Objektiivid ja nende kasutamine töös valgusega. Fresneli lääts ja selle roll liikumisandurites Lame fresneli lääts

Fresneli objektiiv suurendab selle looja portreed. (Lehekülg kirjastuse "Avanta +" lasteentsüklopeedia köitest "Füüsika, 2. osa").

Valguse saab koguda kitsaks kiireks nõguspeegli (a) või läätse (b) abil, asetades valgusallika fookuspunkti. Sfäärilise peegli korral asub see peegli kõverusraadiusest poole võrra.

Koonduvat läätse võib käsitleda kui prismade kogumit, mis suunab valguskiired ühte punkti – fookusesse. Nende prismade arvu korduvalt suurendades ja vastavalt nende suurust vähendades saame peaaegu lameda läätse - Fresneli läätse.

Tuletorni valgustussüsteemi projekt (Fresneli joonis). Põleti F valgust fokusseerivad läätsed L ja L", mis peegelduvad peeglitelt M. Põleti allapoole leviv valgus peegeldub peeglite süsteemiga (näidatud punktiirjoonega) soovitud suunas.

Selline näeb välja kaasaegne Fresneli objektiiv. Sageli on see valmistatud ühest klaasist.

Fresneli objektiivi joonlaud teravustab päikesekiired mitte halvemini ja isegi paremini (kuna see on suurem) kui tavaline klaasist lääts. Tema kogutud päikesekiired süütasid kuivanud männilaua koheselt põlema.

Valguse laineteooria üks loojaid, silmapaistev prantsuse füüsik Augustin Jean Fresnel sündis 1788. aastal Pariisi lähedal väikelinnas. Ta kasvas üles haige poisina. Õpetajad pidasid teda rumalaks: kaheksa-aastaselt ei osanud ta lugeda ega mäletanud peaaegu tundigi. Keskkoolis näitas Fresnel aga märkimisväärset sobivust matemaatika, eriti geomeetria alal. Olles saanud insenerihariduse, osales alates 1809. aastast teede ja sildade projekteerimisel ja ehitamisel riigi erinevates osakondades. Tema huvid ja võimalused olid aga palju laiemad kui lihtne inseneritegevus provintsi kõrbes. Fresnel tahtis teadusega tegeleda; teda huvitas eriti optika, mille teoreetilised alused olid just hakanud kujunema. Ta uuris valguskiirte käitumist, mis läbivad kitsaid auke, painduvad ümber õhukeste niitide ja plaatide servade. Selgitanud sel juhul tekkivate piltide iseärasusi, lõi Fresnel aastatel 1818–1819 oma optiliste häirete ja difraktsiooni teooria – nähtused, mis tekivad valguse lainelise olemuse tõttu.

19. sajandi alguses otsustasid Euroopa mereriigid teha koostööd tuletornide – tolle aja olulisemate navigatsiooniseadmete – täiustamiseks. Prantsusmaal loodi selleks spetsiaalne komisjon, millesse kutsuti Fresnel oma rikkalike insenerikogemuste ja sügavate optikateadmiste tõttu.

Tuletorni valgus peaks paistma kaugele, nii et tuletorni latern tõstetakse kõrgesse torni. Ja selle valguse kiirteks kogumiseks tuleb latern asetada kas nõguspeegli või koonduva läätse fookusesse ja seejuures üsna suurele. Peeglit saab muidugi teha igas mõõdus, aga see annab ainult ühe kiire ja majaka valgus peab olema igalt poolt nähtav. Seetõttu paigutati mõnikord poolteist tosinat peeglit tuletornidele, mille iga peegli fookuses oli eraldi latern (vt Teadus ja elu, nr 4, 2009, artikkel). Ühe lambi ümber saab paigaldada mitu objektiivi, kuid neid on peaaegu võimatu teha vajalikus - suures - suuruses. Massiivse läätse klaasis on paratamatult ebahomogeensused, see kaotab omaenda gravitatsiooni mõjul oma kuju ja võib ebaühtlase kuumenemise tõttu lõhkeda.

