VII-ВОЛНЫ И СВЕТ
VII-1. ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН
Волновое движение носит разнообразный характер и весьма распространено в природе. Выше уже было отмечено, что основной признак волнового движения – это перенос энергии без переноса вещества. Для всех волновых процессов характерны явления дифракции и интерференции. В общем случае дифракция – это отклонения волновых движений от законов геометрической /прямолучевой/ оптики. Если на пути распространения волны имеется препятствие, то на краях препятствия наблюдается огибание волной края. Если размеры препятствия велики по сравнению с длиной волны, то распространение волны почти не отклоняется от прямолинейного, т.е. дифракционные явления незначительны. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то наблюдается сильное отклонение от прямолинейного распространения волнового фронта. При совсем малых размерах препятствия волна полностью его огибает – она «не замечает» препятствия. Очевидно, величина отклонения /количественная характеристика дифракции/ при заданном препятствии будет зависеть от длины волны; волны с большой длиной будут сильнее огибать препятствие.
Такое разделение волн используется в дифракционных спектроскопах, где белый свет /совокупность волн различной длины/ разлагается в спектр с помощью дифракционной решетки – системы частых полос.
Интерференция волн имеет место при наложении двух или более волновых движений, четкая интерференционная картина /характерна расположение максимумов и минимумов/ может наблюдаться лишь в том случае, если накладывающиеся волны когерентны, т.е. имеют одну и ту же частоту. Существует много различных методов получения когерентных волн, наиболее доступным является использование прямой и отраженной волны. Явление дифракции и интерференции широко используются в физико-дифракционные решетки,
интерферометры для определения длин волн, показателей преломления, дисперсности среды, контроля параллельности поверхностей /с точностью до четверти длины волны/. Существуют интерференционные микроскопы. При создании в жидкости ультразвуковых волн дифракция света на сгущениях и разрежениях, создаваемых ультразвуком, позволяет изучать очень тонкие эффекты распространения ультразвука.
Значительное развитие интерференционные методы получили с изобретением лазеров - мощных источников монохроматического излучения. Соединение интерференционных и теневых методов позволило получить очень сильное орудие для исследования неоднородностей в прозрачных средах /конвективные потоки, ударные волны и т.д./ Литература: Г.С.Ландсберг «Оптика», М., 1957г., Горелик Т.С. «Колебания и волны», М, 1959г., ФурдуевВ.В. «Интерференция и когерентность акустических сигналов Акустический журнал, 1959, т.5, № 1, стр.111, Менцер Дж. «Дифракция и рассеяние радиоволн», М, 1958г, Васильев Л.А. «Теневые методы», М, 1968г.
Примеры. Патент США 3586416: Модулятор света построен на интерферометра Майкельсона, в котором падающий луч разделяется и взаимодействует, образуя интерференционные полосы в пространстве. Световое излучение может селективно преобразовываться с помощью решетки или маски на выходе и электрического изменения длины оптического пути одной стороны. Это может быть достигнуто с помощью эффекта Керра или Покельса. При другом варианте используется эффект Фарадея для уничтожения интерференции между двумя когерентными лучами.
Основная задача - модуляция света - решена в этом патенте применением интерференции. Однако в этом же патенте для дальнейших манипуляций с модулированным пучком используется и другие эффекты. Эффекты Фарадея и Керра описаны в этом справочнике; эффект изменения оптической длины пути с помощью электрического поля обусловлен тем, что в ряде веществ показатель преломления изменяется при наложении электрического поля. Показатель преломления связан с поляризуемостью среды, которая для сегнетоэлектриков и полярных жидкостей в сильных полях зависит от величины электрического поля /см. Сканави Г.И. «Физика диэлектриков», 1949, 1958гг., Дж.Слэтер «Диэлектрики, полупроводники, металлы», Мир, 1969г, Хиппель А.Р. «Диэлектрики и их применение», 1959г/. Изменение показателя преломления в электрических полях может быть измерено с помощью методов молекулярной рефракции.
А.с 154676: Способ определения абсолютного значения ускорения силы тяжести, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, время падения измеряют путем подсчета количества временных периодических интервалов, задаваемых эталоном частоты, в период между моментами совладения отрезков пути свободного падения с длиной трубчатого концевого эталона, сличаемых интерференционным методом в процессе свободного падения тела.
А.с. 268732: Способ определения распределения плотности газа с использованием интерферометрического метода, отличающийся тем, что, с целью определения распределения плотности отдельных компонентов в газовой смеси, исследуемый газ облучают двумя монохроматическими световыми потоками с длинами волн, близкими к линии поглощения исследуемой компоненты газа, и по полученной интерференционной картине судят о распределении плотности компоненты газа.
