей M:

.

Схема хода лучей при матричном описании оптических систем приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема хода лучей при матричном описании оптических систем

Если обозначить матрицу преобразования одной оптической системы через M ₁, а матрицу другой – через M ₂ , то последовательное соединение оптических систем можно выразить произведением матриц и записать преобразование изображений в следующем виде:

При таком описании используют соотношения:

.

Матрица перемещения T имеет следующий вид:

.

Матрица преломления R будет следующей:

.

Аберрации оптических систем. Аберрации оптических систем приводят к искажению изображений и ухудшению их качества. Сферическая аберрация связана с тем, что участки сферических поверхностей по-разному преломляют лучи (рис. 9). В результате параллельные лучи, находящиеся на разном расстоянии от оси двояковыпуклой линзы сходятся в разных точках (размытый фокус), а не в одном фокусе. Изображение предметов, полученных такой линзой, искажается и становится нечетким (размытым).

Существуют два вида аберраций:

сферическая аберрация (несовпадение фокусов из-за разных отклонений луча на сфере).

хроматическая аберрация (несовпадение фокусов из-за зависимости n(l)).

Для устранения сферической аберрации применяют асферическую обработку поверхностей или многослойный объектив.

Для устранения хроматической аберрации применяют клееный многолинзовый объектив или используют фильтры, которые улучшают четкость изображения.

Градиентные цилиндрические линзы (ГЦЛ). Градиентные цилиндрические линзы (ГЦЛ) еще называют градан и селфок.

В ГЦЛ в стеклянном стержне диффузным методом создают градиентный показатель преломления (рис 2.14).

Коллиматор на основе ГЦЛ L_b/ 4 (L_b - период повторений изображений) приведен на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Фокусировка коллимированного излучения четверть-периодной линзой (L_b/ 4) и профиль показателя преломления в ГЦЛ

Схема фокусировки излучения от точечного источника с помощью полупериодной ГЦЛ (L_b/ 2) приведена на рис. 2.16.

Рис 2.16. Фокусировка излучения от точечного источника

полупериодной ГЦЛ (L_b/2)

Полное повторение изображения происходит после прохода однопериодной ГЦЛ L_b как показано на рис. 2.17.

Преимущества ГЦЛ следующие: 1- плоская граница, 2 - оптический разъем имеет большое сечение и малые потери (позволяет делать вращающийся соединитель, рис. 2.17).

Рис. 2.17. Полное повторение изображения однопериодной ГЦЛ

Рис. 2.18. Оптический разъем с использованием двух ГЦЛ L_b /4

С помощью ГЦЛ разных диаметров создают оптические разветвители (в т.ч. многоканальные), как показано на рис 2.19.

Рис. 2.19. Оптический разъем с использованием нескольких ГЦЛ L_b /4

разного диаметра

С помощью ГЦЛ L_b /2 создают устройство ввода в волокно излучения ПП лазера.

Рис 2.20. Устройство ввода в волокно излучения ПП лазера

Рис 2.21. Устройство для создания коллимированного пучка света, выходящего из оптического волокна

Для получения коллимированного пучка света для передачи на дальние расстояния в воздухе или для дальнейших преобразований используют ГЦЛ L_b /4 (рис.2.21).

В заключение необходимо отметить, что приведенные в этой главе общие законы оптики и пассивные устройства используются в последующих главах при рассмотрении конкретных конструкций оптоэлектронных устройств.

Вопросы для самопроверки

1. Виды геометрической оптики

2. Характеристика распространения света

3. Преломление и отражение света на границе двух однородных сред

4. Особенности распространения оптического излучения в световодах

5. Конструкция волоконного световода

6. Потери излучения в световодах из кварцевых стекол

7. Взаимодействие света с веществом

8. Классификация оптоэлектронных приборов и устройств

9. Виды пассивных оптических элементов

10. Тонкие линзы и объективы

11. Схема коллиматора

12. Устройство зеркального телескопа

13. Матричное описание оптических систем

14. Виды аббераций оптических систем

15. Градиентные линзы

Дата добавления: 2015-07-11