Vaja oli uusi ideid ja Fresneli kutsuv komisjon tegigi õige valik: 1819. aastal pakkus ta välja liitläätse disaini, millel puuduvad kõik tavapärasele objektiivile omased puudused. Fresnel arvas ilmselt nii. Läätse võib kujutada prismade komplektina, mis murravad paralleelseid valguskiiri – suunavad need kõrvale selliste nurkade all, et pärast murdumist nad koonduvad fookuspunkti. See tähendab, et ühe suure objektiivi asemel saate eraldi kolmnurksetest prismadest kokku panna õhukeste rõngaste kujul oleva konstruktsiooni.

Fresnel mitte ainult ei arvutanud rõngasprofiilide kuju, vaid töötas välja ka tehnoloogia ja juhtis kogu nende loomise protsessi, tegutsedes sageli lihttöölisena (alluvad osutusid äärmiselt kogenematuteks). Tema pingutused on andnud suurepäraseid tulemusi. "Uue seadme valguse heledus üllatas meremehi," kirjutas Fresnel sõpradele. Ja isegi britid - prantslaste kauaaegsed konkurendid merel - tunnistasid, et Prantsuse tuletornide kujundused osutusid parimateks. Nende optiline süsteem koosnes kaheksast ruudukujulisest Fresneli läätsest, mille külg oli 2,5 m ja mille fookuskaugus oli 920 mm.

Sellest ajast on möödunud 190 aastat, kuid Fresneli pakutud kujundused jäävad ületamatuks tehniliseks seadmeks ja mitte ainult tuletornide ja jõepoide jaoks. Kuni viimase ajani valmistati Fresneli läätsedena erinevate signaaltulede klaase, autotulesid, foore, loenguprojektorite osi. Ja just hiljuti ilmusid luubid läbipaistvast plastikust joonlaudade kujul, millel on vaevumärgatavad ringikujulised sooned. Iga selline soon on miniatuurne rõngakujuline prisma; ja koos moodustavad nad koonduva läätse, mis võib töötada nii suurendusena, suurendades objekti, kui ka kaamera objektiivina, luues ümberpööratud kujutise. Selline objektiiv on võimeline koguma Päikese valguse väikeseks täpiks ja põlema panema kuiva tahvli, rääkimata paberitükist (eriti mustast).

Fresneli lääts võib olla mitte ainult koguv (positiivne), vaid ka hajutav (negatiivne) - selleks peate tegema erineva kujuga läbipaistvale plastile rõngasprismad-sooned. Veelgi enam, väga lühikese fookuskaugusega negatiivsel Fresneli objektiivil on lai vaateväli, millesse on paigutatud maastikutükk vähendatud kujul, kaks kuni kolm korda suurem, kui see palja silmaga katab. Selliseid "miinus" plaate-läätsesid kasutatakse panoraam-tahavaatepeeglite asemel suurtes autodes nagu väikebussid ja universaalid.

Miniatuursete prismade servad saab katta peegelkihiga – näiteks alumiiniumi pihustades. Seejärel muutub Fresneli lääts peegliks, kumeraks või nõgusaks. Nanotehnoloogia abil toodetud peeglid on kasutusel röntgenikiirguse piirkonnas töötavates teleskoopides. Painduvast plastikust vormitud nähtava valgusega peegleid ja läätsesid on nii lihtne ja odav valmistada, et neid toodetakse sõna otseses mõttes kilomeetreid paelte või vannitoa kardinatena.

Fresneli objektiive on üritatud kasutada kaameratele lamedate objektiivide loomiseks. Kuid tehnilised raskused seisid disainerite ees. Valge valgus prismas laguneb spektriks; sama juhtub Fresneli objektiivi miniatuursete prismadega. Seetõttu on tal märkimisväärne puudus- nn kromaatiline aberratsioon. Selle tõttu tekib objektide kujutiste servadele vikerkaarepiir. Headel objektiividel kaob piir lisaläätsede asetamisega (vt "Teadus ja elu" nr 3, 2009, artikkel). Sama võiks teha ka Fresneli objektiiviga, aga siis lame lääts enam ei töötaks.

