О.В. Круглов "оптико-электронные приборы и системы" конспект лекций

2012 ____стр.

Учебное пособие предназначено для ознакомления студентов с основными типами оптических приборов (ОП), оптико-электронных приборов и систем (ОЭПиС) применяемых, как в приборостроении так и в мультимедиа отрасли. В учебном пособии собраны и кратко изложены основные теоретические материалы таких дисциплин, как "Теория оптических приборов и систем", "Основы проектирования оптических приборов и систем", "Прикладная оптика ", 'Источники и приемники лучистом энергии" необходимые для улучшения понимания физических принципов работы изучаемых приборов и систем. Содержание и уровень учебного пособия рассчитаны на то, чтобы дать студенту минимально необходимый объем знаний о принципах построения и функционирования приборов и систем, особенностях их конструкции, научить грамотно определять требуемые характеристики приборов, а также научить методам синтеза и анализа оптико-электронных систем (ОЭС).

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия на заседании кафедры светотехники,

протокол № __ от __ 2012 года.

Согласовано

Заведующий кафедрой светотехники К.А. Томский

Согласовано

Начальник УМУ Н. А. Склярова

Согласовано

Декан ФАВТ Е.Н. Осташевский

Одобрено

Методическим советом факультета аудиовизуальной техники.

Протокол № ___ от 2013.

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» 2013

1. Введение в изучение курса

1.1 Краткий исторический обзор оптического приборостроения

Не возможно начинать изучение сложных ОЭПиС не понимая простых физических принципов заложенных в основу их работы. По этому обратимся к школьному курсу физики и вспомним, что такое Оптика и как она развивалась до нашего времени.

О́птика (от др.-греч. ὀπτική появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов рисунок 1. (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию).

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

В данном курсе мы будем использовать, как волновой так и корпускулярный способы описания света. Они не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами.

Напомним, что берущая начало от Ньютона Корпускулярная теория света, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину ε = hν , где частота ν соответствует частоте излучённого света, а h есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения. Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Длина световой волны λ зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением: λ=c/nv

Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света.

Разобравшись с тем, что является предметом изучения такого большого раздела Физики, как Оптика давайте проследим процесс её становления, развития и определим место в современном научном мире.

Применение простейших оптических приборов в виде увеличительных стекол были известны еще в глубокой древности. Материалом для их изготовления были прозрачные кристаллы минералов. Так в древней Ассирии и Вавилоне они изготавливались из горнего хрусталя, а в древнем Китае из темно-зеленого турмалина и темно-коричневого топаза.

Появление оптических деталей из силикатного технического стекла, а затем и оптического, предшествовали длительные периоды. Первые линзы из технического стекла были обнаружены при раскопках Геркуланума и Помпеи (начало нашей эры). До 16 века оптические детали делались из технического стекла. Некоторые законы и явления геометрический оптики были. знакомы древнегреческим ученым Евклиду (300 лет до н.э.) - закон прямолинейного распространения света; Аристотелю (12-й г. до н.э.) -явление преломление света; Птоломей (I20 г. н.э.) - измерил углы падения и преломления света; Архимед(250 лет до н.э.) –как гласят легенды сжигал корабли противника в помощью отражения солнечного света. В 13 веке венецианскими мастерами были изготовлены очки и зеркала близкие к современным и это было оценено как наиболее выдающееся достижение этой эпохи.

Начало теории оптических приборов было положено в I7 веке благодаря трудам ученых: Рене Декарта (1596-1650 г.г.), Пьера Ферма (1601-1665 г.г.), Исаака Ньютона (I643-I727 г.г.), Галилея Галилео (1564-1642 г.г.), Иогана Кеплера (1571-1630 г.г.), Х. Гюйгенса (1629-1695 г.г.). Открытия, сделанные этими учеными положили начало появлению достаточно сложных оптических приборов, таких как телескоп и микроскоп.

Уже в I609 году Галилей изобрел подзорную трубу с отрицательной линзой в качестве окуляра. С ее помощью он открыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы Венеры, звездное скопление Млечного пути, пятна на Солнце. Им же изобретен микроскоп. И. Кеплером была разработана я изготовлена подзорная труба с положительный окуляром. I668-7I г.г. И. Ньютон построил первый зеркальный телескоп-рефлектор, свободный от хроматической аберрации.

