Оптические системы с волоконными элементами

Принципиальная оптическая схема прибора с волоконными элементами состоит из объектива, который создает изображение на входном торце жгута (рис. 2.73), жгута с изображением на выходном торце, которое с помощью окуляра рассматривается (рис. 2.74 (а)), или с помощью проекционного объектива передается на экран (рис. 2.74 (б)). Основное требование - согласование апертур всех элементов оптической схемы.

а)

б)

Рис. 2.74. Оптические системы с волоконными элементами.

Наиболее важное место в системе отводится объективу, так как от него в большей степени зависит разрешающая способность и качество изображения всего прибора. Явление симметризации в световодах значительно изменяет структуру выходящих из световода пучков лучей, что в общем случае нежелательно. Минимальное изменение структуры выходящих пучков и уменьшение яркости происходит при нормальном падении главных лучей на входной торец волокна. Объектив должен иметь телецентрический ход лучей в пространстве изображений (рис. 2.75).

Рис. 2.75. Объектив с телецентрическим ходом главного луча в пространстве изображений.

Некоторые схемы объективов, работающих с волоконными жгутами и имеющих телецентрический ход главного луча, показаны на рис. 2.76.

а)

б)

Рис. 2.76. Объективы с волоконными элементами.

Направление развития световодов:

• снятие мозаичности изображения;
• применение граданов.

Градан - одножильный безоболочечный световод с осесимметричной формой поперечного сечения и переменным по сечению показателем преломления.

Свет распространяется в граданах по синусоидальной кривой.

Градан работает как линза, и сам формирует изображение при определенном отношении длины к диаметру.

Линзы Френеля.

Линза Френеля - деталь с многоступенчатой поверхностью (рис. 2.77).

Рис. 2.77. Линза Френеля.

Стеклянные линзы Френеля применяются в маячных и прожекторных устройствах, а пластмассовые прессованные - в качестве конденсоров, луп, обеспечивая их малые габариты.

Чем меньше расстояние между ступеньками, тем лучше исправляется аберрация. Наименьшее достигнутое расстояние - 0.05 мм.

Ступеньки могут быть разграничены концентрическими, спиральными и параллельными канавками и представляют собой в первых двух случаях участки конических или сферических поверхностей, а в третьем случае - участки плоскостей или цилиндрических поверхностей.

Рассмотрим работу ступеньки линзы Френеля. Пусть ступенька представляет собой участок конической поверхности. Для каждой ступени необходимо определить угол наклона.

Рис. 2.78. Преломление луча на ступеньке линзы Френеля.

Из рис. 2.78 следует:

, (2.47)

, (2.48)

,

, (2.49)

. (2.50)

Подставляем в формулу (2.47) значения углов из (2.48) и (2.49):

. (2.51)

После преобразования (2.51) с учетом (2.50), получаем:

.

После дифференцирования формулы и преобразования с учетом (2.50), получаем:

.

Остаточная продольная сферическая аберрация зависит от высоты зоны Δh_k.

В осветительных системах применяются две линзы Френеля с параллельным ходом лучей между ними (рис. 2.79), в этом случае получается более равномерное распределение освещенности в плоскости освещаемого объекта.

Рис.2.79. Конденсор из линз Френеля.

Растровые системы.

Растр - совокупность линзовых или зеркальных элементов, имеющих оптическую силу. Расстояние между осями двух смежных элементов t, измеренное по нормали к их осям симметрии, называется периодом или шагом растра.

Каждый элемент растра формирует изображение предмета. Число, полученных изображений равно числу элементов растра (рис. 2.80).

Рис. 2.80. Схема работы оптического растра.

Растровые системы применяют в оптических приборах различного назначения.

Пример использования растровой системы в качестве осветительной приведен на рис. 2.81.

Рис.2.81. Растровая осветительная система.

Первый растр создает изображение источника в плоскости второго растра, который направляет пучки лучей во входной зрачок, например, проекционного объектива. Подобная система обеспечивает хорошую равномерность освещения.

Растры нашли применение также в экранах направленного отражения (рис. 2.82). Зеркальные элементы могут быть сферическими или цилиндрическими. Отраженный поток рассеивается в приделах угла 2σ'. Для увеличения кажущейся яркости изображения необходимо уменьшение угла 2σ', что обеспечивается увеличением f' элемента растра.

Рис. 2.82. Растровый экран.