книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

объекта и для правильного выбора времени экспозиции.Такой экспо- нометр указывает экспозицию, нужную для съемки с выбранной диа- фрагмой при данных фотоматериалах.

Всовременных кино и фотокамерах экспонометр составляет осно- ву экспозиционной автоматики, устанавливающей экспозиционные параметры без участия человека.

Втелевизионных и видеокамерах экспозиционные параметры ре- гулируютсяна основеоценкипостояннойсоставляющейвидеосигнала, при этом цепи,измеряющие её,выполняют функцию экспонометра.

Яркость измеряется яркомером (например измерителем ТКА — ПКМ 09), который основан на преобразовании светового потока, соз- даваемого источниками света, в непрерывный электрический сигнал, пропорциональный освещённости (в люксах) или яркости (кд/м 2)

икоторый затем преобразуется аналогово — цифровым преобразова- телем в цифровой код, который визуализируется на цифровом табло индикаторного блока.

Альбедо измеряется альбедометрами.

Измерения цвета объекта производятся колориметрами.

Визвестном романе А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» описан прибор огромной разрушающей силы,основанный на концен- трации световой энергии в весьма узком (и параллельном) световом пучке (рисунок ниже).

Схема «гиперболоида» содержит:

1 — собирающее гиперболическое зеркало; 2 — отражающий гиперболоид; 3 — параллельный пучок лучей.

Есть и физическое и матема- тическое объяснение невозмож- ности такого оружия.А именно.

При любой мощности и размерах источника световой энергии для получения строго параллельного пучка лучей, концентрированно вы- ходящего из «гиперболоида», необходимо чтобы в его фокусе находи- лась светящая точка (бесконечно малый источник света). Но, любой излучатель световой энергии, полученный в отражающем фокусе со- бирающего зеркала, имеет пусть очень малые, но определённые раз- меры изображения исходного источника (фактически пятно), а любая реальная оптическая система, созданная для определённого форми- рования пучков световых лучей, содержит погрешности (искажения) изображения.

Следовательно, в реальном устройстве «гиперболоида» фокус не является геометрической точкой, что в совокупности с волновой

240

природой света (или явлением дифракции), приводит к отклонениям световых пучков от параллельности, а, значит, к невозможности по- лучить в итоге требуемый эффект.

Математикиутверждают,что«гиперболоид»насамомделеявляется «параболоидом», основанном на оптическом свойстве его эллиптиче- ской поверхности собирать параллельные его главной оси лучи света в одной точке (в фокусе) и также наоборот —лучи, исходящие из фоку- са,отражать параллельно его главной оси.Примерно как здесь.

«Собирающее гиперболическое зеркало» фактически является эл- липтически вогнутым параболи- ческим зеркалом, а «отражающий гиперболоид» — миниатюрным эл- липтически вогнутым параболиче- ским зеркалом.

В реальном устройстве макси- мально узкий пучок лучей будет ограничен размерами отражающего зеркальца, что является непреодоли-

мым препятствием для концентрации световой энергии до огромной разрушающей силы.

Если «собирающим гиперболическим зеркалом» будет вогнутое зеркало однополостного гиперболоида,то оно не фокусирует направ- ленные на него лучи, а рассеивает их. Поэтому в качестве «собираю- щего зеркала» остаётся использование эллиптически вогнутого пара- болического зеркала.

Если в качестве «отражающего гиперболоида» использовать вы- пуклую наружную поверхность одной из полостей двуполостного ги- перболоида, которая отражает лучи направленные на её внутренний фокус в другой фокус, то реальное устройство «гиперболоида» будет примерно таким.

Такая схема применяется в телескопе Кессегрена. И здесь, какбыдалеконебылполученфо- кус F, он не будет светящей точ- кой, и лучи выходящие из него не будут параллельными, что ис-

ключает концентрацию световой энергии до разрушающей силы. Название произведения, возможно, произошло от слова «гипер-

бола», означающее с греческого «чрезмерное преувеличение свойств изображаемого предмета», что может лишь оправдывать возникаю- щие сомнения в наличии у автора глубокого физико — математиче- ского образования.

241

Нынеразрушительнаямощьизлучениядостигнутавлазерномору- жии (основанном на ином принципе получения луча с незначитель- ной расходимостью), например для прямого уничтожения целей. Это довольно крупные, благодаря значительным размерам источников энергии, мобильные и стационарные системы наземного, морского и воздушного базирования, от действия которых невозможно укло- ниться (скорость велика).

Правда, использование светоотражающих элементов (зеркал) мо- жет сделать применение лазера бесполезным.

