astro-talks
форум для любителей астрономии
Светопотери в телескопе
Светопотери в телескопе
Сообщение Ernest » 14 июл 2010, 14:32
Источники потерь света в оптических системах
- Потери на отражение, в отсутствие просветления
При прохождении светом оптической поверхности часть света проходит, часть отражается. В отсутствие на оптической поверхности просветляющих покрытий коэффициент Френелева отражения ρ составит при небольших углах падения примерно:
ρ = Фρ/Фо = (n’ — n) 2 /(n’ + n) 2 ,
где
Фρ — отраженный световой поток,
Фо — падающий световой поток,
n’, n — показатели преломления среды до и после рассматриваемой оптической поверхности.
Например, для обычного стекла К8 (n = 1.52) потери света на отражение при прохождении только двух поверхностей отдельной линзы в воздухе (n = 1.0) составят 2*0.52 2 /1.52 2 = 0.085 или 8.5%. Для так называемых тяжелых стекол (лантановые и подобные им) с показателем преломления 1.8 потери на прохождение линзы возрастут до 16%! И напротив, на поверхности склейки двух линз потери обычно весьма невелики ввиду небольшого различия в показателях преломления склеиваемых стекол. Например на поверхности склейки линз с показателями 1.52 и 1.80 потери рассчитанные по той-же формуле составят всего 0.7% (точный расчет учитывает показатель преломления клея и потери на двух поверхностях стекло-клей). Это было в свое время дополнительным стимулом для использования склеенных блоков линз взамен отдельно стоящих — склейки давали меньшие светопотери.
Сейчас в оптических системах поверхности непокрытые просветляющими покрытиями весьма редки, кроме поверхностей склеек, это могут быть призмы, светофильтры, самодельные оптические узлы собранные на случайном оптическом материале (вроде очковых линз, луп и т.п.) и просто брак (линзы оптического узла, которые «забыли» просветлить). - Потери на отражение при наличие просветления
При наличии просветляющего покрытия потери света при прохождении оптических поверхностей удается снизить. При этом в зависимости от типа просветления отраженный световой поток становится весьма отличным по спектру от падающего.
Однослойное покрытие оптимизируют так, чтобы оно наилучшим образом работало в центре рабочего спектрального диапазона наблюдательного прибора, то есть зеленого света в обычной оптике. При этом условия просветления на краях спектра нарушаются и отраженный поток обогащается красным и синим, что дает знакомый всем пурпурный/фиолетовый цвет блика однослойного просветления. В среднем по спектру однослойные покрытия отражают в блик от 0.6% до 3.2% (ρ = 0.006..0.032) падающего потока (зависит от типа покрытия и показателя преломления стекла).
При нанесении двухслойных просветляющих покрытий удается улучшить эффективность просветления на краях спектрального диапазона, но за счет некоторого ухудшения в центре (зеленой части), для них характерен густой зеленый цвет и средний по спектру коэффициент отражения 0.5-0.6% (ρ = 0.005..0.006).
Только так называемые многослойные покрытия (число слоев не менее трех, цвет блика зависит от технологии нанесения и типа оптимизации) позволяют снизить коэффициент отражения на каждой преломляющей оптической поверхности стекло/воздух до 0.2-0.4% (ρ = 0.002..0.004).
