Осветительные системы служат для освещения предмета, рассматриваемого или проектируемого с помощью оптического прибора. Они должны позволить наилучшим образом использовать световой поток, даваемый источником света, для достижения наибольшей освещенности и получить равномерную освещенность изображения. Осветительные системы по их конструкции делят на три типа: зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые.
Оптическими характеристиками осветительной системы являются фокусное расстояние f', линейное увеличение β, угол охвата 2uохв – ему соответствует двойной апертурный угол в пространстве предметов. Чем больше угол охвата, тем большая часть светового потока от источника света используется осветительной системой. Даже при большом угле охвата осветительной системы используется только небольшая часть всего потока, распространяющегося от источника света в телесном угле 4Π ср. Так, например, угол охвата сложных осветительных систем равен 90°, но это составляет всего лишь 15% полного телесного угла 4Π ср, в вершине которого расположен источник света. При угле охвата 50° осветительная система захватывает световой поток, составляющий лишь 5% всего потока от источника света.
Основными отличительными особенностями зеркальных систем являются: отсутствие хроматических аберраций, большой угол охвата (до 140°) и большой коэффициент пропускания. Простейшей зеркальной осветительной системой является вогнутое сферическое зеркало, имеющее угол охвата около 110° и линейное увеличение порядка 5х. Однако вследствие большой сферической аберрации эта система имеет ограниченное применение. Чаще используется эллипсоидное зеркало (рис.1.1). Оптическое действие эллипсоидного отражателя состоит в том, что лучи, исходящие из первого фокуса отражателя 1, собираются в его втором фокусе. В первом фокусе располагается источник света 2, следовательно, его изображение получается во втором фокусе, который совмещается с центром Р входного зрачка 4 объектива или кадрового окна 3. На рис.1.1 источник света проецируется в плоскость кадрового окна. У эллипсоидных отражателей наиболее полно используется световой поток, так как угол охвата достигает 140°.
 |
 |
| Рис. 1.1 Осветительная система с эллипсоидным зеркалом |
Рис. 1.2 Зеркальная осветительная система в эпипроекционной установке |
Зеркальные осветительные системы применяются и в эпископических установках. В качестве примера приведена схема, в которой в фокусе параболоидного зеркала 1 расположен источник 2, например кратер дуговой лампы (рис. 1.2). После параболоидного зеркала лучи выходят параллельным пучком и, отражаясь от наклонного зеркала 3, достаточно равномерно освещают непрозрачный предмет 4.
Наиболее совершенными являются стеклянные отражатели с интерференционными покрытиями, обеспечивающими высокий коэффициент отражения в видимой области спектра и максимальное пропускание тепловых лучей за отражатель.
Для уменьшения аберраций, в частности для сохранения требуемого увеличения всеми зонами отражателя, могут применяться зеркала сложного профиля. Ступенчатое сферическое зеркало (рис.1.3) может обеспечить хорошее исправление сферической аберрации и сохранить требуемое увеличение изображения источника всеми зонами зеркала. Система имеет недостатки: сложность профиля, что вызывает некоторые трудности при ее изготовлении; неравномерность нагрева ее элементов вследствие разности толщин стекла на различных зонах зеркала.
 |
 |
| Рис. 1.3. Схема ступенчатого сферического зеркала | Рис. 1.4. Комбинированная схема из двух концентрических зеркальных отражателей |
Предпочтительнее схема комбинированного стеклянного отражателя (рис.1.7), состоящего из двух кольцевых концентрических зеркал, из которых внешнее кольцевое зеркало эллиптическое, а внутреннее – сферическое, напоминающее отражатель Манжена, но специально корригированный для работы с конечного расстояния. Независимая фокусировка зеркал позволяет достигнуть более равномерного распределения освещенности на экране.
Этот тип осветительных систем часто называют конденсорами. Однако применительно к конкретным применениям, например, в микроскопии, такие системы называются коллекторами. Конструкция коллектора (число и форма линз) определяется его углом охвата: чем он больше, тем сложнее конструкция коллектора. Угол охвата и линейное увеличение для каждого вида коллектора имеют свои предельные значения. Часто, коллекторы содержат только положительные линзы, поэтому не исправленными в них остаются хроматические аберрации (положения, увеличения, вторичный спектр). Однако в последнее время в прецизионных системах применяются ахроматические коллекторные системы. В любом случае, т.к. коллектор должен проецировать источник света, обычно расположенный вблизи оптической оси, то, прежде всего в коллекторе исправляют сферическую аберрацию и неизопланатизм.
Одиночная линза часто применяется в качестве простейшего коллектора. Угол охвата тем больший, чем больше допустимый диаметр кружка z' рассеяния лучей; размеры последнего устанавливаются конкретными условиями применения коллектора. В общем случае минимальная сферическая аберрация в плоскости Гаусса определится выражением:
Этой поперечной аберрации будет соответствовать продольная аберрация:
В плоскости наименьшего кружка рассеяния, смещенной относительно гауссовой плоскости на величину 
, диаметр кружка рассеяния 
будет в 4 раза меньшим, чем в плоскости Гаусса; получим
Весьма существенным также является правильный выбор параксиального увеличения коллектора; для этого нужно знать характер изменения величины 
для разных лучей широкого осевого пучка.
Поперечное увеличение для тонкого осевого пучка вблизи луча, направленного под углом u к оптической оси, равно:
Таким образом, изменение величины βu характеризует изменение поперечных увеличений для разных лучей широкого осевого пучка.
Игнорируя аберрации высших порядков, воспользуемся выражением
Находим 
Индексы min означают, что коэффициенты аберраций написаны для случая минимальной сферической аберрации.
У такой линзы при х=0 имеем 
и 
(так как 
,
); отсюда 
Примером простейшего сферического коллектора является двояковыпуклая линза (рис.1.3); угол охвата 15–20°. Форма однолинзового коллектора (сочетание радиусов) определяется из условия получения минимальной сферической аберрации при заданном увеличении. Наиболее рациональным увеличением считается увеличение, равное минус единице (–1х); при таком увеличении радиусы кривизны линзы по абсолютной величине одинаковы.
2005 - 2023. Все права защищены. При копировании материалов активная ссылка на сайт обязательна!
