Напомню, что объектив есть фактически набор линз, которые имеют свойство изменять ход лучей в результате чего в фокальной плоскости объектива (на пленке или матрице) формируется изображение, которое мы и хотим запечатлеть. Помимо основных характеристик есть еще и всякий «геморрой» с которым более или менее пытаются бороться. Например, хроматические (т.е. зависящие от длины волны света) аберрации (аберрация есть искажения). Сие явление проявляется в виде цветных полос, как правило хорошо заметные, на границе черного/белого. Почему же свет преломляется и возникают всякие хроматические аберрации?
В данном случае нас интересует волновая составляющая природы света. Короче, свет – есть электромагнитная волна и, как у каждой волны, у световой есть ее длина (период). Свет с разной длиной волны мы видим как свет разного цвета. Видимый диапазон - примерно 0.4 – 0.8 мкм (микрон или микрометров т.е. одна миллионная метра). Это все была прелюдия. Теперь главное:
Скорость света в вакууме есть величина постоянная и, по Эйнштейну, не зависящая ни от чего и в любой системе отчета. Эта величина «с» примерно равна 300 тысяч км в секунду и быстрее этой скорости, по современной теории, ничего материального двигаться не может. Но это тоже отдельная тема, которую можно будет обсудить при желании. Однако в среде (начиная от газа и заканчивая твердыми веществами) скорость света меньше. Как же так? Если по простому, то этот эффект имеет место быть за счет переизлучений. Т.е. свет взаимодействует с материалом. На пальцах это явление, наверное, трудно будет представить, но, если очень примитивно, то свет на мгновение поглощается и сразу переизлучается. И вот скорость этого процесса зависит от длины волны. Кстати, именно в среде может наблюдаться упомянутое в соседней ветке Черенковское излучение, когда частица, двигающаяся почти со световой скоростью влетает в среду где, естественно, не сразу тормозится (в отличие от света) и на мгновение превосходит скорость света В ЭТОЙ СРЕДЕ (но никоим образом не константу «с»).
Чем мы можем характеризовать замедление скорости света в среде? Величиной «n» или показателем преломления (иногда называют его коэффициентом или индексом преломления (от англ. «refractive index»)). Вот это и есть самая интересная, для нас, величина. Забегая вперед, подчеркну, что этот показатель преломления характеризует ФАЗОВУЮ скорость света. И именно она нам наиболее интересна, ниже объясню – почему…
Почему показатель ПРЕЛОМЛЕНИЯ, а, например, не СКОРОСТИ. Тоже элементарно. Если мы направим луч света извне под углом к поверхности материала (например, стекла), точнее, под углом к нормали к этой поверхности (нормаль –перпендикулярная линия), то луч преломится и будет распространяться в среде уже под мЕньшим углом. Так вот, отношение синусов входящего (из вакуума) и преломившегося углов равно абсолютному показателю преломления среды.
Как же разность скоростей света влияет на ход луча? В простейшем случае плоскую световую волну можно представить в виде фронта с сохранением фазы распространения. Это как гребень морской волны, идущей к берегу. Вот этот гребень и есть одна фаза. Есть так называемый принцип Гюйгенса-Френеля, согласно которому каждая точка пространства, в котором распространяется свет, является как бы самостоятельной точкой (пере)излучения. В однородном пространстве суперпозиция всех волн такова, что направление фронта и его фаза сохраняются и свет распространяется без искажений и преломлений. Границу раздела среды тоже можно представить как множество таких источников. Представим вид сбоку. К сожалению, нарисовать не смогу, но попробую кратко, на словах. Итак, вид сбоку. Широкий волновой фронт падает на горизонтальную поверхность от источника слева-вверху. Левая его (фронта) часть первая достигает границы раздела и начинает распространяться в среде с меньшей скоростью. В это время правая часть волны тоже достигает границы раздела. Левая уже сколько-то прошла. Если мы соединим эти две точки линией – это будет новый фронт волны. И будет видно, что он изменил угол распространения. Думаю, с нуля это не очень понятно, но, если возникнут вопросы, попробую поподробнее рассказать или найти подходящую ссылку с рисунком. Кстати, именно поэтому скорость называется фазовой, т.е. скорость, с которой распространяется фаза света.
На этом и именно на этом основано действие линз. И именно поэтому нам, напомню, интересна именно фазовая скорость (см.ниже).
Однако, как упоминалось выше, скорость света в среде для разных длин волн разная. Тут уже более сложная теория, не знаю, стоит ли в нее углубляться. Постараюсь очень поверхностно. Любой диэлектрик, в частности, стекло, имеет, так называемые, окна прозрачности. В частном случае, для кварцевого стекла эта область от границы вакуумного ультрафиолета (граница где-то 0.1-0.12 мкм) до, среднего ИК-диапазона – где-то до 10мкм. Кстати, часто упоминаемая ИК съемка на матрицу лежит в районе 1 мкм. Кремний который находится в основе матриц, становится прозрачным уже после 1.3 мкм. Как стекло… Но это так, к слову... В общем, эта область прозрачности лежит между двумя фундаментальными зонами поглощения стекла – областью электронных переходов, где свет просто-таки мгновенно поглощается, возбуждая электроны в атомах (вакуумный УФ-диапазон), и областью колзабавний молекулярной сетки стекла (ИК-диапазон). Именно эти полосы в первую очередь определяют поведение т.н. дисперсионной кривой, т.е кривой, демонстрирующей зависимость показателя преломления от длины волны. С длиной волны показатель преломления падает, причем круче всего он падает в УФ диапазоне, медленнее всего – для кварцевого стекла в районе 1.3 мкм. Там наблюдается опять изменение поведение дисперсии и она вновь начинает увеличивать свою крутизну с ростом длины волны. Итак, теперь мы знаем, что синий свет преломляется круче и обычной линзой фокусируется БЛИЖЕ, чем красный. Отсюда и возникают хроматические аберрации в объективах, всякие синие ободки и прочая дрянь. Существуют, конечно, и методы борьбы. Создаются хитрые оптические схемы, применяются т.н. стекла с пониженной дисперсией (ED – Extra low Dispersion). У них тоже есть дисперсия, но подбор материала таков, что эта дисперсионная зависимость значительно меньше, чем у обычного стекла. В некотором роде, обычное стекло тоже ED, но только в ближнем ИК диапазоне.
Очень коротко скажу о понятии «Аномальная дисперсия». Его часто упоминают, но также часто и неправильно трактуют. Это область дисперсии, где с ростом длины волны наблюдается не падение, а рост показателя преломления. НО! Эта область по определению не может существовать в области высокой прозрачности материала и находится, фактически, в зоне максимального поглощения. Собственно, как и показатель преломления меньше единицы. Он тоже нам не интересен и находится вплотную к зоне поглощения. Так что весь бред про аномальность дисперсии ED стекол отметайте сразу. Иногда, правда, термин применяют ко всяким групповым скоростям и т.п. Мы сейчас говорим о показателе преломления как таковом.
Уф. Может быть, что-то забыл упомянуть. Даже нет сил этот бред перечитывать, так что если кто грубые ошибки заметит – буду счастлив поправить.
Под конец чуть-чуть о фазовой и групповой скоростях. В соседней ветке упоминались эти понятия и даже было дано им что-то наподобие определения. Кратко напомню, что фазовая скорость света – это движение фазы идеальной гармоничной волны, то, что мы рассматривали выше, а групповая скорость – это движение огибающей реального сигнала, движение группы, характеризует перенос энергии. Блин! Я не знаю, как по-простому это написать! В общем, эта скорость в реальном материале ниже фазовой и зависит от наклона дисперсионной кривой в данном диапазоне длин волн. Т.е берется производная n по длине волны и эта составляющая и определяет насколько отличается фазовая и групповая скорость. Если дисперсии нет (что в реальных материалах не наблюдается), то фазовая и групповая скорость совпадают (например, в вакууме).
Так почему нам интересна не групповая, а именно фазовая скорость? Если бы мы рассматривали передачу информации, например, в телекоммуникационных (оптоволоконных) линиях связи, то нам, безусловно, нужна была бы групповая, поскольку мы бы следили за распространением импульса. Дисперсия группового показателя преломления определяла бы динамику его «расплывания» и, как следствие, максимальную «скорострельность» этой линии связи. Там нам была бы интересна вторая производная от «n», так называемый, ноль дисперсии и т.п… Но мы не рассматриваем импульсы, поглощения в стеклах, у нас нет реальных эффектов на объективах, где можно было бы задействовать понятие группового показателя преломления (мне так кажется, пусть меня поправят, если я не прав). Мы рассматриваем углы преломления в линзах объектива, пусть для сложной волны, но это, все равно, «фазовый» показатель преломления.
Таким образом, отвечая на "странный вопрос" в соседней ветке отмечу, что величина диафрагменного числа и всякие скорости света действительно никак не связаны. Единственный "тонкий" эффект, который может себя также "тонко и незначительно" проявлять - это дифракция на отверстии, что может приводить к падению разрешения объектива на сильно закрытых диафрагмах.
Все. На сегодня выдохся. Может еще на днях чего умного напишу. Жду ваших комментариев и вопросов.
На этой неделе мне предстоит еще куча писанины, нужно послать две статьи на конференцию аж до 5-го мая, , а я еще толком и не начинал
. Поэтому не уверен, что смогу быстро и, тем более, много отвечать. Но по мере возможности постараюсь…PS Кого не пугает чуть-чуть математики, можно посмотреть, например, вот эту ссылку:
http://www.ssga.ru/AllMetodMaterial/metod_...SHEV2/21-1.html
Успехов!
Олег.