Vanasti oli meremeeste jaoks kaldale lähenemine nende reisi kõige ohtlikum osa. Ebasoodsate ilmastikutingimuste tõttu võivad madalikud või rannikukivimid põhjustada laevahuku. Meremehi päästsid tuletornid, tolle aja parimad navigatsioonirajatised. Pikka aega süüdati tuld lihtsalt nende tippudel, hiljem toimisid need valgusallikana, kuni hakkasid kasutama elektrit. 19. sajandil sai Fresneli läätsest elupäästevalgusti, mis muutis tuletorni valguse kõige eredamaks ja kaugelt nähtavamaks.

Komposiitliitläätse lõi prantsuse füüsik Augustin Fresnel, valguse laineteooria looja. Fresneli lääts koosneb üksikutest väikese paksusega kontsentrilistest rõngastest, mis on üksteise kõrval ja moodustavad silindri, mille sees on valgusallikas. Ristlõikes on rõngad prismakujulised. Iga rõngas kogub valgust paralleelseks kitsaks kiireks, mis kiirgab keskelt. Kui silinder pöörleb ümber valgusallika, ulatuvad valguskiired kuni silmapiirini. Kiirte värvus, nende arv, nendevaheline ajavahemik moodustavad tuletorni erilise ainulaadse käekirja. Laevade pardal oli kokkuvõte erinevate tuletornide omadustega ja just sealt said meremehed teada, milline tuletorn nende ees on.

Tuletornidele paigaldatud Fresneli läätsed olid suur samm nende varustamisel võimsate valgusallikatega. Need kompleksläätsed võimaldasid suurendada valguse intensiivsuse kontsentratsiooni kuni 80 000 küünlani. Enne Fresneli leiutist oli põleva tahti või laterna valgust võimalik fokuseerida ainult laterna paigutamisel piisavalt suure läbimõõduga fookusesse või nõguspeeglisse. Nendel eesmärkidel oli vaja ühest tükist suuremõõtmelist optilist elementi, mis võib oma raskusjõu mõjul lõhkeda. Seetõttu kasutati kümneid nõguspeegleid, millest igaühe fookuses oli eraldi latern. See otsus oli ebamugav.

Komposiit Fresneli lääts aitas saavutada valguse intensiivsuse tõusu, selle kontsentratsiooni antud suunas. Üksikute optiliste elementide koost ei peegeldanud valgust, vaid töötas ülekandes, pöörledes ümber valgusallika, mis kiirgas pidevat intensiivsust igas suunas.

Sellest ajast alates on Fresneli kujundused jäänud ületamatuks tehniliseks seadmeks, mida ei kasutatud mitte ainult jõepoide ja tuletornide jaoks. Fresneli läätsede näol valmistati esmalt erinevate signaaltulede prille, valgusfoore, autotulesid, loenguprojektorite osi. Seejärel loodi luubid joonlaudade kujul, mis olid valmistatud silmapaistmatutest ümmargustest soontest, millest igaüks oli miniatuurne rõngakujuline prisma, ja üldiselt olid need koonduvad läätsed. Saadud objektiivi kasutatakse suurendusklaasina objekti suurendamiseks, näiteks kaamera objektiivi, mis loob ümberpööratud kujutise.

Aja jooksul on Fresneli objektiivide ulatus oluliselt laienenud. See hõlmab fotoseadmete, erinevate valgustusseadmete, turvasüsteemide jälgimisandurite ja teleskoopides kasutatavate peeglite energiakontsentraatori väljatöötamist. Objektiivide optilisi omadusi kasutatakse ka multimeedia valdkonnas. Näiteks suurim kõrgtehnoloogiliste projektsiooniekraanide tootja DNP loob objektiivi baasil Supernova ekraane. Ja tagumiste projektsiooniekraanide puhul ei kasutata mitte ainult Fresneli objektiivi, vaid ka muid optilisi tehnoloogiaid, mis võimaldavad teil saada kõige ainulaadsemad kuvamisvahendid.