Стоит отметить, что условия просветления сильно зависят от углов падения световых лучей, для широкоугольной оптики потери света могут оказаться много выше приведенных цифр. Кроме того, сам технологический процесс нанесения просветлений (особенно) весьма капризен и часто реальные потери света оказываются заметно больше расчетных. - Потери на поглощение в оптических средах
Распространение света в реальных оптических средах связано с поглощением части его энергии, в зависимости от коэффициента поглощения α оптического материала — коэффициента потерь света при прохождении 1 см оптического материала. Для расчета коэффициента пропускания оптических деталей используют следующую формулу:
τα = Фτ/Фо = (1 — α) l ,
где
Фо и Фτ — падающий и прошедший оптические потоки
l (см) — длина хода света в оптической детали
Типичные значения коэффициента поглощения хороших оптических стекол α составляют от 0.2% до 0.8% (1/см), однако ГОСТ3514-76 оперирует значениями коэффициента поглощения до 3% (4-ая категория). Так что в отсутствие информации для примерных расчетов можно принимать значение α = 0.01, то есть полагать
τα = 0.99 L ,
где L — суммарная длина хода света в стекле оптической системы. - Потери на поглощение при отражении
При отражении от зеркал также поглощается часть светового потока. Обычно полагают, что при отражении от свежего серебряного слоя и так называемых «улучшенных» наружных зеркал коэффициент поглощения составляет 5-6% (η = 0.05..0.06); традиционные алюминиевые зеркала с однослойной защитой имеют коэффициент поглощения не лучше 12-15% (η = 0.12..0.15), а на практике, обычно, заметно хуже. В диэлектрических многослойных зеркалах, используемых, обычно, в качестве диагональных, коэффициент поглощения снижен до значений 1-2% (η = 0.01..0.02). - Потери на экранирование
Зеркальные схемы телескопов обычно имеют так называемое центральное экранирование входной апертуры. Обычно его задают линейным коэффициентом экранирования
ε = d/D,
где
d — диаметр экранирующей поверхности,
D — диаметр осевого пучка в плоскости его экранирования.
Потери света на центральное экранирование составляют
αε = ε 2 ,
и соответственно пропускание
τε = 1 — ε 2 .
Расчет суммарных потерь света в оптическом узле
Принимая во внимание вышеизложенное, можно уже посчитать суммарные потери света.
где
ε — коэффициент линейного экранирования (0 для систем без экранирования),
M — число зеркал в оптической системе с коэффициентом светопотерь η,
R — число поверхностей стекло/воздух с коэффициентом потерь на отражение ρ,
L — суммарная длина хода оптической оси в стекле (в сантиметрах) с показателем ослабления α.
Например, коэффициент пропускания для случая Ньютона с 20% экранированием: τ = (1 — 0.2*0.2)*(1-0.15) 2 = 0.7 или 70%. Для типового рефрактора-ахромата с однослойным покрытием обеих линз и обычным диагональным зеркалом: τ = (1-0.15)*(1-0.015) 4 *(1-0.01) 2 = 0.78 или 78%.
Эффективная апертура телескопа
Для того, чтобы можно было сравнить потери, хорошо бы их привести к единой мере — рассчитать эффективный диаметр апертуры идеализированного (совершенно без световых потерь) телескопа, который соберет такое-же количество света, что и обсчитанный на предмет его потерь:
где
Dэфф — эффективный диаметр идеального объектива телескопа,
D — диаметр реального телескопа со светопотерями,
sqrt(τ) — корень квадратный их коэффициента пропускания объектива.
Например, для типичного 120 мм Ньютона получится Dэфф = 120*sqrt(0.7) = 100 мм, а для рассмотренного выше 90 мм рефрактора Dэфф = 90*sqrt(0.78) = 80 мм. Похоже 120 мм Ньютон все же собирает заметно больше света, чем 90 мм рефрактор-ахромат с рядовым просветлением и обычным диагональным зеркалом.
Приведенная апертура объектива телескопа
Можно еще поставить вопрос таким образом: какова должна быть апертура телескопа с коэффициентом пропускания τ1, чтобы он собирал столько-же света как и телескоп с с коэффициентом пропускания τ2. То есть какова должна быть апертура приведенная к другому коэффициенту пропускания?
где D2 — диаметр апертуры объектива с коэффициентом пропускания τ2, который идентичен по собираемому свету объективу с апертурой D1 и коэффициентом пропускания τ1.
