Содержание
Предисловие...................................................................................................................13
Предисловие к русскому изданию.................................................................................15
Используемые величины и их обозначения в формулах...........................................17
Подборка важнейших формул.......................................................................................22
Численные примеры использования оптического правила знаков..................23
ГЛАВА 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА И ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ..25
1.1. Свет.........................................................................................................................25
1.2. Волновая оптика....................................................................................................26
1.3. Геометрическая оптика.........................................................................................28
1.4. Оптическое изображение......................................................................................31
1.4.1. Введение...........................................................................................................31
1.4.2. Величины, описывающие изображение.............................................................32
1.4.2.1. Принципы построения буквенных обозначений и правило знаков.................32
1.4.2.2. Определения важнейших величин..............................................................34
1.4.3. Параксиальная область.....................................................................................36
1.4.4. Графическое определение положения изображения...........................37
1.4.5. Зависимости между положениями и размерами предмета и изображения..........39
ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ..........44
2.1. Материалы..............................................................................................................44
2.1.1. Оптическое стекло...........................................................................................44
2.1.2. Кристаллы........................................................................................................47
2.1.3. Пластмассы......................................................................................................49
2.2. Сферические поверхности, линзы, многокомпонентные оптические системы..............................................................................................49
2.2.1. Сферическая поверхность.................................................................................49
2.2.2. Вычисления для нескольких сферических поверхностей...................................52
2.2.3. Линзы..............................................................................................................56
2.2.4. Многокомпонентные оптические системы........................................................60
2.3. Плоские поверхности, плоскопараллельные пластинки, призмы и светоделители.......................................................................................63
2.3.1. Одиночная плоская поверхность.......................................................................63
2.3.2. Плоскопараллельная пластина..........................................................................64
2.3.3. Системы плоских зеркал и отражательные призмы...........................................65
2.3.4. Светоделители..................................................................................................71
2.4. Преломляющие призмы и клинья.......................................................................72
2.4.1. Отклонение пучка............................................................................................72
2.4.2. Угловая дисперсия............................................................................................73
2.4.3. Клинья.............................................................................................................74
2.5. Аберрации...............................................................................................................75
2.5.1. Сферическая аберрация....................................................................................76
2.5.2. Условие синусов...............................................................................................79
2.5.3. Астигматизм и кривизна поля...........................................................................80
2.5.4. Кома................................................................................................................81
2.5.5. Дисторсия........................................................................................................81
2.5.6. Хроматические аберрации................................................................................82
2.5.7. Ахроматы и подобные им элементы..................................................................85
2.6. Применение асферических поверхностей...........................................................88
2.7. Расчет хода лучей вне параксиальной области...................................................92
2.7.1. Расчет хода луча...............................................................................................93
2.7.2. Графическое построение хода лучей.................................................................94
2.8. Потери на отражение и просветляющие покрытия...........................................96
ГЛАВА 3. ОГРАНИЧЕНИЕ ПУЧКОВ ЛУЧЕЙ В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ...98
3.1. Диафрагмы.............................................................................................................98
3.2. Свойства зрачков и люков..................................................................................100
3.3. Параметры, характеризующие ограничения пучков........................................104
3.4. Полевые линзы и конденсоры...........................................................................106
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСТОЧНИКИ
И ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ..............................................................................110
4.1. Введение...............................................................................................................110
4.1.1. Энергетические величины..............................................................................111
4.1.2. Расчет выходного сигнала приемников........................................................... 112
4.1.3. Световые величины........................................................................................114
4.1.4. Прохождение потока излучения через элементы оптических систем................ 116
4.2. Световой поток, освещенность и яркость при формировании оптического изображения...................................................................................119
4.2.1. Непосредственное освещение поверхности приемника................................ 120
4.2.2. Световой поток и освещенность изображения в оптической системе........121
4.2.3. Падение освещенности на краю изображения.................................................122
4.2.4. Яркость изображения и геометрический фактор............................................ 123
4.3. Источники света..................................................................................................126
4.3.1. Основные характеристики.............................................................................. 126
4.3.2. Лампы накаливания........................................................................................ 129
4.3.3. Газоразрядные лампы..................................................................................... 133