Olenevalt kasutusalast võivad läätsed olla erineva läbimõõduga ja erineva tüübiga. Läätsesid on kahte tüüpi: rõngakujulised ja taljelised. Esimesed on mõeldud valguskiirte voolu suunamiseks ühes suunas. Rõngasläätsed on leidnud kasutust käsitsi töös väikeste detailidega, asendades tavapäraseid luupe. Tööstussektoris kasutatakse vöökoha läätsi, mis on võimelised edastama valguskiire mis tahes suunas.

Fresneli lääts võib olla positiivne (koguv) ja negatiivne (hajutav). Lühikese fookusega polüvinüüllääts suureneb märgatavalt. Seda tuntakse parkiva Fresneli objektiivina. Selle lai vaateväli võimaldab näha sõiduki all olevaid takistusi, mis ei ole küljepeeglite ega tahavaatepeegli vaateväljas. Selline objektiiv hõlbustab oluliselt manööverdamist parkimisel, haagise pukseerimisel ja kokkupõrgete vältimisel mängivate laste, loomade või muude objektidega.

Fresneli objektiivist on saanud multifunktsionaalne tööriist, selle leiutis on mänginud olulist rolli tehnoloogilise valdkonna arengus.

Põiklõige
(1) Fresneli läätsed ja
(2) tavaline objektiiv

Fresneli objektiiv- keeruline komposiitlääts, mis koosneb suhteliselt väikese paksusega kontsentrilistest rõngastest, mis asuvad üksteise kõrval. Iga rõnga sektsioon on kolmnurga kujuline, mille üks külg on kõverjooneline, ja see osa on tahke sfäärilise läätse sektsioonielement. Pakkunud Augustin Fresnel.

Fresneli läätsed on ring ja vöö. Rõngakujulised koondavad valgusvoo ühes suunas, vöölised igas suunas kindlale tasapinnale.

Fresneli läätse läbimõõt võib ulatuda sentimeetri murdosast mitme meetrini.

Rakendus

Paralleelse valgusvihu loomine Fresneli läätsega (asub keskel)

Fresneli läätsi kasutatakse:

Helivälja moodustamiseks kasutatakse akustikas akustilisi Fresneli läätsi (täpsemalt helisummutavatest materjalidest valmistatud akustilisi Fresneli tsooniplaate).

Krediitkaardi suurune Fresneli luup



Lähivõte Fresneli läätse pinnast.

Mitte nii kaua aega tagasi märkasin autot, mille tagaaknale oli kleebitud arusaamatu väike objektiiv, ma ei omistanud sellele mingit tähtsust, kuid see jäi mulle pähe. Siis nägin sama asja uuesti, aga mahtuniversaalil ja minu rõõmuks oma auto kõrval oleva lauaomaniku küsimusele - mis see on, vastas Fresneli objektiiv. väga soovitan, nad ütlevad, et see aitab palju. Vaatame lähemalt, mis seadmega on tegu ja miks see tõesti lihtsalt parkimisandureid asendada saab.

✔ OMADUSED

✔ PAKEND JA KOMPLEKT

Mille sees oli pappkast.

Mille tagaküljele on maalitud omadused ja skemaatiliselt kuvatud objektiivi tööpõhimõte.

Sees, et lääts ei kriibiks, pakkis müüja selle hoolikalt paberisse.

Selleks pöördume Vikipeedia poole, kus on selgelt kirjeldatud, mis on Fresneli objektiiv.
Fresneli objektiiv on keeruline komposiitobjektiiv. See on moodustatud eraldiseisvate, suhteliselt väikese paksusega kontsentriliste rõngaste kombinatsioonist, mis asuvad üksteise kõrval. Iga rõnga osa on kolmnurga kujuga, mille üks külg on kõverjooneline, ja see osa on pideva sfäärilise läätse lõigu element. Pakkunud Augustin Fresnel.

See disain tagab Fresneli objektiivi väikese paksuse (ja seega ka kaalu) isegi suure nurkava korral. Läätse lähedal asuvad rõngaste lõigud on konstrueeritud nii, et Fresneli läätse sfääriline aberratsioon on väike, läätse fookusesse paigutatud punktallikast tulevad kiired pärast rõngastes murdumist väljuvad peaaegu paralleelkiir (rõngakujulistes Fresneli läätsedes). #1 on tavaline objektiiv ja #2 on sektsiooniga Fresneli objektiiv.