Усложнение оптических систем дало толчок к совершенствованию изготовления (варки) стекла и его обработки, ручная обработка стекла заменяется станочной. Но оптические детали изготавливаются из технического стекла. Дальнейшее развитие оптического приборостроения тормозилось неумением устранить хроматизм оптических систем. Поэтому начинаются работы по получению новых сортов стекол, которые дали бы возможность ахроматизировать оптические системы.

В этой направлении имели большое значение работы ученых Леонарда Эйлера (I707-I783 г.г.) и М.В .Ломоносова. Эйлер впервые в истории оптики разработал метод ахроматизации линз, этим самым опроверг существующую ранее точку зрения о невозможности ахроматизации оптических систем. Он показал, что для этого необходимо применять сочетание оптических деталей с разными оптическими характеристиками и тем доказал необходимость получения различных марок стекол.

Ломоносов явился основоположником научного стекловарения, он проделал до 4000 опытов по стекловарению новых марок стекол. Первый ахроматический объектив был изготовлен английским оптиком Д. Доллондом в I758 году.

В 1811 году разработан промышленный метод производства оптического стекла в горшках большой емкости. Возникает ряд предприятий во Франции (I828 г.), в Англии (I848 г.), в Германии (1881 г.).

1839 год - год открытия фотографии. В результате совместных работ французов Ньепеа и Дагера был разработан способ получения фотоизображения под названием дагеротипии. Медная пластинка гальваническим способом серебрилась, полировалась, а затем под действием паров йода на поверхности образовывалась пленка AgJ. Пластинка помещалась в камере-обcкуре и делалась выдержка 4-5 мин. и более. Обработка велась в парах ртути, которые на засвеченных участках образовывали амальгамму белого цвета, затем пластинка промывалась в гипосульфите или поваренной соли, которые удаляли AgJ с не засвеченных частей, и они ставились черными. Размножение таких снимков было невозможным.

Получение оптического стекла разных сортов и высокого качества способствовало разработке теории аберрации оптических систем Зейделем (I856 г.) и Ланге (I909 г.). Столетовым А. Г. (1836-1896 г.г.) открыты причины возникновения фотоэлектрического эффекта и законы, которым он подчиняется.

В 1877 году изобретены пластинки с бромосеребряным светочувствительным слоем, что дало начало современней фотографии. В 1887 году изобретена фотопленка, что позволило братьям Люмьер в 1895 году впервые осуществить киносъемку. ОП начинают широко применяться в военном деле (артиллерийские прицелы, дальномеры, навигационные приборы и др.).

В 20 веке оптическое приборостроение совершенствуется. Создается большое количество новых приборов. ОП стали применяться во всех областях науки и техники. Появляется новое направление в оптическом приборостроении - оптико-электронные приборы (ОЭП), в которых световая энергия преобразуется в электрическую и наоборот. Они дали возможность использовать невидимые для глаза части оптического излучения, а также в ряде случаев исключить глаз человека и автоматизировать процесс приема информации с помощью ОП. ОЭП значительно расширили область применения ОП, дали возможность повысить точность измерения, скорость обнаружения и т.п., т.е. исключить ряд ограничении, которые накладывает наше зрение на работу ОП.

Открытие советскими учеными Фабрикантом, Бутаевой и Вудинским молекулярного усиления электромагнитных воли и создание Басовым и Прохоровым молекулярного оптического квантового генератора сопровождается разработкой новой группы приборов с ОКГ.

В I948 году ученый Д. Габор предложил метод записи и восстановления волнового фронта, который назвал голографией (от греческого слова "гелос" ? весь). Голография позволила открыть новые пути для исследования в различных областях естествознания и совершенствования производственных процессов.

Оптическое приборостроение стало ведущей отраслью промышленности во всех высокоразвитых странах и ее развитие стало одним из факторов, определяющих промышленный, научный в культурный уровень развития страны. Как видите на протяжении всей истории естествознания оптика находилась в центре внимания ученых, а оптические приборы всегда играли важнейшую роль в развитии науки, техники и культуры.