4.3.4. Светодиоды....................................................................................................134
4.3.5. Лазер.............................................................................................................. 135
4.4. Глаз........................................................................................................................140
4.4.1. Глаз как оптическая система.......................................................................... 140
4.4.2. Глаз как приемник оптического излучения..................................................... 142
4.4.3. Разрешающая способность............................................................................. 144
4.5. Фотоэлектрические приемники.........................................................................144
4.5.1. Основные характеристики.............................................................................. 144
4.5.2. Характеристики различных видов фотоприемников................................... 146
4.5.3. Освещение светочувствительной поверхности фотоприемников.............. 146
4.6. Фотослои..............................................................................................................147
4.6.1. Общие характеристики...................................................................................147
4.6.2. Чувствительность и характеристическая кривая..............................................148
4.6.3. Разрешающая способность............................ .................................................150
ГЛАВА 5. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, ПРОЕКЦИОННЫЕ ЭКРАНЫ, СВЕТОФИЛЬТРЫ......................................................................................................152
5.1. Волоконная оптика..............................................................................................152
5.1.1. Оптические характеристики одиночного волокна............................................152
5.1.2. Волоконно-оптические жгуты для передачи излучения............................157
5.1.3. Оптико-волоконные жгуты для передачи изображения......................160
5.2. Проекционные экраны.......................................................................................163
5.3. Фильтры и цветоделители..................................................................................166
5.3.1. Абсорбционные фильтры................................................................................ 166
5.3.2. Фототропные стекла....................................................................................... 169
5.3.3. Интерференционные фильтры и цветоделители.......................................... 169
ГЛАВА 6. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ....................................................................175
6.1. Видимое увеличение и дифракционный предел разрешающей способности.................................................................................175
6.1.1. Видимое увеличение....................................................................................... 175
6.1.2. Дифракционный предел разрешающей способности................................ 176
6.2. Осветительные системы и прожекторы............................................................178
6.2.1. Обзор осветительных систем.......................................................................... 180
6.2.2. Оптические схемы конденсоров...................................................................... 183
6.2.3. Прожекторы................................................................................................... 186
6.3. Проекторы............................................................................................................188
6.3.1. Проекторы для воспроизведения на экране изображений........................... 189
6.3.2. Проекторы шкал и сеток................................................................................ 192
6.3.3. Измерительные проекторы............................................................................. 194
6.4. Фотографическая оптика....................................................................................196
6.4.1. Глубина резко изображаемого пространства...................................................196
6.4.2. Фотографические объективы.......................................................................... 198
6.4.3. Киносъемка медленно- и быстропротекающих процессов.....................204
6.4.4. Получение стереопар и наблюдение стереоскопических изображений....208
6.5. Лупы и окуляры...................................................................................................212
6.5.1. Увеличение и виды конструкций луп..............................................................213
6.5.2. Окуляры.........................................................................................................214
6.6. Зрительные трубы................................................................................................217
6.6.1. Схема и основные характеристики..................................................................217
6.6.2. Наблюдательные зрительные трубы................................................................220
6.6.3. Коллиматоры и автоколлиматоры...................................................................221
6.6.4. Зрительная труба для контроля поперечных смещений...........................225
6.6.5. Другие технические зрительные трубы............................................................229
6.7. Устройства для наводки на резкость фотообъективов, дальномеры, видоискатели...............................................231
6.7.1. Устройства для наводки на резкость фотообъективов. Дальномеры..........231
6.7.2. Видоискатели.................................................................................................235
6.8. Микроскопы.........................................................................................................237
6.8.1. Конструкция и видимое увеличение микроскопа............................................237
6.8.2. Разрешающая способность и полезное увеличение..........................................239
6.8.3. Методы освещения.........................................................................................241
6.8.4. Объективы и окуляры.....................................................................................242
6.8.5. Другие приспособления для технического микроскопа..............................244
6.8.6. Электронная обработка изображений..............................................................246
ГЛАВА 7. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, КОЛОРИМЕТРИЯ, РЕШЕТКИ, ГОЛОГРАФИЯ..................................................249
7.1. Интерференции света..........................................................................................249
7.2. Интерференционные методы измерения расстояний.....................................252
7.3. Интерференционные методы контроля поверхностей....................................255
7.4. Спектральные приборы.......................................................................................258
7.4.1. Обзор. Разрешающая способность..................................................................258
7.4.2. Спектроскопы, спектрометры, спектрографы..................................................260
7.4.3. Монохроматоры и спектрофотометры.............................................................261
7.5. Колориметрия и цветовые измерения...............................................................263
7.5.1. Основы колориметрии....................................................................................263
7.5.2. Субтрактивное и аддитивное воспроизведение цветов................................264