See efekt on sellel fotol selgelt nähtav. Seal on väikesed "kasvud"

Objektiiv ise on akrüülist, piisavalt tugev, ma ei proovinud seda rebida, kuid see ei karda selle all olevaid volte ja mullide aktiivset hõõrdumist.

All on kiri Rearguard, üleval TOP aga, et need autos “kleebiste” ajal segadusse ei läheks.

Objektiivi mõõdud on 20cm x 25cm. Tõenäoliselt on neid rohkem, aga ma arvan, et on parim variant.

✔ TÖÖPÕHIMÕTE

Objektiivi külgedel olevad tõotused langevad samuti objektiivi fookusesse.

Objektiiv on täiesti läbipaistev ja ei sega vaadet.

✔ PAIGALDAMINE AUTOMAATSEKS

Pühkige klaasi õrnalt sees puhas.

Me hajutame kõik vistrikud lapiga.

Selline näeb välja valmis versioon.

Siin, 30-40 sentimeetri kaugusel kaitserauast, on väike auto tulekustuti. Ja siin on gopher ja te näete seda.

Nii näeb see välja tahavaatepeeglist.

✔ FRESNELLI LÄÄTSE TESTID AUTOMAATSES

Läätse saab ümber liimida peaaegu lõpmatu arv kordi, niisutame, vajutame ja ajame välja mullid.

Sõidan tunnelisse, kaamera ei edasta pilti selgelt, aga auto on hästi näha.

Ja nüüd pöörake tähelepanu, auto on peaaegu pimetsoonis ja see on objektiivis endiselt täielikult nähtav.

Mingi panoraam.

Pöörake tähelepanu sellele, kui palju "ruumi" objektiiv auto taga näitab.

"Tavria" on juba sisenemas pimedasse tsooni ja objektiivis on see endiselt täielikult kuvatud.

Teeme väikese testi, auto taha panin juba ülalolevalt fotolt tuntud väikese tulekustuti, mida pole näha, aga see võib põrkeraua lõhkuda.

Ja nii on seda objektiivis näha. Tegelikult, kui see juhtub liikumises, on see palju paremini näha, kuna objekt hakkab lihtsalt lähemale liikuma ega seisa paigal.

Siin näiteks umbes 3 meetri pealt selgitan tagaaknas, ikka ei näe, aga läbi küljepeeglite päikesevalguses on objektist selle väiksuse tõttu lihtne mööda vaadata.

No selline nägi mu õu enne objektiivi paigaldamist välja.

Ja nii avardus mu silmaring tänu temale.

Ole kaasas – videod tulevad alati kiiremini välja!

Ma ei oodanud, et sellest plastitükist nii kasulik auto saab. Pimedad nurgad kadusid peaaegu täielikult, ükski parkimisandur ei näe sammast, kuid siin on kõik suurepäraselt näha isegi 50 sentimeetri pealt. Soovitan soojalt mahtuniversaalide ja universaalide omanikele. Sobib hästi originaalseks kingituseks autojuhile ja endale. Isegi naine juba kiidab ja pargib peaaegu garaažiseina lähedale, kartmata kahjustada tagumist põrkerauda. Mul on ausalt öeldes kahju, et ma seda asja paar aastat tagasi ostmata jätsin, kui sõitsin seljaga vastu betoonplokki, mis on peeglites kangekaelselt nähtamatu, kaitseraua vahetus ja värvimine ning väljalaske hind ei olnud $ 4 ...
Ja selle põhiväärtus, paigaldamise lihtsus ja varaste täielik ükskõiksus, kes üsna sageli tahavaatekaameraid välja valivad.