Оптической системой называют совокупность оптических элемен- тов, преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п. Простей- шей оптической системой является тонкая линза (с лат. «чечевица»), представляющая собой прозрачное тело (из стекла, кварца, каменной соли), ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями. Одна из поверхностей может быть плоской, как поверхность беско- нечно большого радиуса.Поверхностилинз могутбытьболее сложной формы (цилиндрические, параболические), которые применяются редко. Преломление света на сферической границе раздела сред даёт технические преимущества в деле получения изображений источни- ков света. Точки, в которых собираются световые лучи, исходящие от реального источника света, называют изображениями этого источ- ника. Бесконечно удалённые или достаточно далёкие отлинзы источ- ники света дают своё изображение в её фокусе. Линзу считают основ- ной деталью оптических приборов, предназначенных для получения изображений с целью расширения возможностей зрения человека. Оптические приборы это сложные системы, содержащие несколько линз установленных последовательно вдоль их главных оптических осей, образующих общую главную ось системы. Существуют различ- ные типы линз.

Основные формы линз: 1 — двояковыпуклая (положительная); 2 — плоско-выпуклая; 3 — вогнуто-выпуклая (положительный мениск); 4 — двояковогнутая (отрицательная); 5 — плосковогнутая; 6 — выпукло-вогнутая (отрицательный

1 2 3 4 5 6 мениск).

Для случая,когда линза стеклянная находится в воздухе,и если па- раллельные лучи после преломления в линзе сходятся в точке на дру- гой её стороне, то линза называется собирательной или положитель- ной (типы 1, 2, 3). Фокус действительный и изображение источника действительное, которое может быть получено на экране. Ход лучей обратный отизображения можетуказатьместонахождение источника света (рисунок на стр. 243 вверху).

242

Если же параллельныелучи после преломления влинзе расходятся, то линза называется рассеивающей или отрицательной (типы 4, 5, 6). Фокус мнимый (образован воображаемыми продолжениями прелом- лённых лучей) и изображение источника мнимое, его невозможно получить на экране. Изображение находится на стороне приходящих лучей, однако его видит глаз человека, так как роль собирательной линзы за ней выполняет хрусталик глаза, собирающий расходящиеся лучи на сетчатке глаза (рисунок ниже).

Указанные формы линзытипичные противоположности,это опти- ческие системы с противоположными качествами одного рода, осно- ванные на свойстве преломления лучей света.

Вслучае,когдаокружающаясредапрелом- ляет больше (рисунок справа), чем материал линз (например, воздушные линзы в воде), то линзы 1, 2, 3 будут рассеивающими, а лин- зы 4, 5, 6 — собирательными. Качества линз поменяются местами.

Удачно установив на концах трубы двояковыпуклую и двояковогнутую линзы (противоположные оптические системы), Яков Мециус неожиданно для себя создал первую подзорную трубу (рисунок слева).

Прямая, проходящая через оптический центр (0 — центр двояко- выпуклой линзы), называется главной оптической осью (она прохо- дит через центры обеих сферических поверхностей), все остальные прямые являются побочными (рисунок на с. 244).

Точка на главной оптической оси (F’ и S’), где пересекаются все лучи после преломления в линзе, называется фокусом (слева от 0 —

243

передний, справа — задний), а расстояние (f’) от оптического центра 0 линзы до фокуса F’ — фокусным расстоянием линзы.

Замена сферических поверхностей линзы касательными к ним даётвместо линзы описанную вокругнеё призму с гранями,свое рода приближённый призматический прообраз (некое уподобление) лин- зы. Призматическое приближение линзы позволяет установить зави- симость фокусного расстояния от показателя преломления вещества линзы и от радиусов кривизны её сферических преломляющих по- верхностей.

Основной формулой тонкой линзы является выражение 1/f’ = 1/a + 1/а’, где 1/f’– оптическая сила линзы (обратная величина заднего фокусного расстояния), при этом а и а’ — расстояния от точечного ис- точника на главной оси до оптического центра линзы и от его изо- бражения на этой оси до оптического центра линзы. При отдаление источника света на бесконечно большое расстояние, величина 1/а стремится к нулю и тогда а’ = f’ или задний фокус линзы становится изображением этой точки.

Оптическая сила линзы (обратная величина фокусного расстоя- ния линзы) измеряется в диоптриях (1 диоприя = 1/f, где f = 1 м). Чем меньше фокусное расстояние,тем больше величина оптической силы линзы в диоприях.

