Документ обсуждает волновую оптику и дифракцию света, включая ключевые принципы, такие как принцип Гюйгенса и правила Френеля. Описываются приложения линз Френеля, их роль в современных технологиях, а также различные эффекты дифракции, включая дифракцию Фраунгофера и её применение в астрономии и оптике. Примечаны достижения в создании интерактивных экранов на основе технологий дифракции.

1. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА Дифракция Материалы к лекции по физике профессор Звонов Валерий Степанович Январь 2012

2. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА К дифракции относится совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с разными неоднородностями. Физического различия между интерференцией и дифракцией нет, и то и другое – перераспределение светового потока в результате суперпозиции волн. Обычно их различают по количеству источников: интерференция происходит от конечного числа источников света, а дифракция от непрерывного распределения источников. Интерференцией света называется наложение когерентных световых волн, в результате которого происходит перераспределение световой энергии в пространстве, и в одних точках пространства наблюдается усиление световых колебаний, а в других – ослабление. Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз колебаний.

3. Демонстрация явления дифракции

4. Демонстрация явления дифракции

5. Демонстрация явления дифракции на щели

6. Первое объяснение дифракции света было дано Френелем в 1818 г. Он показал, что количественное описание дифракционных явлений возможно на основе построения волнового фронта Х. Гюйгенса если его дополнить принципом интерференции вторичных волн. В 1882 г. Г. Кирхгоф дал строгое математическое обоснование принципу Гюйгенса – Френеля. ( Христиан Гюйгенс, голландский физик, 1629–1695 ), ( Густав Роберт Кирхгоф, немецкий физик, 1824–1887 )

7. Принцип Гюйгенса Гюйгенс предложил способ построения фронта распространяющейся световой волны. Согласно принципу Гюйгенса , каждую точку, в которую пришла волна от источника, можно принять за центр вторичных сферических волн, распространяющихся во все стороны (см рис.). Результирующая волна рассматривается как наложение вторичных волн, и вводится понятие огибающей этих волн. Радиус каждой окружности зависит от скорости распространения электромагнитных волн.

8. Принцип Гюйгенса

9. Принцип Гюйгенса - Френеля Френель количественно дополнил принцип Гюйгенса учетом амплитуд и фаз вторичных волн и их соответствующим наложением и тем самым вложил в принцип Гюйгенса ясное физическое содержание. Он рассматривал полное световое поле как результат интерференции вторичных волн .

10. Принцип Гюйгенса - Френеля

11. Зоны Френеля

12. Метод зон Френеля Применим эту формулу для определения напряженности поля в точке Р. Разобьем волновую поверхность на кольцевые зоны так, чтобы расстояния от внутренней части m -ой зоны до точки наблюдения Р равно: Вклад от зоны пропорционален площади зоны

13. Метод зон Френеля В нашем случае R = a, тогда

14. Метод зон Френеля

15. Метод зон Френеля

19. Пятно Пуассона

20. Пятно Пуассона Дифракция на дисках различного диаметра приводит к появлению в центре геометрической тени максимума - т.н. пятна Пуассона. Диаметр и яркость пятна увеличиваются при уменьшении диаметра диска.

21. Линза Френеля

22. Линза Френеля Учёные превратили контактную линзу в светодиодный дисплей Прототип контактной линзы, созданный исследователями из США и Финляндии, уже прозвали «зрением терминатора». В нём визуальная информация транслируется с компьютера непосредственно в глаз человека, превращая тот в подобие дисплея. сделан ещё один важный шаг к отображению электронных писем, текстовых сообщений и показателей здоровья прямо в глазах человека. основные компоненты линзы – это прозрачный сапфировый чип, содержащий специально разработанный микросветодиод (1), интегральная схема для хранения энергии (2), антенна, получающая энергию в виде радиоволн (3), металлические интерконнекторы (4) и собственно полимерная линза (5). Цифрой 6 на рисунке обозначена проекция изображения.

23. Линза Френеля: от маяков к экранам обратной проекции Френель представил линзу в виде набора призм которые преломляют световые лучи - отклоняют их на такие углы, что они сходятся в точке фокуса. Вместо одной большой линзы он предложил использовать конструкцию в виде тонких колец из отдельных призм треугольного сечения. Ученый рассчитал форму профилей колец, разработал технологию изготовления и проконтролировал весь процесс создания линз. Яркость света новых маяков удивила мореплавателей не только во Франции, но и во всем мира, линза Френеля была взята на вооружение большинством морских держав. Просветный экран, созданный на основе линзы Френеля, состоит из тысяч концентрических колец, которые преломляют свет проектора и направляют его в сторону зрителя. В результате, контрастность изображения даже при высоком уровне освещенности может достигать значения 50:1, что невозможно на любых других проекционных решениях и приближается к параметрам LCD- и плазменных дисплеев. Что касается яркости, она не только усиливается благодаря линзе Френеля, но и становится значительно равномернее от краев к центру экрана.