Objektiiv, mis koosneb üksteisega külgnevatest väikese paksusega kontsentrilistest rõngastest

Animatsioon

Kirjeldus

Fresneli lääts on üks esimesi (kui mitte ajalooliselt esimene) valguse difraktsioonil põhinevaid seadmeid. Vaatamata oma iidsusele ei ole see oma praktilist tähtsust kaotanud tänapäevani. Selle töö aluseks oleva füüsilise idee skeletiskeem on näidatud joonisel fig. üks.

Skeem Fresneli tsoonide konstrueerimiseks lõpmata kauge vaatluspunkti jaoks (tasapinnaline laine)

Riis. üks

Selle tegevuspõhimõtte range kaalumine nõuab kvalitatiivseks mõistmiseks üsna tülikat ja mitte päris "läbipaistvat" matemaatilist aparaati. Seetõttu olevikus Lühike kirjeldus piirdume kvalitatiivse esitlusega, mis põhineb lihtsatel geomeetrilistel “piltidel” – mis teeb toote füüsikaliste põhiprintsiipide mõistmise siiski lihtsaks. Samadel lugejatel, kes vajavad põhjalikumat kaalutlust, soovitame viidata viidatud kirjandusele.

Olgu optilise kiirguse punktallikas lainepikkusega l punktis O. Loomulikult, nagu iga punktallikas, kiirgab see sfäärilist lainet, mille lainefront on joonisel kujutatud ringina. Seadkem endale üllas eesmärk see laine kuidagi "ümber teha" tasaseks, levides mööda punktiirtelge. Selle "projitseeritud" laine mitmed lainefrondid, mis on eraldatud l/2-ga, on näidatud joonisel 1.

Alustuseks märgime järgmist. Tahame vabas ruumis olemasolevast sfäärilisest lainest "konstrueerida" tasapinnalise laine. Seetõttu võivad vastavalt Huygensi-Fresneli põhimõttele meie kavandatava laine "allikateks" olla ainult olemasoleva elektromagnetilised võnked. Me ei ole rahul nende võnkumiste faasi ruumilise jaotusega, see tähendab alglaine lainefrondiga (sfääriline). Proovime seda parandada.

Esimene toiming: pange tähele, et sekundaarsete Huygensi-Fresneli lainete (mis on sfäärilised) seisukohast ei muuda kogu lainepikkuse ruumiline nihe mis tahes suunas sekundaarsete allikate faasi. Seetõttu saame endale lubada näiteks algse laine lainefrondi "murdmist", nagu on näidatud joonisel fig. 2.

Sekundaarsete radiaatorite samaväärne faasijaotus ruumis

Riis. 2

Seega oleme algse sfäärilise lainefrondi “lahti monteerinud” “rõngaosadeks” number 1, 2... ja nii edasi. Nende rõngaste piirid, mida nimetatakse Fresneli tsoonideks, määratakse alglaine lainefrondi lõikepunktiga "projekteeritud laine" lainefrontide jadaga, mis on üksteise suhtes l/2 võrra nihutatud. Saadud pilt on juba oluliselt “lihtsam” ja kujutab 2 veidi “karedat” lamedat sekundaarset kiirgajat (joonis 2 roheline ja punane), mis aga suurima kahetsusega tühistavad üksteist mainitud poollaine tõttu. vastastikune nihe.

Niisiis näeme, et paaritute numbritega Fresneli tsoonid mitte ainult ei aita kaasa ülesande täitmisele, vaid isegi kahjustavad aktiivselt. Sellega toimetulemiseks on kaks võimalust.

Esimene meetod (amplituudi Fresneli lääts). Ja sulgeme need kahjulikud veidrad tsoonid geomeetriliselt läbipaistmatute rõngastega. Nii tehakse meretuletornide suuremõõtmelistes teravustamissüsteemides. Loomulikult ei saavuta see ideaalset kiire kollimatsiooni. Näeme, et sekundaarsete emitterite ülejäänud, roheline, osa ei ole esiteks täiesti tasane ja teiseks on see katkendlik (varasemate paaritu Fresneli tsoonide asemel on null langusega). Seetõttu kaasneb kiirguse rangelt kollimeeritud osaga (ja selle amplituud pole midagi muud kui roheliste emitterite faasi ruumilise jaotuse kahemõõtmeline nullkomponent piki nullnihkega tasapinnalist lainefrondit, vt joonis 2). lainurkmüraga (kõik muud Fourier komponendid, välja arvatud null). Seetõttu on Fresneli läätse peaaegu võimatu kasutada pildistamiseks – ainult kiirguse kollimeerimiseks. Kuid kiire kollimeeritud osa on sellest hoolimata palju võimsam kui Fresneli läätse puudumisel, kuna oleme vähemalt vabanenud veidruste Fresneli tsoonide negatiivsest panusest Fourier' nullkomponendile.

