Главная Обратная связь

Дисциплины:






Практическое применение интерференции



 

Важным практическим применением интерференции в телевизионной оптике следует считать просветляющие покрытия в объективах и в оптических насадках, в цветоделительных системах, диэлектрических зеркалах и светофильтрах.

Световая энергия, попадающая на тот или иной оптический элемент разделяется на три части:

· одна часть будет поглощена стеклом

· вторая часть претерпит отражение на стеклянных поверхностях

· третья часть пройдет через оптический элемент.

Потери света за счет поглощения сравнительно невелики, так как в современных оптических стеклах они не превышеют 1% на 1 см хода луча в массе стекла.

Потери же за счет отражения значительно больше. Они зависят от разности показателей преломления граничащих сред и от угла падения луча на границу раздела сред. Если луч падает на поверхность стекла по нормали, то отраженный луч возвращается обратно по линии хода падающего луча и отраженную часть световой энергии в виде коэффициента отражения ρ определяется по формуле Френеля:

ρ=(n2–n1)2/(n2+n1)2,

где n1 – показатель преломления среди, из которой выходит пучек света; n2 – показатель преломления среди, в которую входит пучек света. Умножив величину ρ на 100%, мы получим потери световой энергии при отражении в процентах.

При переходе света из стекла в стекло, например в склеенных линзах, коэффициент отражения ρ оказывается ничтожно малым и можно считать, что на такой границе раздела потери на отражение отсутствуют.

Но эти потери возрастают до 4%...8% на границе перехода световых пучков из воздуха в стекло или из стекла в воздух. Для расчета таких потерь в формуле Френеля один из показателей преломления (воздуха) приравнивается единице и формула примет вид:

ρ=(n–1)2/(n+1)2, или ρ=(1–n)2/(1+n)2.

Эти формулы идентичны и при одной и той же величине n мы получим одинаковые коэффициенты отражения. Это говорит о том, что в одиночно стоящей линзе (как и в светофильтре) относительные потери световой энергии на входе пучка света и на его выходе из линзы будут одинаковы. Формула дает достаточно точные результаты, если угол падения не будет превышать 50°. После 50° потери света при отражении резко возрастают.

В непросветленных оптических системах, насчитываю­щих десятки оптических элементов, отражение на их поверхностях приводит к значительным световым потерям (70% и более), которые также отрицательно сказываются на каче­стве изображения, увеличивая долю рассеянного света. Отсутствие просветляющего покрытия даже на одном оптическом элементе проявляется в появлении паразитных бликов в изображении и в «разбелке» изображения, т.е. приводит к снижению его контраста по полю кадра.



Такие потери света на преломляющих по­верхностях оптических деталей можно существенно снизить благодаря явлению интерференции в тонких прозрачных слоях, получивших название просветляющих. Само просветление оптики – это результат интерференции света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих пленок, что приводит к взаимному «гашению» отраженных световых волн и, следовательно, к усилению интенсивности проходящего света. Эти интерференционные пленки наносятся в вакууме на оптические детали тем или иным технологи­ческим способом.

Просветляющие покрытия (или антиотражающие) также предохраняют оптические системы от возможного образования бликов при отражении направленных световых пучков от поверхностей отдельных элементов. Просветляющее покрытие работает как интерференционный светофильтр, который пропускает все падающие на него излучения. Элементы современных оптических приборов, например линзы объективов, имеют такие просветляющие покрытия.

Рассмотрим отражение света от одного слоя просветляющего покрытия (рис.9.30), нанесенного на поверхность оптической детали (подложки). Очевидно, что взаимное «гашение» в результате интерференции отраженных лучей 1 и 2 с амплитудами І1maxи І2max и получение максимального просветления оптики произойдет при выполнении двух пунктов условия минимума:

· равенство амплитуд І1max= І2max

· сдвиг фаз на π, т. е. при разности в полволны хода лучей.

Рис.9.30. Отражение света при однослойном просветлении

Равенство амплитуд отраженных лучей можно получить в случае равенства коэффициентов отражения на поверхностях пленки и подложки. А коэффициенты отражения на этих поверхностях в свою зависят от показателей преломления сред, граничащих с просветляющей пленкой. Тогда из формулы Френеля получим соотношение:

n2пл= n1·n2.

Отраженный свет ослабляется тем сильнее, чем больше разность n2 – nпл.

Для обеспечения сдвига фаз на π толщина просветляющей пленки dпл должна быть равна нечетному числу четвертей длины (λ/4) световой волны в материале пленки. Т.е. изменяя толщину просветляющей пленки, можно сместить минимум отражения в различные участки спектра.

Для деталей из стекла с низким показателем преломления просветление однослойными пленками недостаточно эффективно.

Двухслойное просветление позволяет полностью устранить отражение света от поверхности оптической детали независимо от ее показателя преломления. Однако эффект минимизации отражения света дости­гается лишь в узком спектральном интервале, а для длин волн, значительно отличающихся от расчетной, значения коэффициента отражения могут пре­вышать исходное значение коэффициента отражения для непро­светленной поверхности.

При трехслойном просветлении достигается значительное сни­жение отражения (до 0,5%) в широкой области спектра, которая может занимать весь видимый диапазон.

Наилучшее просветление оптики в широкой области спектра может буть достигнуто с помощью нанесения многослойного покрытия неоднородными пленками, значения показателей преломления которых меняется по их толщине.

Явление интерференции в полной мере используется в специальных зеркалах и в широком спектре разработок интерференционных светофильтров.

Если на поверхность оптической детали нанести слой с пока­зателем преломления больше, чем у подложки, то отражение не уменьшится, а наоборот – увеличится. При этом отражение повышается по мере увеличения числа слоев покрытия тем значи­тельней, чем больше разница в показателях преломления чере­дующихся слоев с высоким и низким их значениями. Такие зеркала, называемые диэлектрическими, могут быть полупрозрачными или иметь высокий (98-99%) коэффициент отражения, быть глухими (100%), то есть полностью отражать все падающее излучение. По сравнению с зеркалами, имеющими металлические покрытия, диэлектрические зеркала практически не поглощают излучение, что особенно важно для зеркал лазерных резонаторов. Например, в газовых лазерах на каждый милливатт излученной мощности приходится десятки ватт, накопленных в резонаторе. Когда столь мощный световой поток обрушивается на частично поглощающую свет тонкую пленку металла, она буквально взрывается.

А вот пленки диэлектрических зеркал не перегреваются, поскольку свет они не поглощают. Для монохроматических систем уже одна пленка в половину длины волны обеспечивает зеркальный эффект.

Разновидностью диэлектри­ческих зеркал следует считать так называемые теплозащитные фильтры («горячие зеркала»), которые задерживают инфракрас­ные лучи, не ослабляя область видимого диапазона спектра. «Горячее зеркало» (Hot Mirror – HM) это дихроичный отражатель, отражающий тепловую часть спектра (инфракрасный свет) и пропускающий видимую часть спектра. Задача этих фильтров – не допустить до сенсоров матрицы инфракрасных лучей с длиной волны, к примеру, больше, чем 820 нм. Они и называются так – "горячее зеркало" – именно потому, что отражают инфракрасное тепловое излучение. Кроме того, теплофильтры Hot Mirror, установленные между конденсором и источником света – это надежная защита конденсора, кинопленки или матрицы в кино-видеопроекционных системах от мощного теплового излучения ламп накаливания. Другая разновидность интерференционных фильтров – «холодное зеркало» (Cold Mirror – CM) изготавливается на основе многослойных диэлектрических покрытий, таким образом, чтобы максимально отразить видимый свет и пропустить почти полностью инфракрасный.

Перейдем к рассмотрению интерференционных светофильтров, которые позволяют выделять участки спектра различной ширины из немонохроматического излучения. По функциональному назна­чению различают следующие типы светофильтров: узкополосные, полосовые и отрезающие. Первые выделяют сравни­тельно узкую полосу пропускания по спектру (рис. 9.31, а), вто­рые – сравнительно широкую спектральную область (рис. 9.31, б), а третьи позволяют ограничивать спектральный состав излуче­ния со стороны или коротковолновой (рис. 9.31, в) или длинноволновой области оптического спектра немонохроматического излучения.

Такие интерференционные фильтры в «чистом» виде выпускаются для фотометрии, спектрофотометрии, колориметрии, люминесцентного анализа, техники ночного видения и для других применений. При кино-видео-фотосъемках их применяют для уменьшения дымки, улучшения цветопередачи, изменения светотени в изображении, для съемки в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах.

Рис.9.31. Спектральные кривые пропускания различных типов интерференционных светофильтров

Основными характеристиками узкополосных фильтров являются λср – длина волны в максимуме полосы пропускания для узкополосного фильтра или длина волны, соответствующая средине полосы пропускания (средняя длины волны) ; τmах – максимальный коэффициент пропускания, приближающийся к единице; Δλ0,5 – ширина полосы пропуска­ния световых излучений на уровне 0,5τmaх (по­луширина). Кроме того, для интерференционных фильтров нормируются и другие вели­чины, показанные на графиках спек­трального пропускания: Δλ0,1 – ширина полосы пропускания на уровне 0,1τmaх; λк – коротковолновая граница пропускания на уровне 0,1τmaх; λд – длинноволновая граница пропускания на уровне 0,1τmaх ; τср – средний коэф­фициент пропускания в заданном спектральном диапазоне и т.д.