Для собирательной линзы знак оптической силы положительный, для рассеивающей — отрицательный. Близорукость,то есть, когда фо- кус хрусталика глаза находится перед сетчаткой глаза, исправляется с помощью рассеивающих (отрицательных) линз. Дальнозоркость, то есть, когда фокус хрусталика глаза находится за сетчаткой глаза, исправляется с помощью собирательной (положительной) линзы.

Оптическая система построенная на использовании отражения света называется зеркальной.

244

Сферические зеркала (вогнутые и выпуклые — рисунок справа) радиуса R имеютглавнуюоптическую ось представляющую собой нормаль к зеркалу, кото- рая проходит через полюс P сферы зеркала и центр C кривизны радиуса R сферы. Диаметр, ограничивающий размер сферического зер- кала, называется отвер-

стием зеркала.

Основной формулой сферического (вогнутого) зеркала является выражение 2/R = 1/a + 1/а’, где R — радиус сферы зеркала, при этом а и а’– расстояния от точечного источника на главной оси до полюса зеркала P и от его изображения S′ на этой оси до полюса зеркала P.

Положение фокуса сферического зеркала определяется из условия, когда источник света бесконечно удалён (1/a = 0),тогда а’ = f = R/2.

Видно, что основные формулы тонкой линзы и сферического зер- кала совпадают.

Увогнутого зеркала фокус (F) на R/2 слева и он действительный,

увыпуклого — на R/2 справа и он мнимый (рисунок ниже).

Отношение линейных (поперечных) размеров изображения к ли- нейным размерам предмета называется линейным увеличением (уменьшением). Отношение тангенсов углов с оптической осью, составленными лучом выходящего из линзы и лучом падающего на линзу, называется угловым увеличением. Угловое увеличение — это величина обратная линейному увеличению. Чем больше размеры изображения,тем меньше ширина световых пучков,образующих изо- бражение.

Для получения больших освещённостей пользуются широкими световыми пучками, которые дают линзы большого диаметра.

Для построения изображений объекта пользуются парой лучей.

245

Если объект (S1 S2) находится за центром (C) зеркала, то его изображение (S1’ S2’) обратное, уменьшённое, действительное (рисунок слева).

Если объект (S1 S2) находится между центром (C) зеркала и фоку- сом (F), то его изображение (S1’ S2’) обратное, увеличенное, действи- тельное (рисунок справа).

Если объект (S1 S2) находится правее фокуса (F),то его изобра- жение (S1’S2’) прямое,увеличен- ное, мнимое (рисунок слева).

Для собирательной линзы, когда объект находится на двойном фо- кусном расстоянии от линзы, то изображение его получается на та- ком же расстоянии справа от неё, равное ему по величине, дейстчи- тельное и обратное.

Если источник (рисунок справа) находить- ся в плоскости перпендикуляной главной оси линзы, проходящей через передний фокус линзы (переднюю фокальную плоскость), то из линзы выходит пучок лучей параллель- ный побочной оси, проходящей через источ- ник. Тангенс угла φ между этой осью и глав- ной осью равен отношению расстояния b

источника от главной оси к фокус- ному f расстоянию (b/f).

Если объект (S1 S2) находит- ся между передним фокусом (F) и линзой (рисунок слева), то изо- бражение (S1’ S2’) мнимое увели- ченное и прямое (такое изобра- жение получают в простейшем приборе —лупе).

246

Из линзы выходят пучки лу- чей, параллельные побочным осям, проходящие через точки объекта.

Изображение (S1’ S2’) объекта в рассеивающей линзе (рисунок справа)всегдамнимоеипрямое, и, если объект (S1 S2) находится

правее переднего фокуса (F’),то изображение всегда уменьшённое. Искажения или погрешности оптических систем влияют на точ-

ность и качество изображений, получаемых с их помощью. Каждая оптическая система обладает теми или иными искажениями изобра- жений, связанные с оптическими качествами её вещества, качеством изготавления и волновыми свойствами света, которые сложно одно- временно и идеально совмещать в широких пределах.

Основным материалом для оптических систем (призм, линз) яв- ляется стекло (её основа — кремнезём SiO2). При всех требуемых ме- ханических и химических параметрах оптические свойства стекла (в основном это показатель преломления) могут изменяться в ши- роких пределах с помощью легирования различными элементами (например, натрием, кальцием, алюминием, бором, свинцом). Важ- ной частью изготовления является достижение точности размеров, формы и чистоты поверхности оптических систем (здесь требования в 500 раз выше обработки механических деталей).