Teine meetod (faasi Fresneli lääts). Teeme nüüd paarituid Fresneli tsoone katvad rõngad läbipaistvaks, paksusega, mis vastab täiendavale faasinihkele l /2 . Sel juhul nihkub "punaste" sekundaarsete radiaatorite lainefront ja muutub "roheliseks", vt joon. 3.

Sekundaarsete emitterite laineesine Fresneli faasiläätse taga

Riis. 3

Teisisõnu, meil õnnestus veidratest Fresneli tsoonidest algselt kahjulik panus null-Fourieri komponendile kasulikuks muuta, muutes selle märki poollaine faasinihke tõttu. Seda lähenemisviisi kasutatakse väiksemates Fresneli objektiivides, eriti taustvalgustusega kollimatsiooniläätsedes, mida kasutatakse ekraanil kuvatavates tavalistes loenguprojektorites.

Tegelikult on Fresneli faasiobjektiividel kaks versiooni. Esimene neist on tasane substraat, millel on ladestunud poollainekihid paaritute Fresneli tsoonide piirkondades (kallim variant). Teine on kolmemõõtmeline pöördeosa (või isegi polümeeri tembeldamine kunagi valmistatud maatriksile, nagu grammofoniplaat), mis on valmistatud "astmelise koonilise pjedestaali" kujul, faasi sissetungi poollainepikkusega.

Seega võimaldavad Fresneli läätsed toime tulla suure põikavaga kiirte kollimatsiooniga, olles samal ajal väikese kaalu ja suhteliselt väikese valmistamise keerukusega lamedad osad. Samaväärne tuletorni klaasist objektiiv kaalub pool tonni ja maksab veidi vähem kui astronoomilise teleskoobi objektiiv. Asi on siin selles, et toote selliste mastaapide juures ei ole põhiraskus enam mitte läätse pinna töötlemises, vaid optiliselt piisavalt homogeense algse klaasivalu saamises. Seetõttu on Fresneli läätsed üks väheseid näiteid teaduse areng, mis leidis vahetu ja laia praktiline kasutamine(see on siis üheksateistkümnenda sajandi alguses!) Ja "pole teenistusest tagasi võetud" juba 2 sajandit.

Pöördume nüüd küsimuse juurde, mis juhtub siis, kui valgusallikat nihutatakse piki telge Fresneli läätse suhtes, mis oli algselt mõeldud allika kiirguse kollimeerimiseks asendis O (joonis 1). Algset kaugust allikast objektiivini (st objektiivi lainefrondi esialgne kõverus) lepime eelnevalt kokku, et nimetame fookuskauguseks F analoogselt tavalise läätsega, vt joonis fig. neli.

Punktallika kujutise konstrueerimine Fresneli objektiiviga

Riis. neli

Seega selleks, et Fresneli lääts jääks Fresneli objektiiviks ka allika nihutamisel asendist O asendisse A, on vajalik, et sellel olevate Fresneli tsoonide piirid jääksid samaks. Ja need piirid on kaugused teljest, kus langevate ja "projitseeritud" lainete lainefrondid ristuvad. Esialgu langenud esiosa oli kõverusraadiusega F , "projitseeritud" aga lame (joon. 4 punane). Teljest kaugusel h ristuvad need frondid, seades ühe Fresneli tsooni piiri, MN=n l /2, n on tsooni number, mis algab sellelt kauguselt teljest.