7.5.3. Количественные характеристики цвета...........................................................264
7.5.4. Диаграмма цветности......................................................................................266
7.5.5. Методы цветовых измерений..........................................................................268
7.6. Решетки................................................................................................................269
7.6.1. Дифракционные решетки.............................. .................................................269
7.6.2. Другие применения решеток..........................................................................272
7.6.3. Муаровый метод.............................................................................................273
7.7. Голография...........................................................................................................275
ГЛАВА 8. ПОЛЯРИЗАЦИЯ.......................................................................................280
8.1. Состояния поляризации.....................................................................................280
8.1.1. Обзор.............................................................................................................280
8.1.2. Общие соотношения.......................................................................................281
8.1.3. Сфера Пуанкаре.............................................................................................283
8.1.4. Параметры Стокса..........................................................................................284
8.2. Методы получения поляризованного света......................................................285
8.2.1. Обзор. Поляризация при отражении...............................................................285
8.2.2. Анизотропные среды — двойное лучепреломление.........................................286
8.2.3. Оптическая активность...................................................................................289
8.3. Поляризационные элементы..............................................................................290
8.3.1. Поляризаторы................................................................................................290
8.3.2. Фазовые пластинки.................................. .......................................................292
8.3.3. Применение четвертьволновой пластины.......................................................294
8.3.4. Деполяризаторы.............................................................................................295
8.4. Применения поляризации..................................................................................296
8.4.1. Оптические методы исследования напряжения в материалах...................296
8.4.2. Другие примеры использования......................................................................298
ГЛАВА 9. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ................................................................302
9.1. Радиус кривизны.................................................................................................302
9.2. Фокусные расстояния.........................................................................................303
9.3. Положения главных и фокальных точек...........................................................306
9.4. Диаметры зрачков................................................................................................307
9.5. Передаточная функция оптических систем......................................................308
ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ОПТИКИ.........311
1. Правила построения буквенных обозначений по DIN 1335 ............................. 311
2. Правило знаков по DIN 1335................................................................................ 314
3. Основные формулы................................................................................................315
3.1. Показатель преломления......................................................................................315
3.2. Скорость света.....................................................................................................315
3.3. Число Аббе..........................................................................................................316
3.4. Закон преломления..............................................................................................316
3.5. Закон отражения..................................................................................................318
3.6. Отражение от прозрачных сред...........................................................................318
3.7. Пропускание потока излучения системой, состоящей из k поверхностей....319
3.8. Просветляющие (интерференционные) покрытия................................319
4. Гауссова оптика......................................................................................................320
4.1. Одиночная преломляющая или отражающая поверхность......................320
4.1.1. Инвариант Аббе для преломляющей поверхности............................................320
4.1.2. Фокусные расстояния................................ ....................................................320
4.1.3. Положение предмета и изображения относительно фокальных точек.............321
4.1.4. Линейное увеличение β'.................................................................................321
4.1.5. Угловое увеличение Y'................................ ....................................................321
4.1.6. Продольное увеличение α'..............................................................................322
4.2. Последовательность преломляющих и отражающих оптических поверхностей.....................................................................................322
4.2.1. Рекуррентные формулы.................................................................................322
4.3. Оптическая система................................... ..........................................................323
4.3.1. Показатели преломления пространства предметов и пространства изображений не равны (n' *n).............................................323
4.3.2. Показатели преломления первой и последней сред, окружающих оптическую систему, равны {n' = n).........................................324
4.4. Оптические компоненты находятся в воздухе.......................................................326
4.4.1. Линза в воздухе (n' = n= 1).........................................................................326
4.4.2. Тонкая линза в воздухе.................................................................................327
4.4.3. Две оптические системы в воздухе................................................................328
4.4.4. Афокалъная система....................................................................................328
4.4.5. Сокращение продольных габаритов................................................................329
4.4.6. Оптические параметры системы, которая состоит из произвольного числа компонентов..................................... ............................................................330
5. Ограничение пучков лучей....................................................................................330
5.1. Апертурные характеристики.................................................................................330
5.2. Поле....................................................................................................................331
6. Качество изображения...........................................................................................332
6.1. Дифракция..........................................................................................................332