24. Линзы Френеля Сверхплоская лёгкая лупа — тонкий лист пластика, отлитый в форме линзы Френеля, оказывается удобным увеличительным стеклом для людей с пониженным зрением, вынужденным читать текст, напечатанный мелким шрифтом. Благодаря малой толщине, такая лупа используется как закладка и линейка. Также применяют в акустике при обесшумливании и вибродемпфировании дверей. Изготавливают из вибродемпфирующих материалов. Пластиковая пленка в виде линзы Френеля, наклеенная на заднее стекло автомобиля, уменьшает мертвую (невидимую) зону позади автомобиля при взгляде через зеркало заднего вида. Перспективным в настоящее время считается использование линз Френеля в качества концентратора солнечной энергии для солнечных батарей. Линзы Френеля применяются в инфракрасных (пирометрических) датчиках движения охранных сигнализаций.

25. Пленки и экраны обратной проекции © 3M Digital Signage 2007. All Rights Reserved.

26. Экраны обратной проекции, чтобы… ПРОДВИГАТЬ ПРИВЛЕКАТЬ ИНФОРМИРОВАТЬ

27. Примеры применения пленок и экранов обратной проекции

28. Применение в розничных сетях Как оформление витрины

29. Электронный манекен

30. Виртуальный промоутер

31. Интерактивные экраны больших размеров

32. Центры управления

33. Преимущества использования пленок обратной проекции перед традиционными цифровыми экранами Высокая контрастность и насыщенные цвета В любой точке экрана под любым углом зрения Превосходного качества изображение Меньше бликов Шире углы обзора Визуальное воздействие ‘ Повисшее в воздухе изображение ’ без громоздкой электроники Экраны могут быть любой геометрической формы Экраны больших размеров за меньшие деньги - Меньшие риск порчи экрана или его кражи Легкие по весу и простые в установке

34. Прозрачная подложка Поверхность, состоящая из стеклянных шариков

35. Transparent substrate Поверхность, состоящая из стеклянных шариков, направляет пучок света от проектора сквозь поглощающий слой Внешний свет направляется на черный слой и поглощается Анти-бликовое покрытие уменьшает отражение от внешних источников света Переданный пучок света распространяется дальше под чрезвычайно широкими углами

36. Экран обратной проекции Тончайшая пленка представляет собой линзы Френеля Контрастность изображения повышается в 200 раз по сравнению с обычным экраном

37. Интерактивные экраны Сочетание экрана обратной проекции и интерактивной пленки Интерактивная пленка нанесена прямо на стекло Интерактивная пленка ViP Стекло Пленка обратной проекции смонтирована позади интерактивной фольги Интерактивный экран управляется со стороны стекла

38. Интерактивные экраны Сочетание экрана обратной проекции и интерактивной пленки

39. Дифракция Фраунгофера .

40. Дифракция Фраунгофера .

41. Дифракция Фраунгофера на щели .

42. Некоторые выводы Основная часть светового потока приходится на центральный дифракционный максимум, поэтому его ширину можно принять в качестве оценки угловой расходимости пучка с поперечным сечением b : . Это угловое уширение пучка обусловлено волновой природой света, и его в принципе нельзя устранить при заданной ширине сечения пучка. Строго параллельных световых пучков не существует. На пути длиной l пучок претерпевает дифракционное уширение порядка Этим уширением можно пренебречь лишь тогда, когда оно мало по сравнению с исходной шириной пучка, т.е. при условии . В таких условиях пучок можно считать параллельным и использовать для его описания геометрическую оптику.

43. Пучок света, расширяющийся вследствие дифракции. Область I – понятие луча света, законы геометрической оптики . Область II – зоны Френеля , пятно Пуассона. Область III – дифракция в параллельных лучах

45. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии

46. Дифракция и астрономия Вместо светящейся точки мы видим в телескопе диск – это из-за дифракции на входном отверстии телескопа. Так как размеры диска пропорциональны λ /b, где b – диаметр входного отверстия телескопа, то вот почему самые лучшие телескопы имеют очень большие диаметры объективов

47. Разрешающая способность телескопа Дифракционные изображения двух близких звезд в фокальной плоскости объектива телескопа

48. Глаз

49. Глаз Глаз при рассматривании удаленных предметов действует так же, как и объектив телескопа. Роль D играет диаметр зрачка глаза d зр . Полагая d зр = 3 мм, λ = 550 нм, найдем для предельного углового разрешения глаза

50. Применение дифракции Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм).

51. Применение дифракции Дифракционная решетка Существуют отражательные и прозрачные дифракционные решетки. Дифракционные решетки используются для разложения электромагнитного излучения в спектр.

54. Дифракционная решетка

55. Дифракционная решетка Если на решетку падает плоская волна, то волна, идущая от каждой щели, сдвинута по фазе на