Kui allikas liikus punkti A, suurenes langeva lainefrondi raadius ja sellest sai R 1 (joonisel sinine). Seega peame leidma uue lainefrondi pinna, nii et see lõikuks sinisega, mis asub teljest samal kaugusel h, andes teljel endal sama MN. Kahtlustame, et selline projitseeritud lainefrondi pind võib olla sfäär raadiusega R 2 ( roheline värv pildil). Tõestame seda.

Kaugus h on hõlpsasti arvutatav joonise punasest osast:

(1)

Siin oleme tähelepanuta jätnud lainepikkuse väikese ruudu võrreldes fookuse ruuduga, mis on täiesti analoogne tavalise valemi tuletamisel paraboolse lähendusega õhuke objektiiv. Teisalt tahame sinise ja rohelise lainefrondi ristumiskoha tulemusena leida n-nda Fresneli tsooni uue piiri, nimetagem seda h 1 . Lähtudes asjaolust, et vajame segmendi MN sama pikkust:

(2)

Lõpuks, nõudes h=h 1 , saame:

See võrrand on sama, mis tavaline õhukese läätse valem. Lisaks ei sisalda see Fresneli tsoonide vaadeldava piiri arvu n ja seetõttu kehtib see kõigi Fresneli tsoonide jaoks. Seega näeme, et Fresneli lääts ei suuda mitte ainult kiirte kollimeerida, vaid ka pilte luua. Tõsi, tuleb arvestada, et objektiiv on ikkagi astmeline, mitte pidev. Seetõttu halveneb selle jaotise alguses käsitletud lainefrondi kõrgemate Fourier' komponentide segunemine pildikvaliteeti märgatavalt. See tähendab, et Fresneli läätse saab kasutada kiirguse fokuseerimiseks antud punkti, kuid mitte täppiskujundamiseks mikroskoopilistes ja teleskoopilistes seadmetes.

Viimane märkus. Kõik ülaltoodu viitas monokromaatilisele kiirgusele. Siiski saab näidata, et käsitletud rõngaste läbimõõtude hoolika valikuga on võimalik saavutada mõistlik fookuskvaliteet ka loomuliku valguse puhul. Vastav matemaatika on üsna keeruline, seega keskendume viimasele sõnalisele väitele.

Ajastus

Algusaeg (logi kuni -15 kuni -13);

eluiga (log tc 15 kuni 15);

Lagunemisaeg (log td -15 kuni -13);

Optimaalne arendusaeg (log tk vahemikus -1 kuni -1).

Diagramm:

Efekti tehnilised teostused

Efektide tehniline teostus

Efekti tehniline teostus on üsna lihtne. Punktallikast tulev sfääriline laine (lihtsalt heelium-neoonlaseri lahknev kiir pärast fokusseerimist 3 cm fookuskaugusega objektiiviga, punktallikaks on fookusvihu vöökoht) langeb tavaliselt klaasekraanile, eemaldatakse kaugus umbes 1-2 meetrit. Ekraanile on märgitud Fresneli tsoonide piiride ringid (sisemise läbimõõt on umbes 3 mm), paaritu tsoonid värvitakse üle musta tindiga. Sel juhul kollimeeritakse edastatav kiir ligikaudu paralleelseks.

Efekti rakendamine

Fresneli läätsi, nii faasi kui amplituudiga, kasutatakse laialdaselt suure avaga valguskiirte kollimeerimise tehnoloogias, mille puhul tavaliste sfääriliste läätsede ja peeglite kasutamine on keeruline. Näiteid on käsitletud ülalpool sisujaotises.

Kirjandus

1. Sivukhin D.V. Füüsika üldkursus. Optika.- M.: Nauka, 1985.

2. Landsberg G.S. Optika.- M.: Nauka, 1976.

3. Füüsika. Suur entsüklopeediline sõnaraamat.- M.: Suur vene entsüklopeedia, 1999.- Lk 90, 460.

Märksõnad

• sekkumine
• difraktsioon
• fresneli tsoon
• Huygensi-Fresneli põhimõte
• fookuskaugus
• kollimatsioon
• pilt
• lainepikkus

Loodusteaduste sektsioonid: