Потери света

Световой поток, падающий в оптическую систему, состоящую из преломляющих и отражающих поверхностей, не весь проходит через нее. Яркость пучков лучей, проходящих через преломляю­щие и отражающие поверхности оптических деталей, составляю­щих прибор, ослабляется в связи с тем, что часть световых лучей поглощается массой стекла и отражается при переходе от одной среды к другой. Отношение потока излучения, пропущенного дан­ным телом, к потоку излучения, упавшего на него, называется коэффициентом пропускания .

Та часть световой энергии, которая поглощается массой стек­ла, определяется коэффициентом поглощения . Коэффициентом поглощения называется отношение потока излучения, поглощен­ного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:

(4.4.1)

где - начальный поток излучения; - поток излучения, погло­щенный данным телом; - длина пути луча в стекле, выраженная в сантиметрах. Величина в опти­ке получила наименование коэффици­ента прозрачности. Оптическое стекло не является идеальной прозрачной средой. Внутри среды имеются мате­риальные непрозрачные частицы, кото­рые рассеивают свет и вызывают поте­ри его на поглощение. Для современ­ных сортов оптического стекла потеря света на поглощение характеризуется величиной 1 % на 1 см хода луча в сте­кле, следовательно, .

Часть световой энергии, которая рассеивается на границе преломления или отражения, определяется коэффициентом отражения . Коэффициентом отражения называет­ся отношение потока излучения, отраженного данным телом, к по­току излучения, упавшего на него.

Потери света на отражение и поглощение в линзе схематиче­ски показаны на рис. 4.4.1.

Коэффициент отражения для случая двух прозрачных сред с идеально полированной поверхностью соприкосновения опреде­ляется по известной формуле Френеля:

(4.4.2)

Если угол падения равен нулю, то в этой формуле синусы и тангенсы углов можно заменить дугами, после чего, используя выражение , получим:

(4.4.3)

Коэффициент пропускания для одной поверхности определяет­ся формулой:

(4.4.4)

Общее пропускание света через оптическую систему, с учетом потерь света на поглощение и отражение, находится путем пере­множения коэффициентов пропускания отдельных поверхностей с учетом коэффициентов поглощения, т. е.:

(4.4.5)

Величина зависит от показателя преломления среды. Так, например, если , то принимают , а если , то . Для отражающих поверхностей (посереб­ренных, алюминированных) достаточно принять .

Тогда можно написать приближенную формулу для подсчета пропускания света в случае отсутствия просветленных поверхно­стей:

(4.4.6)

где - число преломлений на поверхностях, разделяющих воз­дух и стекло, с ; - число преломляющих поверхностей, разделяющих воздух и стекло, с ; - число отражаю­щих поверхностей; - длина хода луча в сантиметрах в стекле по оптической оси.

Потери света неприятны не только тем, что ослабляют освещен­ность изображения, но в особенности тем, что снижают контраст изображения. Свет, отраженный от поверхностей, частично воз­вращается обратно путем отражений от предыдущих поверхно­стей и, пройдя через поверхности оптической системы, образует вторичные изображения. Если эти вторичные изображения нахо­дятся вблизи основного изображения, то они могут настолько его испортить, что основное изображение будет непригодным для ис­пользования. Таким образом, свет, отраженный от поверхностей при преломлении, так же как и свет, рассеянный средой стекла, является светом вредным, и борьба с ним имеет важное значение.

Влияние рассеянного света на изображение принято характе­ризовать коэффициентом светорассеяния , под которым приня­то понимать отношение освещенности образуемого объективом изображения черного предмета (), расположенного на равномерно ярком фоне, к освещенности изображения яркого фона (), т. е.

(4.4.7)

Так, например, современные фотографические объективы име­ют .

В последнее время удалось значительно повысить прозрачность оптического стекла. В особенности значительные успехи достиг­нуты в области снижения потерь света на отражение путем про­светления поверхностей. Просветлением оптики называется про­цесс уменьшения отражения света от поверхностей оптических деталей. Теоретические разработки сущности снижения потерь све­та методами просветления принадлежат нашим соотечественни­кам— академику И. В. Гребенщикову и А. Г. Власову. Просвет­ление заключается в том, что на полированные поверхности опти­ческих деталей наносят весьма тонкие прозрачные пленки. В этих тонких пленках происходит явление интерференции. Теория этого явления так же, как и теория цвета тонких пластинок в отражен­ном свете, известна из физической оптики. Толщина пленки при­ближенно определяется по формуле:

(4.4.8)

где - длина волны света, а и т. д.; - показатель преломления пленки.

Показатель преломления пленки находится из условия , так как необходимо, чтобы яркости обоих интерферирую­щих пучков были одинаковы. Из формулы (4.4.3) следует, что:

Преобразуя, получим, что при :

(4.4.9)

В практике мы имеем дело со светом широкого спектрального состава, и лучи идут в систему под различными углами поля зре­ния, поэтому для таких пучков лучей оказывается невозможным полностью уничтожить потери света.

Различные методы, применяемые для просветления оптики, можно разбить на три группы:

1. Химическое взаимодействие стекла с растворами кислот и
   солей (химический метод).
2. Испарение и конденсация фторидов или других веществ в
   вакууме (физический метод).
3. Использование легкогидролизующихся растворов (метод
   гидролизации).

Просветление травлением водными растворами кислот создает прочную пленку и повышает химическую устойчивость стекла. Физиче­скими методами достигаются хорошие результаты по про­светлению, но проблема надежного упрочнения слоя еще не реше­на, в связи с чем при­менение этих методов не рекомендуется для просветления наружных по­верхностей. Просветление на основе использования легкогидролизующихся соединений, в основном на базе ортокремниевой кислоты, создает прочный слой и позволяет применять многослойные пленки с хорошими показателями.

В табл. 4.1 приведены сравнительные данные результатов про­светле­ния различными методами. Коэффициент отражения одной поверхности до просветления находится в пределах от 0,04 до 0,055.

Просветление оптических приборов дает хорошие результаты и широко.применяется. Например, просветление одного из фото­графиче­ских объективов позволило увеличить светопропускание с 39 до 72%. В среднем можно считать, что просветление почти вдвое повышает пропускание света в оптических приборах и, кро­ме того, резко снижает действие рассеянного паразитного света.

Внедрение просветления в практику оптического приборострое­ния позволяет дать новую приближенную формулу коэффициента пропуска­ния света:

(4.4.10)

где - число поверхностей, просветленных физическим методом и методом гидролизации; - число поверхностей, просветленных химиче­ским методом.

Пример. Оптическая система состоит из зеркала с внутрен­ним серебрением, из зеркала с 'внешним алюминированием, из трех непросветленных линз с показателем преломления , свободно расположенных в воздухе, и двух ахроматических двух-линзовых склеенных объективов, просветленных химическим ме­тодом. Общая толщина оптического стекла по оптической оси составляет 67 мм (~7 см). Определить коэффициент пропускания света и потери света.

Решение: В нашем случае . На основании (4.4.6) и (4.4.10) составим формулу:

тогда получим

т. е. потери составляют 43,9%.

Дата добавления: 2015-06-04