6.1.1. Дифракция на щели......................................................................................332
6.1.2. Дифракция на круглой диафрагме..................................................................332
6.2. Аберрации...........................................................................................................332
6.3. Измерение качества изображения........................................................................333
7. Фотометрия.............................................................................................................333
7.1. Обозначения в формулах и единицы измерения........................................333
7.2. Телесный угол Ω..................................................................................................334
7.3. Энергетические и световые величины и их единицы измерений.............335
7.3.1. Условие десяти крат (Ten Times Law)...........................................................336
7.3.2. Энергетическая и световая системы фотометрических величин.....................336
7.3.3. Поток излучения Фе, световой поток Фv.......................................................337
7.3.4. Энергетическая сила света Ie, сила света Iv..................................................337
7.3.5. Энергетическая яркость Le, яркость Lv.........................................................337
7.3.6. Освещенность Е...........................................................................................338
7.3.7. Другие фотометрические величины................................................................338
8. Характеристики оптических систем.....................................................................339
8.1. Объективы...........................................................................................................339
8.2. Освещенность в плоскости изображения как функция расстояния до предмета......339
8.3. Распределение освещенности в плоскости изображения.........................339
8.4. Глубина резко изображаемого пространства...................................................340
9. Оптические приборы..............................................................................................340
9.1. Видимое увеличение............................................................................................340
9.2. Лупа....................................................................................................................340
9.3. Микроскоп..........................................................................................................341
9.4. Зрительная труба.................................................................................................342
9.5. Фотоаппарат, камкодер........................................................................................342
9.6. Спектральные приборы................................. .......................................................343
9.6.1. Спектральные приборы с дифракционной решеткой........................................343
9.6.2. Призменные спектральные приборы...............................................................344
10. Оптоэлектроника..................................................................................................344
10.1. Источники излучения.......................................................................................344
10.1.1. Спектральное распределение....................................................................344
10.1.2. Коэффициент полезного действия (КПД), световая отдача.......................344
10.1.3. Пространственное распределение силы света и энергетической силы света....345
10.1.4. Степень поляризации..............................................................................345
10.2. Приемники........................................ ...............................................................346
10.2.1. Чувствительность..................................................................................346
10.2.2. Световые величины.................................................................................346
11. Приближенные формулы для расчета оптических параметров линз..............347
12. Графическое построение изображения..............................................................349
ДОПОЛНЕНИЕ 1. ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ХОДА ЛУЧЕЙ НА ЭВМ. ТОЧЕЧНАЯ ДИАГРАММА.......................................................................................351
Д1.1. Формулы для расчета хода лучей на ЭВМ.....................................................351
Д1.2. Точечная диаграмма..........................................................................................356
Список литературы к дополнению 1..............................................................358
ДОПОЛНЕНИЕ 2. СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ................359
Д2.1. Монохроматическая функция рассеяния точки............................................359
Д2.2. Изопланатическая оптическая система..........................................................362
Д2.3. Свойство линейности.......................................................................................364
Д2.4. Нормированная МФРТ....................................................................................365
Д2.5. Расчет освещенности в ПАИ...........................................................................366
Д2.6. Анализ изменения освещенности в изображении тестовых объектов........368
Д2.7. Нормированная полихроматическая функция рассеяния точки.................375
Д2.8. Передача оптической системой пространственных частот..........................377
Список литературы к дополнению 2...............................................................386
ДОПОЛНЕНИЕ 3. ДИФРАКЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СОВРЕМЕННОМ ОПТИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ...........................387
Д3.1. Классификация дифракционных оптических элементов.............................387
Д3.2. Дифракционная эффективность амплитудных и фазовых микроструктур...................................................................................................390
ДЗ.З. Дифракционные линзы: основные понятия, характеристики
и применение....................................................................................................398
Список литературы к дополнению 3..............................................................403
ДОПОЛНЕНИЕ 4. ГРАДИЕНТНАЯ ОПТИКА.......................................................407
Д4.1. Введение.............................................................................................................407
Д4.2. Радиус кривизны траектории луча в градиентной среде..............................408
Д4.3. Параксиальные характеристики градиентных оптических элементов
и систем.............................................................................................................410
Д4.4. Градиентные оптические элементы в современном оптическом
приборостроении...............................................................................................416
Д4.4.1. Волоконно-оптические устройства.............................................................416
Д4.4.2. Копировально-множительная техника.......................................................418
Д4.4.3. Эндоскопические системы.........................................................................419
Д4.4.4. Использование градиентных сред для коррекции аберраций в оптических системах...............................................................................420
Список литературы к дополнению 4..............................................................423
(Г. Шрёдер, X. Трайбер “Техническая оптика” 2006)