Например, для 120 мм типичного Ньютона приведенный диаметр равного по собираемому свету рефрактора составит 120*sqrt(0.7/0.78) = 112 мм.
Стоит, вероятно отметить следующее: использованный пример из сравнения рефлектора и рефрактора весьма условен. Реальный рефрактор может иметь иное число линз, многослойное просветление, использовать диагональ с многослойным диэлектрическим зеркалом или даже не использовать его вообще (вариант астрографа), что заметно изменит (в том числе и улучшит) его светопропускание. Те-же замечания относятся и к Ньютону. Сравнивать надо не абстрактные схемы, а конкретные инструменты. Назад к оглавлению статей
Источник
Основные положения. При прохождении потока излучения через оптический кристалл наблюдается его ослабление из-за потерь на отражение от поверхностей кристалла и на поглощение в
При прохождении потока излучения через оптический кристалл наблюдается его ослабление из-за потерь на отражение от поверхностей кристалла и на поглощение в его массе.
Поглощение и отражение светового потока зависят от показателя преломления оптического кристалла, длины волны падающего излучения, от примесей и других дефектов материала.
Согласно закону сохранения энергии для светового потока монохроматического излучения Ф, падающего на кристалл, выполняется условие:
Фτ— пропущенный кристаллом поток.
Отношение каждого из потоков Фρ, Фα и Фτ к падающему потоку монохроматического излучения называется соответственно:
коэффициент отражения 
; (1.2)
показатель поглощения 
; (1.3)
коэффициент пропускания 
; (1.4)
Следовательно: 
(1.5)
1)спектральный коэффициент пропускания τλ излучения данной длины волны λ;
2)интегральный коэффициент пропускания τ излучения кристаллов, прозрачных в видимой части спектра (λ=380…760 нм) и кристаллов, непрозрачных в видимой части спектра (в рабочей области ультрафиолетовой или инфракрасной). Этот коэффициент характеризует прозрачность материала.
1.1.Спектральное пропускание
Спектральный коэффициент пропускания τλ определяется как отношение прошедшего через кристалл потока излучения Фλτ к падающему Фλ .
(1.6)
Величина 1-τλ характеризует полные потери света, обусловленные поглощением и отражением.
Спектральный коэффициент внутреннего (чистого) пропускания τiλ определяется как отношение выходящего потока излучения (Фλ)ex к входящему потоку (Фλ)in . При этом потери на отражение от граничных поверхностей кристалла исключены:
(1.7)
Между коэффициентами внутреннего пропускания τiλ и коэффициентом пропускания τλ соблюдается соотношение:
, (1.8)
где R- коэффициент, учитывающий потери света, обусловленные только отражением на двух поверхностях.
Коэффициент R определяется выражением:
(1.9)
Зависимость коэффициента отражения от показателя преломления выражается уравнением Френеля (для одной поверхности раздела кристалл-воздух);
, (1.10)
где nλ –показатель преломления кристалла в рабочей области спектра: ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной.
Граница пропускания характеризуется длиной волны λгр., при которой спектральный коэффициент внутреннего пропускания τiλ равен 0,5.
Условие прозрачности кристаллов может быть выражено соотношением:
, (1.11)
c- скорость света в вакууме;
то есть энергия кванта излучения E должна быть меньше ширины запрещенной зоны Еg .
Из этого соотношения легко выводится граничное условие прозрачности:
(1.12)
При этом условии энергия кванта с длиной волны λ = λгр. окажется достаточной для возбуждения электронов и переброса их из валентной зоны в зону проводимости. Этот переброс будет сопровождаться поглощением энергии электромагнитного излучения. Из граничного условия τiλ=0,5 находим величину граничной длины волны λгр., под которой понимают границу начала пропускания света веществом. При значениях λ > λгр вещество прозрачно, т.к. энергия кванта излучения 
окажется меньше Еg. При значениях λ
Подставляя h и c в формулу (1.12) получим соотношение:
Зная ширину запрещенной зоны, легко определить границу прозрачности любого кристалла.