В авторском свидетельстве № 249468 изменение дифракционной картины при изменении размеров препятствий использовано для градуировки магнитного поля, под действием которого изменяются параметры ферромагнитной пленки с полосовой доменной структурой.
Способ градуировки магнитного поля с помощью эталона, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса, градуировки эталон, в качестве которого использована, тонкая ферромагнитная пленка с полосовой доменной структурой, на которую нанесен магнитный коллоид, намагничивают под определенным углом к направлению силовых линий градуируемого поля, освещают его светом и наблюдают дифрагировавший на эталоне луч света, затем увеличивают градуируемое поле до величины, при которой исчезает наблюдаемый луч, и сопоставляют эту величину с известным значением поля переключения эталона.
А.с. 252625: Способ определения статистических характеристик прозрачных диэлектрических пленок, заключающийся в том, что через исследуемую пленку пропускают луч света, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и сокращения времени определения, на пути луча когерентного света за исследуемой пленкой устанавливают экран с отверстием, вращают исследуемую пленку в плоскости, перпендикулярной оси луча, получают усредненную дифракционную картину от отверстия и затем из сравнения, полученной усредненной дифракционной картины с расчетной картиной определяют статистические характеристики пленки.
VII-2. СВЕТ. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. УЛЬТРОФИОЛЕТОВОЕ И ИНФРАКРАСНОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
Свет - это совокупность электромагнитных волн различной длины. Область длин видимого света - от 400 до 750 нанометров /1 нанометр – 10-9 метра/; однако в понятие "свет" часто включается и примыкающие области спектра - ультрафиолетовую и инфракрасной. Об интегральных энергетических характеристиках света /фотометрия/ можно прочесть в книге Тиходеева П.М. «Световые измерения в светотехнике», 1962г.
Отметим некоторые характеристики световых потоков. При прохождении света через вещество часть светового потока поглощается; соответствующее количественные характеристики среды описываются коэффициентами поглощения и пропускания. Их значение для каждого вещества сильно зависит от длины волны света. Стандартный пример: обычное стекло пропускает видимый и инфракрасный свет и поглощает ультрафиолетовый. Кроме того, коэффициент пропускания зависит от угла падания и процессов рассеяния света в среде. С одной стороны, измерения коэффициента пропускания на определенном веществе в заданными свойствами может дать информацию о спектральном составе света, с другой стороны - при заданном спектральном составе светового пучка изменение коэффициента пропускания позволяет судить о состоянии вещества и об изменениях в этом веществе, приводящим к изменению поглощающей или рассеивающей способности вещества. /См. Гершун Л.А. «Избранные труды по фотометрии светотехнике», М, 1958г/.
Любая волна несет с собой энергию. Поэтому при отражении или поглощении света освещаемый предмет испытывает световое давление. Хотя величина давления света мала, она может быть достаточно точно измерена; это же давление можно использовать и в сугубо практических целях (фотонная ракета, световые паруса).
Немонохроматический свет, как отмечено выше, есть совокупность волн различной длины. Разложить естественный свет на составляющие можно с помощью спектральных приборов/ приём, дифракционных решеток/. Энергия световой волны зависит от частоты света, поэтому различные составляющие светового потока оказывают и различные действия на светоприемники /цвет/.
Таким образом, специфические свойства отдельных участков спектра, что часто используется в практике, определяются двумя факторами: различной энергией лучей с разной длиной волны и различным взаимодействием с веществом.
Ультрафиолетовая часть спектра /малые длины волн/ характеризуется большой энергией и более сильным поглощением в веществе, чем видимые и инфракрасные части. Обычно под ультрафиолетовой частью спектра понимается область спектра от 10 до 400 нанометров. В качестве источников ультрафиолетового света можно использовать накалённые твердые тела, солнечное излучение, газы или пары металлов, возбужденные в электрическом разряде, оптические квантовые генераторы /лазеры/. Ультрафиолетовое излучение при поглощении его веществом способно сильно изменять его физические и химические свойства или же вызывать появление излучений из вещества /обесцвечивание, химические реакции, фотоэффект, инициирование люминесценции, ультрафиолетовые микроскопы/. Ультрафиолетовое излучение действует на живые организмы; последствия зависят как от дозы облучения, так и от спектрального состава. /См. сборник «Ультрафиолетовое излучение», М,1958г и книгу «Ультрафиолетовое излучение и гигиена»/.
Область от 740 нанометров до 106 нанометров относят к инфракрасной области спектра; ввиду большой ее величины, ее обычно подразделяют на близкую /740 - 2500 нм/, среднюю /2500-50000 нм/ и далекую /5.104 -100.104 нм/.