Конструктивная схема узкополосного интерференционного светофильтра (рис. 9.32) включает стеклянную пластину 1(подложку), на которую последовательно нанесены диэлектрическое зеркальное покрытие 2, разделительный промежуточный слой 3 и второе диэлектриче­ское зеркальное покрытие 4. Пластина 5, обычно из цветного стекла, используется для срезания мешающих максимумов. Она также выполняет и защитную роль. Толщину промежуточного слоя d выбирают из условия получения максимума нужного порядка (обычно первого или второго) для расчетной длины волны.

Рис.9.32. Многократно увеличенный поперечный разрез узкополосного интерференционного свтофильтра

Рис.9.33. Поперечный разрез многослойного широкополосного интерференционного светофильтра

Многослойный интерференционный пленочный светофильтр в разрезе показан на рис.9.33. На стеклянную подложку напыляются тонкие пленки прозрачных веществ с различными коэффициентами преломления. Границы раздела между пленками выполняют функцию зеркал, при этом от разности коэффициентов преломления зависят коэффициенты отражения этих границ.

В качестве материалов для напыления часто применяют хлористый свинец, двуокись титана, сульфид цинка, сульфид кадмия. Это диэлектрические материалы с высоким значением коэффициента преломления: n=2,2...2,6. Для пленок с низким значением коэффициента преломления (n=1,3...1,4) используют, например, фтористый магний, фтористый кальций, фтористый литий и двуокись кремния. Впрочем, набор современных материалов для интерференционных покрытий, конечно, значительно шире приведенного перечня. Напыление ведется в вакууме, при этом толщина той или иной пленки тщательно контролируется. Это очень важно, поскольку именно от точного соблюдения расчетной толщины пленок интерференционного покрытия во многом зависит конечный результат – будет или нет, с какой точностью воспроизведена заданная функция фильтрации.

Отрезающие интерференционные светофильтры позволяют разделить световой поток на проходящий и отраженный потоки различной интенсивности и различного спектрального состава. Можно выделить два вида отрезающих светофильтров: длинноволновые отрезающие (shot pass filter или SP filter), и длинноволновые пропускающие (long pass filter или LP filter). Отрезающие интерференционные фильтры фирмы "Фотооптик-фильтры" (Россия) характеризуются высоким (более 95%) пропусканием в полезной области спектра – пасс зоне ("pass band") и высоким (более 99,95%) отражением в зоне заграждения – стоп зоне ("stop band"). В технологии их производства используются оптические покрытия из тугоплавких окислов.

Интерференционные светофильтры позволяют выполнить практически любую коррекцию спектрального состава света как с помощью съемочных фильтров, так и посредством осветительных фильтром в осветительных приборах. Например, такие конверсионные осветительные светофильтры выпускаются фирмой "Фотооптик-фильтры" согласно классификации Kodak.

Современное решение проблемы получения ярких и насыщенных цветов для создания цветовых эффектов на объектах съемки, а также для дискотечной, театральной, рекламной осветительной аппаратуры, при создании комплексов архитектурного освещения, возможно за счет применения полосовых осветительных интерференционных светофильтров. Диэлектрические покрытия, получаемые вакуумным напылением, дают невыгорающие и более насыщенные цвета, чем традиционные окрашивающие среды (окрашенные в массе стекла, желатин). Светофильтры на стекле Schott (Германия) толщиной 1,1 мм выдерживают тепловые нагрузки до 350°С и могут использоваться в непосредственной близости от мощных источников света. Дихроичные светофильтры на кварцевом стекле работают даже при температурах 450 - 500 °С. Та же фирма "Фотооптик-фильтры" воспроизводит, используя явление интерференции, около 15 стандартных цветов на тонком стекле.

Подбирая материалы (по коэффициентам преломления) и толщины пленок, можно воспроизвести самые разные фильтрующие функции по длинам волн. В частности, можно создать цветоделительный фильтр, отражающий красную R-составляющую спектра белого света и пропускающий зеленую G и голубую B. Второй фильтр, как это показано на рис. 9.34, разделяет эти компоненты на G и B. По аналогичной схеме строятся цветоделительные элементы современных видеопроекционных устройств.

Рис.9.34. Система цветоделительных фильтров

Цветоделительные системы на интерференционных светофильтрах являются составной частью трехматричных (R, G, B) телевизионных и видеокамер (рис. 9.35).

Рис.9.35. Цветоделительный призменный блок трехматричной видеокамеры

Многослойные покрытия типа диэлектрических зеркал позво­ляют выполнять пространственное разделение одного пучка на два, которые могут быть направлены под различными углами один относи­тельно другого. Такие интерференционные светоделители кон­структивно выполняются в форме пластин или призм. При этом они могут решать различные функциональные задачи: разделять пучки в различной пропорции по интенсивности, по спектру (дихроические зеркала), а также изменять характер поляриза­ции (интерференционные поляризаторы).

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...