Качественные оптические зеркала получают нанесением (с по- мощью катодного распыления) на внешнюю сторону отполирован- ной поверхности стекла слоя отражающего металла (золота, серебра, алюминия). Отражающие поверхности с коэффициентом отражения более 99 % можно получить и в видимом диапазоне, и в УФ, но полу- чают их вовсе не от металлических поверхностей. Для таких поверх- ностей применяюттехнологию многослойных комбинаций прозрач- ных диэлектриков, в которых используется явление интерференции света.

Диэлектрические зеркала состоят из большого числа (13 ÷ 17) тон- чайших слоев диэлектриков попеременно с высоким и низким пока- зателями преломления (например,нечётные слои из сурьмы,окислов титана,циркония,а чётные —из фторидов магния,стронция,двуоки- си кремния).

Погрешности оптических систем называют аберрациями.

При использовании широких световых пучков или что то же линз большого диаметра, они дают изображение точечного источника све- та в фокусе не в виде чёткой точки, а в виде расплывчатого светлого пятнышка.

247

Фокус периферических лучей оказывается ближе к собиратель- ной линзе (рисунок слева), чем фокус лучей центральной зоны. Теряется подобие между пред- метом и его изображением, края изображения, полученные с по-

мощью белого света, оказываются окрашенными в цвета.

Такие погрешности называются сферической аберрацией. Она обусловлена различием преломляющей способности центральной и периферической зон сферической поверхности линзы.

Для рассеивающей линзы (рисунок спра- ва) такая аберрация имеет противоположное направление: в сторону мнимого фокуса. Фо- кус периферических лучей оказывается ближе к рассеивающей линзе, чем фокус лучей цен- тральной зоны.

Имея противоположно направленные абер- рации, собирательная и рассеивающая лин-

зы пригодны для взаимной компенсации (уничтожения) аберраций путём совмещения их по взаимно подобным (равным) сферическим поверхностям (например, путём склеивания). Астрономический объ- ектив выполненый из таких линз практически не искажает изображе- ния звёздных объектов и может быть значительных размеров. Рису- нок ниже.

Свет, пройдя через собирательную и рассеивающую линзы, соби- рётся на увеличенном фокусном расстоянии, причём увеличение фо- кусного расстояния периферических лучей будет значительней, чем у лучей центральной зоны. В результате оба фокуса окажутся в точ- ке увеличенного фокусного расстояния, что приведёт к обнулению сферической аберации у такой системы из двух линз. Рассеивающая линза благодаря своей сферической аберрации уравнивает различие фокусных расстояний центральных и периферических лучей собира- тельной линзы. Совмещение противоположно направленных искаже- ний используется для исправления и других погрешностей системы.

248

Астигматизм (неточечность изображения) возникает у изображе- нияточки,которая находится на значительном расстоянии отглавной оптической оси системы (то есть, при использовании косых пучков света имеющих значительный угол с ней). Изображение точки (при- чём резкое), находящейся на побочной оси, составляющей с главной осью угол до 40 0, представляет собой два взаимо перпендикулярные отрезка прямой, лежащих в разных плоскостях. В остальных положе- ниях изображение точки расплывчатое, овальное или круглое. Ис- правление этой погрешности осуществляется с помощью присоеди- нения оптической системы, имеющей противоположно направленый астигматизм. Системы с исправленным астигматизмом называют анастигматами (то есть, обладающие точечностью изображения). Объективы с исправленным астигматизмом дают хорошее изображе- ние при углах более 50 0.

Хроматическая (цветная) аберрация возникает в следстие дис-

персиисветалинзой,преломляющейразныедлиныволнсветапораз- ному.Фокусноерасстояниелинзызависитотпоказателяпреломления стекла линзы и будетразличным для лучей разного цвета,то есть изо- бражения точки для лучей цветов спектра белого света будут нахо- диться на разных расстояниях от линзы.

Изображение точки (рису- ноксправа)всинихлучах(Sc’), сильнее преломляемых лин- зой, окажется ближе к лин- зе, чем изображение точки в красных лучах (Sк’), прелом- ляемых линзой слабее.

Расстояние (Sc’ Sк’) между синим и красным изображениями точки

(S) зависит от значения дисперсии стекла линзы (то есть, от показа- теля преломления сильно меняющимся при изменении длины волны падающего света). Чем длина волны больше, тем больше это расстоя- ние. Это свойство используется для устранения хроматической абер- рации.

Как и в случае с устранением сферической аберрации,применяют рассеивающую линзу с большей, чем у собирающей линзы, диспер- сией.

Рассеивающая линза увеличивает фокусное расстояние (F’) соби- рательной линзы (рисунок справа), причем фокусное

расстояние синих лучей (Fc’) увеличивается значительней, чем фокусное расстояние красных лучей (Fк’).

249