Близкая инфракрасная область - это область инфракрасной спектроскопии /см. Беллами Л. «Инфракрасные спектры молекул», 1957г/, являющейся одним из самых мощных методов изучения строения вещества. Средняя и далекая - это области, теплового излучения.
В качестве источников инфракрасного излучения обычно используют нагретые тела, солнечное излучение, лазеры: спектральный состав излучения очень сильно зависит от температуры тела. По своему характеру преемники инфракрасного излучения делятся на фотоэлектрические и тепловые - у первых под влиянием излучения меняются электрические свойства /фотоэлементы, фотосопротивления/, в фотоэлектрических приемниках выходной сигнал зависят от интенсивности и спектрального состава излучения; тепловые реагируют только на суммарную энергию излучения.
Для примера назовем некоторые области применения интересного излучения: инфракрасная фотография, приборы ночного видения, сушка различных материалов; более подробно см. Дерибере М. «Практическое применение инфракрасных лучей», М.-Л., 1959г., Лебедев П.Д. «Сушка инфракрасными лучами», 1955г.
Примеры A.с. 340782: Способ определения допустимых нагрузок с нагружением образца из прозрачных материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, через образец пропускают световой поток, и по изменению его интенсивности судят о состоянии образца.
Согласно а.с. № 172094 явление рассеяния света попользуется для измерения параметров капель жидкостей. Свет миниатюрной лампочки, пройдя через фотообъектив с диафрагмой, попадает на собирающую линзу, за которой стоит фотоумножитель.
Капля рассеивает часть светового потока пропорционально своему диаметру. С помощью реле времени можно подсчитать частоту падения капель, их плотность и даже концентрацию компонент в жидкости.
Патент США 3590932: B микровесах для уравновешивания небольших изменений массы или силы используется давление света на противовес. Микровесы содержат весовое и измерительное устройство. Исследуемый образец помещают на весовое устройство, а свет, который оказывает противодействующее давление, отражается от измерительного устройства на весовое. Предусмотрен детектор, который определяет, когда весовое устройство не уравновешено, и в соответствии с этим и меняет интенсивность света, чтобы скомпенсировать неуравновешенность. Во время этого процесса измерительное устройство определяет, какая величина светового давления потребовалась для уравновешивания изменения массы образца и восстановления равновесия системы.
А.с. 232591: Способ определения экспозиции засветки фоторезисторов на основе диасоединений и азинов в процессе фотолитографии, отличающийся тем, что, с целью улучшения воспроизводимости и увеличения выхода йодных приборов, полупроводниковый эпитаксиальный материал с нанесением на него фоторезистором облучают ультрафиолетовым или видимым светом, причём экспозицию определяют по времени исчезновения полосы поглощения пленки фоторезистора в области 2000-2500 см-1. (2000-2500 см-1 соответствует длинам волн от 5000 до 4000 нм, т.е.облучают ультрафиолетом, а изменение свойства регистрируют по поглощению в инфракрасной области).
А.с. 181372: Спосо: определения изопропилбензола в воздухе в присутствии толуола, бензола и гидроперекиси изопропилбензола, состоящий в просасывании исследуемого газа через поглотитель с крепкой нитросмесью и последующим калориметрированием полученного раствора, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса анализа, зону реакции облучают ультрафиолетовым излучением.
А.с. 282777: Способ измерения скорости газового потока при наличии собственных колебательно-возбужденных молекул газа путем создания метки пучком внешнего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, поток газа просвечивает двумя пучками ультрафиолетового излучениями, и по запаздыванию пульсаций интенсивности этих пучков определяют скорость потока.
А.с. 348498: Способ очистки инертного газа путем пропускания через нагретый металл, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки, газ перед очисткой облучают ультрафиолетовым светом.
А.с. 181824: Прибор для измерения линейных деформаций изделий или образцов при нагружении и нагреве, содержащий источник излучения, шторки, расположенные на пути луча и укрепленные на деформируемом объекте или образованные его краями, фокусирующее устройство, устройство для перемещения луча, приемник излучения, электрические преобразовательная, измерительное и записывающее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения предела температура нагрева объекта и снижения погрешностей, вследствие влияния фона свечения шторок при нагреве, в качестве источника излучения использовав источник ультрафиолетовых лучей, а в качестве фокусирующего и развертывающего устройства - вогнутое зеркало, качаемое или вращаемое относительно оси, перпендикулярной к его оптической оси.
А.с. 271550: Способ ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий на основе применения инфракрасного излучения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения ремонта дорожного покрытия в зимнее время, вначале создают тепловую защиту непосредственно в месте производства работ путем создания зон положительных температура посредством источников инфракрасного излучения, затем разогревают применяемые в качестве исходного материала асфальтобетонные брикеты одновременно с ремонтируемым участком дорожного покрытия до пластического состояния при помощи инфракрасных лучей.
А.с. 256335: Способ определения содержания воды в нефти с облучением исследуемого объекта инфракрасным излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности анализа , осуществляют регистрацию рассеянного ИК-излучения, лежащего в диапазона оптической прозрачности нефти /в области 1,3 - 2,2 мк/ и по интенсивности рассеянного излучения судят о количестве воды в нефти.
A.c. 269400: Способ противопожарного контроля волокнистого материала, например хлопка - сырца, подаваемого по трубопроводу к месту его хранения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности хранения, контроль осуществляют посредством расположенных по периметру трубопровода датчиков, реагирующих на инфракрасное излучение.
Патент США 3554628: Оптический прибор используется для визуального воспроизведения инфракрасного изображения участка местности. Прибор обеспечивает круговой обзор участка местности и плоскости изображения прибора.
Патент США 3558881: В процессе копирования кодировочная пластинка, находящаяся в теплопроводящем контакте с оригиналом, экспонируется инфракрасным излучением.
А.с. 257096: Способ обнаружения течи в высоковакуумных объектах, основанный на измерении парциального давления газа, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса обнаружения течи, в вакуумную камеру, соединенную с контролируемым объектом, помещают предварительно обезгаженный датчик парциального давления кислорода, выполненный в вида пластины монокристаллического кремния, регистрируют интенсивность теплового излучения, возникающего при окислении поверхности датчика, и по степени интенсивности теплового излучения судят о наличии течи.
А.с. 271532: Устройство для закрепления порошковых изображений на воспринимающей поверхности, например бумаге, состоящее из нагревателя и приспособления для подачи воздуха, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности труда и снижения себестоимости получаемых оттисков, нагреватель выполнен в виде инфракрасного излучателя, а приспособление для подачи воздуха представляет сбой полую металлическую куполообразную конструкцию, корпус которой имеет патрубок для засасывания воздуха внутрь и сопла для выбрасывания прогретого до температуры закрепления воздуха на поверхность закрепляемого порошкового изображения, а одна из внешних поверхностей корпуса является отражателем энергии излучателя.
А.с. 266560: Способ контроля процесса сушки пленок фоторезисторов, отличающийся тем, что, с целью получения стабильного качества и повышения процента выхода годных высушенных пленок фоторезисторов контроль ведут по содержанию паров испаряющегося растворителя в потоке газа-носителя путем измерения интенсивности поглощения упомянутыми парами электромагнитных воля в области инфракрасного спектра, соответствующей характеристической полосе поглощения паров данного растворителя.
А.с. 283327: Фотоэлектрический щуп с импульсной подсветкой экрана индикатора радиолокационной станции, содержащий источник питания, фотоприемник, сопротивление нагрузки, источник света, подсвечивающий фотоприёмник, отличающийся тем, что, с целью считывания сигналов по послесвечению люминофора экрана индикатора, параллельно источнику света, подсчитывающему фотоприемник, включен через ограничительный резистор и микровыключатель дополнительный импульсный источник подсветки с инфракрасным спектром, например светодиод из фосфида галлия.
VII-3. ГОЛОГРАФИЯ.
Собственно голография была открыта в 1848г. Д.Габором. Схема получения голографии была сильно усовершенствована в 1962г. - в основном, путем применения лазеров, высокая интенсивность излучения и большая длина когерентности которое позволили применить голографию к решению многочисленных задач. В 1962г. Ю.Денисюк открыл и осуществил схему голографии в стоячих волнах, объединив идею Габора в цветную фотографию /открытие № 88/. Формулировка открытия: «Установлено ранее неизвестное явление возникновения пространственного цветного изображения объекта при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распределению интенсивности поля стоячих волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения.
Суть обычной голографии состоит в следующем. Освещают объект когерентным светом. Фотографируют дифракционную картину, даваемую объектом, вместе с когерентным фоном. Получается фотография волнового поля - голограмма. Конечно, эта фотография - не фото объекта, голограмма не похожа на объект, однако она несет в себе значительную информацию об объекте, т.к. на ней /голограмма/ зафиксировано распределение амплитуд и фаз волнового поля /результата наложения опорной когерентной волны и волн, получающихся в результате дифракции/; что вполне достаточно, чтобы восстановить изображение объекта. Для этого освещают голограмму монохроматическим /лазеры!/ параллельным пучком света. Фотоэмульсия в голограмме неоднородна - и свет дифрагирует на этих неоднородностях. Именно вследствие этой дифракции на голограмме образуется изображения объекта. Эти изображения могут перекрываться; используя периферическую часть голограммы, можно получить изображения, которые при наблюдении не перекрываются. Если довести угол между опорным и предметным пучком до 180°С; то получается только одно изображение, создающее полную иллюзию реальности наблюдаемого предмета - сохраняется цвет, объемность и даже возможность рассматривать предмет под различным ракурсом.
С помощью голографии возможно получать интерференционные картины от объектов, диффузно рассеивающих свет. Совмещая голографическое изображение с самим объектом и изучая интерференционную картину, можно зафиксировать самые незначительные деформации объекта.
Если процессы регистрация и восстановления голограммы проводить при разных длинах волн, то изображение объекта увеличивается во столько раз, во сколько длина волны восстановления больше длины волны регистрации /голографический микроскоп/.
С помощью голографии успешно решается проблема распознавания образцов /можно научить машину читать рукописный текст/.
Существенно, что голографические изображения можно получать не только с помощью электромагнитных, но и акустических волн. Когерентные ультразвуковые волны создают возможность освещать большие объекты; кроме того, они могут проникать в оптически непрозрачные объекты. Следовательно, можно получить трехмерное изображение внутренних частей объекта, например, человеческого тела, недр Земли /геология, археология/, толщи океанской воды.
Возможности оптической и акустической голографии поняты сейчас еще не полностью: голографические методы проникают во все новые области науки и техники, позволяя изящно и надежно решать ранее неразрешимые задачи.
Литература:
Денисюк Ю.Н. «Образы внешнего мира», природа, 1971г, № 2
Сороко Л.М. «От линзы к запрограммированному оптическому рельефу», Природа, 1971, № 5
Островский Ю.И. «Голография», 1970г.
Кок У. Лазеры и голография, 1971г.
Сороко Л.М. «Основы голографии и когерентной оптики», 1971г.
Александров Е.Б., Бонч-Бруевич A.M. Исследование поверхностных деформаций тел с помощью голографической техники, Журн.Техн.Физ. 1967, 37, стр.360.
Зайдель А. и др. Голографическая диагностика плазмы, ЖТФ,1968, 338, стр.1405
Франсон М., Голография, Мир, Москва, 1972 г.
Пример А.с. 250465: Способ определения чистоты обработки поверхности изделия, заключающийся в том, что освещают поверхность контролируемого изделия, сравнивают интенсивность излучений, отраженных от поверхности изделия зеркально и диффузно, и по соотношению этих интенсивностей определяют чистоту обработки поверхности изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и универсальности способа, сначала получают голограмму контролируемого изделия, производят освещение поверхности изделия, накладывая на поверхность изделия восстановленное с голограммой его действительное изображение, и регистрируют при этом интенсивность зеркально и диффузно отраженного от поверхности изделия излучения, затем изменяют взаимное расположение изделия и его действительного изображения на величину, большую, чем средняя высота микронеровностей поверхности, регистрируют интенсивность зеркально отраженного от поверхности изделия и по соотношению этих интенсивностей определяют чистоту обработки поверхностей.
VII-4. Оптико-акустический эффект.
При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, модулированным потоком инфракрасной радиации в газе возникают пульсации давления. (Белл, 1880г., Вейнгеров М.Л., 1938г.)
Механизм явления довольно прост: поглощение инфракрасного излучения происходит с возбуждением молекул газа; обратный переход происходит безизлучательнным процессом, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что и обуславливает изменение давления.
Количественные характеристики эффекта весьма чувствительны к составу газовой смеси; применение оптико-акустического эффекта для анализа смесей характеризуется простотой и надежностью, высокой селективной способностью по отношению к определяемым компонентам, высокой скоростью и непрерывностью контроля л широким диапазоном.
Оптико-акустический эффект используется при измерении времени жизни возбужденных молекул и в ряде других работ по определению влажности и потоков радиации.
Подробнее об ОАЭ см. Горелик Л.О., Сахаров Б.Б «Оптико-акустический эффект в физико-химических измерениях», Москва, Изд. комитета стандартов, 1969г.
См. а.с. № 208329, 208328, 109939,167072, а также Степанов Б.И «Основы спектроскопии отрицательных световых потоков»., БГУ, 1961г. B заключение отметим, что существование оптико-акустического эффекта возможно в жидкостях и твердых телах.
VII-5. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Из геометрической оптики известно, что при переходе из одной среды в другую луч падающий, луч отраженный, луч преломленный и перпендикуляр к поверхности, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; при этом угол падения равен углу отражения, а углы падения и преломления связаны законом Снеллиуса:
h1*sin j=h2*sin y
где h1 и h2-показатели преломления сред, j и y – углы падения и преломления. Закон отражения и преломления света - основа расчета оптических систем /отражение - зеркальные поверхности, преломление - линзы/. Кроме зеркального отражения, в физике рассматривается диффузное отражение света - от шероховатых /матовых/ поверхностей излучение углового распределения диффузно отраженного света может дать значительную информацию о структуре отражающей поверхности.
Отметим некоторые особенности. Детали процессов отражения и преломления света определяются молекулярным строением вещества; измерения показателя преломления - один из важнейших методов изучения структуры вещества; в частности эти измерения лежат в основе работы рефракционных приборов /см. Бацанов С.С. «Структурная рефрактометрия», М, 1959г/.
Вообще говоря, лучи отраженный и преломленный - это лучи поляризованного света /см. Поляризация света/, степень поляризации зависит от величины угла падения.
При определенных условиях может наблюдаться полное внутренние отражение света, при котором вся энергия волны, падающей на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления /из оптически более плотной среды/, полностью отражается обратно в эту среду. На основе этого явление устроены световоды, обладающие значительными преимуществами перед обычными линзовыми системами. Широкие светопровода передают излучение, но не изображение; применение волоконной оптики - пучков очень тонких светопроводов - позволяет передавать и изображение, в том числе и по непрямым путям, поскольку пучок стеклянных волокон может быть сильно изогнут.
Примеры Патент США 3588258: Прибор предназначен для обнаружения трещин в объектах, изготовленных из прозрачного материала, в частности для проверки стеклянных контейнеров на отсутствие доводочных трещин. Прибор снабжен светильным устройством, содержащим несколько пучков оптических волокон, которые позволяют освещать проверяемую часть изделия с разных направлений при одновременном вращении изделия вокруг его центральной оси. При наличии трещины в приемник, расположенный по другую сторону от стенки контейнера, попадает отраженный свет. Приемник можно соединить с выталкивателем, который будет выбрасывать дефектный стеклянный контейнер, завершив тем самым полную автоматизацию проверки стеклянных контейнеров на отсутствие трещин.
Патент США 3586864: Световой луч последовательно обегает каждый участок поверхности тела, отражающего свет. Отраженный световой луч преобразуется в электрический сигнал, соответствующий по величине интенсивности отраженного светового луча. Электрический сигнал запоминается, а затем производится сравнение по величине электрического сигнала и запомненного сигнала. Разность величия этих сигналов характеризует неоднородность поверхности тела.
Патент США 3579775: Оптико-электронная аппаратура предназначается для измерения сильно нагретого участка посредством косвенного наблюдения за нагретой поверхностью режущего инструмента через отверстие небольшого диаметра, сделанное в этом инструменте и оканчивающееся вблизи сильно нагретого участка поверхности. Первый конец световода внутри отверстия воспринимает лучистую энергию, испускаемую нагретой торцевой поверхностью отверстия во время операции резания, а второй удаленный конец световода направляет энергии излучения на логометрический пирометр, состоящий из вращающегося диска, двух инфракрасных фильтров и первого фотоэлемента. С выхода фотоэлемента снимается последовательность электрических импульсов первой и второй амплитуды, характеризующих интенсивность энергии излучения в двух полосах спектра, определяемых фильтрами. Оптико-электронная схема разделяет импульсы на две отдельные последовательности импульсов с соответствующими амплитудами, детектирует и сравнивает пиковую амплитуду, импульсов для того, чтобы получить соотношение импульсных амплитуд. Температура нагретого участка определяется из известного корреляционного соотношения температуры и амплитуд импульсов.
Патент ФРГ 1249539: Устройство предназначено для измерения поверхности плоских предметов неправильной формы посредством световых сигналов растра. Устройство имеет транспортер для подачи измеряемых предметов, линейный источник света, расположенный под транспортером, фотоэлемент, установленный над транспортером, диафрагму в форме цилиндра с отверстиями, которая находится на пути световых лучей, охватывает фотоэлемент и вращается с постоянным числом оборотов, соответствующим скорости подачи предметов, а также прибор для счета импульсов выдаваемых фотоэлементом.
Устройство отличается тем, что выше транспортера /2/ на одинаковых расстояниях один от другого расположены световоды /5/. Один конец световода находится против источника света /4/, а другой конец цилиндрической формы охватывает вращающуюся диафрагму /6/ барабанного типа.
Авторское свидетельство 288464: Устройство для контроля распыления редкости, выполненное из источника света, воздействующего через собирательную линзу на фоторезистор, к которому подключен усилитель, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности контроля, на пути света за линзой последовательно установлены оптический многогранник полного внутреннего отражения и обхватывающая его изогнутая шторка, образующая с одной из граней клинообразное входное пространство.
А.с. 287363: Устройство для измерения температуры, содержащее измерительный элемент, установленный в контролируемой среде, и источник белого света с диафрагмой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и увеличения светосилы устройства, измерительный элемент выполнен в виде двух прозрачных прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями, между которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем преломления, зависящим от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось светового потока наклонена к плоскости входной грани призмы под предельным углом полного внутреннего отражения.
VII-6. МУАРОВЫЙ ЭФФЕКТ
Муаровый узор возникает при пересечении под небольшим углом двух систем равноудаленных параллельных линий. Небольшое изменение угла поворота ведет к значительным изменениям расстояния между элементами муарового узора. Муаровый узор, состоящий из сгущений, образуется также при наложении двух непересекающихся рядов эквидистантных параллельных линий, когда величина промежутков между линиями в одном и в другом рядах слегка отличается. Там, где линии одной серии попадают между линиями другой, образуется сгущение. Очевидно, что чем меньше разница в расстояниях между смежными линиями в той и в другой серии, тем больше промежуток между сгущениями. Так, например, если в одной серии прямых расстояние между линиями равно одному миллиметру, а в другой - на микрон меньше, т., наложив одну серию на другу можно увидеть, что расстояние между сгущениями равно одному метру. Следовательно, муаровый узор позволяет получить колоссальное увеличение разницы в ширине промежутков между линиями. Иначе говоря, муаровый эффект чрезвычайно чувствительный инструмент для визуального обнаружения ничтожных отклонений в почти одинаковых периодических структурах.
Лорд Рэлей предложив использовать муаровый эффект для проверки качества линейчатых дифракционных решеток. В последние годы эта католика широко применяется для проверки точности делительных устройств, с помощью которых изготавливаются дифракционные решетки. Совмещая пластмассовую копию с эталонной решеткой, можно сразу увидеть любую периодическую повторяющуюся погрешность делительного устройства или любой искажение, получившееся при изготовлении копии. Интересный эффект можно получить, экспериментируя с двумя семействами прямых, которые незначительно отличаются величиной промежутков между линиями. Двигая один ряд линий вдоль другого, можно заметить, что муаровое сгущение движется гораздо быстрее, чем сами линии. Муаровые узоры были замечены на снимках кристаллов, сделанных с помощью электронного микроскопа. Муаровый узор возникает только в том случае, если атомные решетки обоих кристаллов наложены почти точно друг на друга. Такие узоры позволяют наблюдать гораздо больше деталей, чем можно различить на обычной электронной микрофотографии любой дефект, нарушающий регулярность структуры кристалла, немедленно проявляется на муаровом узоре /например, дислокации/, колоссальное увеличение, которое дает этот узор, позволяет видеть такие смещения атомов, размер которых меньше диаметра самого атома. Это значит, что использование муарового эффекта позволяет увеличить разрешающую способность электронного микроскопа.
Для наглядной демонстрации изменений характеристик жидкой среды используют сложные оптические системы. Использование муарового эффекта намного упрощает задачу.
Муаровые узоры могут представать графическое решения исключительно сложных задач. И именно потому, что муаровые узоры - это простые аналогии сложных явлений, они найдут самое широкое применение в различных областях науки.
См. «Наука и жизнь», 1963г., №10, а также 1971г., №3 Многочисленные применения муарового эффекта описаны в книге Шнейдеровича Р.М. и Левина O.A. «Измерение полей пластических деформаций методом муара», вышедшей в издательстве «Машиностроение» в 1972г.
Муаровый эффект возможно использовать для составления топографических карт предметов. Объект помещают позади решетки из тонких нитей. Решетка ярко освещена и отбрасывает тонкую тень на объект. Тень деформируется в соответствии с рельефом объекта. Наблюдатель же видит объект сквозь две решетки: одну реальную, а вторую созданную ее тенью. Их взаимодействие создает необходимые условия для появления муаров. Остается лишь их сфотографировать. На фотографии расстояние между линиями соответствует глубине рельефа. Такой метод позволит по топографическим картам тела определять различные виды скилиозов, а в технике изучать деформации шины автомобильного колеса при его вращении с очень большой скоростью, анализировать волны, созданные корпусом судна.
Примеры А.с. 241021: Устройство для измерения прогибов плоских конструкций на основе регистрации мауровых полос, содержащее контрольную решетку в решетку из черно-белых полос, устанавливаемую на испытуемую конструкцию, и оптическую систему возводящую получать муаровые полосы, отличающееся тем, что, с целью измерений прогибов конструкций больших размеров, оно снабжено служащим для измерения шага муаровых полос с последующей регистрацией результатов измерения в цифровом виде телевизионным датчиком, на экран приемной трубки которого одновременно проектируются с помощью оптической системы изображения обеих решеток.