Определение спектральных характеристик пропускания кристаллов производится на автоматическом спектрофотометре СФ-56А с компьютером.
1.2. Автоматический спектрофотометр СФ-56А
Спектрофотометр СФ – 56А предназначен для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твёрдых прозрачных веществ в области спектра от 190 до 1100 нм.
Принцип действия спектрофотометра основан на измерении отношения двух световых потоков: светового потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).
В монохроматический поток излучения поочерёдно вводятся «тёмная зона», расположенная на блоке светофильтров, контрольный образец и исследуемый образец.
При введении контрольного образца изменением ширины щели и чувствительности блока ФПУ автоматически устанавливается определённый уровень сигнала. При введении в поток излучения исследуемого образца световой поток изменяется пропорционально коэффициенту пропускания образца. С выхода блока ФПУ снимают сигналы.
Коэффициент пропускания исследуемого образца Т рассчитывается по формуле
, (1.13)
где UK — напряжение, пропорциональное световому потоку, падающему на образец;
U — напряжение, пропорциональное световому потоку, прошедшему через образец;
UT — напряжение, пропорциональное темновому току блока ФПУ.
Оптическая схема спектрофотометра представлена на рисунке 1.
В качестве источников излучения для спектрофотометра используется дейтериевая лампа 1 — для работы в области спектра от 190 до 340 нм и галогенная лампа 3 — для работы в области спектра от 340 до 1100 нм.
Смена источников излучения производится автоматически при помощи плоского зеркала 2, которое в рабочем положении перекрывает световой поток от лампы 1, направляя на входную щель монохроматора световой поток от лампы 3.
Рисунок 1 — Оптическая схема спектрофотометра СФ-56А.
1-Дейтериевая лампа 9-Сферическое зеркало
2-Плоское зеркало 10-Торическое зеркало
3-Галогенная лампа 11-Входная щель
4-Эллиптическое зеркало 12-Вогнутые дифракционные решетки
5-Плоское зеркало 13-Торическое зеркало
6-Блок со светофильтрами 14-Фотоприемник
7-Линза 15-Защитные пластины
8-Входная щель монохроматора 16-Торическое зеркало
При помощи эллиптического зеркала 4 и плоского зеркала 5 светящееся тело каждого источника излучения проецируется на входную щель 8 монохроматора с увеличением 5 (х5).
Для уменьшения рассеянного света и устранения высших порядков дифракции перед монохроматором установлен блок со светофильтрами 6. Линза 7 служит для согласования оптических систем осветителя и монохроматора.
Двойной монохроматор построен по горизонтальной схеме с постоянным углом отклонения 12 ° со сложением дисперсий и состоит из двух вогнутых дифракционных решёток 12 с переменным шагом и криволинейным штрихом и сферического зеркала 9, выполняющего роль средней щели.
Сканирование спектра осуществляется одновременным поворотом решёток обоих монохроматоров на одинаковый угол.
На входную щель 11 проецируется изображение выходной щели с увеличением 1(х 1).
Оптическая система кюветного отделения и приёмного устройства, состоящая из трёх торических зеркал 10,13,16, формирует изображение выходной щели в кюветном отделении в плоскости установки образца с увеличением 1(х1) и изображение выходного зрачка на фотоприёмнике 14 блока ФПУ с увеличением 0,2 (х 0,2). На входе и выходе кюветного отделения установлены защитные пластины 15.
Оптическая система рассчитана таким образом, что при установке в кюветном отделении приставки зеркального отражения или кюветы с исследуемым веществом не происходит изменения размера светового пятна на фотоприёмнике. В качестве фотоприёмника излучения используется фотодиод с приёмной площадкой размером 7×7 мм, который развёрнут на угол 19° для устранения многократных отражений от светочувствительной поверхности.
Дата добавления: 2015-01-13 ; просмотров: 1333 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