А.с. 187081: Способ преобразования телевизионных стандартов путем проекций изображения в экрана кинескопа на фотокатод передающей трубки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения «муар - эффекта» и повышения четкости телевизионного изображения, в кинескопе скорость движения луча по вертикали снижают в два раза, а полученные на экране кинескопа два изображения, соответствующие четному и нечетному полукадрам строчной развертки, проектируют на фотокатод передающей трубки, в которой частота кадров замедлена в два раза.
Патент США 3572942: Прибор позволяет отдаленному наблюдателю устанавливать точку в эталонной плоскости, определяемой этим прибором. Прибор содержит две линейные сетчатые структуры, сдвинутые друг относительно друга в плоскостях, перпендикулярных эталонной плоскости, и создающих фантомную, или муаровую картину для наблюдателя, который находится на далеком расстоянии в эталонной плоскости. Половины сетки одного экрана по обе стороны эталонной плоскости образуют небольшой угол с соответствующими половинами другого экрана. Это приводит к образованию муаровых полос, которые совпадают на центральной линии, что соответствует условию симметрии.
Патент США 3552856: Прибор предназначен для исследования деформаций в испытываемом образце. В этом приборе изображение эталонной решетки накладывают на совпадающую с ним рабочую решетку испытываемого образца или, наоборот, рабочую решетку накладывают на эталонную решетку, образец подвергают деформации. При этом возникают последовательные полосы, строго параллельные линиям решетки. Между эталонной решеткой и образцом располагают экран, затемняющий часть изображения. В одном положении экрана возникают одна результирующая система цветных полос и другая система черно-белых полос. В другом положении непрозрачного экрана возникает только одна система черно-белых полос»
VII-7. СВЕТ И ЦВЕТ
Восприятие цвета - явление сугубо субъективное, хотя в цветных ощущениях существует и объективные явления. С точки зрения физики - цвет есть характеристика спектрального состава излучения с учетом интенсивности. В обычной жизни под цветом предметов подразумеваются некоторые объективные свойства предметов, существенные для их узнавания; при этом цветовая гамма предмета может определяться как ею собственным свечением, так и отражающими свойствами.
Основными качествами цвета являются цветовой фон, насыщенность и светлота. Для уточнения в определение цвета часто прибегают к сравнениям, хотя иногда это лишь усугубляет неопределенность /напр. сиреневый цвет - но ведь сирень бывает и белой/.
Особняком в гамме цветов стоит белый цвет - все хорошо узнают его, но вряд ли кто осмелится дать ему точное определение; все остальные цвета узнаются, в той или иной степени, в сравнении с белым светом. Во всяком случае, наглядное представление о цвете определяется суммой излучений, действующих на сетчатку глаза. Отметим, что цветовым зрением обладает большинство позвоночных, начиная с рыб.
Очень интересные эффекты возникают при смешении цветов. При аддитивном смешении цветов /цветовые измерения, цветное телевидение/ на определенный участок направляются излучения различного цвета. Результирующий цвет зависит от соотношения интенсивностей составляющих /законы Грассмана/.
Субтрактивное смешение цветов получается при последовательном прохождении излучения через цветные фильтры /цветное кино, цветное фото/ цветная печать/.
В полиграфии, в живописи результирующий цвет определяется не только смешением цветов - существенную рожь играет рассеяние света в слоях краски.
Цвет минералов определяется различными причинами. Идиохроматические окраски обусловлены свойствами самих минералов, в основном, содержанием ионов титана (синяя и оранжево-желтая окраска), ванадия, хрома (красная, зеленая), марганца (розовая, черная), кобальта, никеля, железа. Цвет минерала может определяться рассеянными в минерале примесями /аллохроматическая окраска/ или же интерференционными явлениями в тонких слоях минерала /псевдохроматическая окраска/.
Цвета тел при нагревании определяются спектральным составом излучения этих тел, который зависит от температуры /цвет и температура, определение степени нагрева по цвету, создание цветового фона изменением температуры/.
Воспринимаемая человеком яркость окраски зависит от освещенности. При изменении освещенности имеет место кажущееся изменение яркости окраски различных цветов; это явление известно как явление Пуркине (в темноте все кошки серы). Оно обусловлено различием спектральных максимумов чувствительности рецепторов дневного и ночного зрения(максимум чувствительности колбочек - 560 нм, палочек – 510 нм).