Файл: оптика.doc

Дифракционный предел накладывает ограничения на характеристики оптических приборов:

• Оптический микроскопне способен различать объекты, размер которых меньше значения λ/(2·n·sinθ), где θ - так называемый апертурный угол (у хороших микроскопов θ близок к 90°, и следовательно, предельное разрешение близко к дифракционному пределу λ/2n).

• При изготовлении микросхемметодомфотолитографииминимальный размер каждого элемента микросхемы не может быть меньше дифракционного предела, что ограничивает совершенствованиетехпроцесса.

• Принцип действия оптического дисказаключается в считывании информации сфокусированным лучомлазера, поэтому дифракционный предел накладывает ограничение на максимальную плотность информации.

• Разрешающая способность телескопане может быть больше ψ_min(т.е. два точечных источника света, расположенные на угловом расстоянии меньше ψ_min, будут наблюдаться как один источник). Однако, разрешение земных оптических телескопов ограничивает не дифракционный предел, а атмосферные искажения (дифракционный предел самых больших телескопов составляет порядка 0.01 угловой секунды, но из-за атмосферных искажений реальное разрешение обычно не превышает 1 секунду). В то же время, разрешениерадиотелескоповирадиоинтерферометров, а также космических телескопов, ограничивается именно дифракционным пределом.

Методы уменьшения дифракционного предела

• Дифракционный предел d_minпропорционален длине волны, следовательно, уменьшить его можно, используя более коротковолновое излучение. Например, использование фиолетового лазера (λ=406 нм) вместо красного (λ=650 нм) позволило увеличить емкость оптических дисков с 4,7 Гб (DVD) до 25 Гб (Blue Ray), переход на коротковолновые (ультрафиолетовые) лазеры позволяет постоянно совершенствовать технологические нормы производства микросхем, использование рентгеновского диапазона позволяет на порядки повысить разрешающую способность микроскопов (см.Рентгеновский микроскоп).

• Дифракционный предел обратно пропорционален показателю преломления среды. Поэтому, его можно значительно уменьшить, помещая объект в прозрачную среду с большим коэффициентом преломления. Это используется в оптической микроскопии (см. Иммерсия) и в фотолитографии (см.Иммерсионная литография).

• Угловой дифракционный предел ψ_minобратно пропорционален диаметру апертуры, поэтому повысить разрешение можно, увеличивая апертуру телескопа. Однако, на практике, разрешение больших телескопов лимитируется не дифракционным пределом, а атмосферными искажениями, а также дефектами геометрии зеркала (либо неравномерностью состава линзы длярефракторов) поэтому дифракционный предел имеет значения только для радиотелескопов и для космических оптических телескопов. В радиоастрономии повысить разрешение можно, применяярадиоинтерферометрию со сверхдлинными базами. Если два радиотелескопа работают в режимерадиоинтерферометра, то дифракционный предел будет определяться формулой ψ_min=λ/L, где L - расстояние между радиотелескопами (так называемаябаза радиоинтерферометра). Например, космический радиотелескопРадиоастрон(максимальная база 400 000 км) имеет разрешение от 8 до 540 микросекунд дуги в зависимости от длины волны, что на 2-5 порядков лучше, чем у лучших оптических телескопов.

Преодоление дифракционного предела

• Получить разрешение несколько лучшее, чем дифракционный предел можно с помощью суперлинз(пластинки, действующей какметаматериал)^[2].

• Преодолеть дифракционный предел позволяет ближнеполевая микроскопия(достигнуто разрешение 13 нм^[3]).

Иммерсия(иммерсионный метод микроскопического наблюдения) воптической микроскопии— это введение междуобъективоммикроскопаи рассматриваемым предметомжидкостидля усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения.

Иммерсионная система— оптическая система, в которой пространство между первой линзой и предметом заполнено жидкостью. Применяемая таким образом жидкость называетсяиммерсионной.

Путь создания оптического стекла длинный и трудоемкий. Оно рож­далось в мучительных экспериментах средневековых мастеров, изго­товлявших очки и лупы в примитивных мастерских путем бесчисленных проб и ошибок. Но уже в 17-18веках эти мастера создавали линзы и примитивные объективы для первых телескопов и фотоаппаратов. Случайно найденные и путем проб улучшенные правила этого ремесла определяли форму, кривизну и толщину линз, а также не менее произвольные рецепты варки само­го стекла. То, что это необычное ремесло стекольных дел мастеров откроет в будущем путь в неизведанные макро- и микромиры, начало осознаваться лишь с изобретением зрительной трубы /1609 г./ и ми­кроскопа /1590 г./.

Начиная с 17 века тема стекла стала исключительно актуальной и вскоре превратилась в самостоятельную отрасль физики, именуемой оптикой. Не случайно к проблемам, связанным со стеклом и оптикой, в сое время обращались такие выдающиеся ученые как Галилео Галилей /1564-1630/, Иоганн Кеплер /1571-1630/, Исаак Ньютон /1643-1727/, Йозеф Фраунгофер /1787-1826/, Людвиг Зайдель /1821-1896/, Эрнст Аббе /1840-1905/ и другие.

Суммикрон 50мм f2 установленный на Leica m2 № 1005756 (1960год)

Средневековые венецианские оптики знали только один сорт еще безымянного оптического стекла - силикатное стекло, получившее позже название кронглас или крон. Английские оптик Д.Доллонд уже в 1757 г., а Й.Фраунгофер в начале 19 века изготовляли стекла сорта крон /силикатное стекло с коэфициентом дисперсии более 55/ и флинт или флинтглас /стекло с оксидом свинца с коэфициентом дис­персии менее 50/.

С развитием фотографии и фотолюбительства рос спрос на фотообъек­тивы» но конструкторов фотооптики совершенно не устраивало качест­во оптического стекла, ставшее преградой на пути дальнейшего со­вершенствования оптических систем. Значительное улучшение качест­ва оптического стекла произошло в конце 19 века в Германии благо­даря усилиям профессора Зрнста Аббе и фабриканта Отто Шотта. Но­вые - баритовые - стекла, т.н. иенские /тяжелый крон SК, сверх­тяжелый крон SSK и легкий флинт Lf/ улучшили цветовую коррекцию оптических систем и сделали их светосильнее, а главное - новое стекло позволило создать новый, более совершенный тип объективов -анастигматы, например, Протар и Унар Цейсса /1890 и 1900 гг./, триплет Кук-ленз X.Д.Тейлора /1893 г./ и в 1902 г. - Тессар Цейсса, ставший образцом для подражания на многие десятилетия.

Одна из первых Leica M3 №70059 c установленным на ней тубусным

Суммикроном 50мм f2.

Здесь необходимо отметить, что после длительного перерыва, нака­нуне Второй мировой войны произошло знаменательное событие, не ка­сающееся непосредственно самого стекла, но означавшее значитель-ные улучшения оптических характеристик объективов - просветление оптики. Над проблемой применения просветляющих слоев для оптичес­ких деталей параллельно работали инженеры Цейсса и Лейтца, но Цейсс опередил своего конкурента и в 1935 г. запатентовал метод нанесения просветляющих слоев, разработанный научным сотрудником фирмы белорусским эмигрантом Александром Смакулой. Метод просвет­ления оптики Лейтца был менее технологичен и он перешел в 1940 г. на методику Цейсса, принятую впоследствии во всем мире. Просветле­ние оптики увеличивало коэфициент светопропускания оптического стекла и уменьшало паразитную засветку фотоматериалов. Во время войны просветленная оптика в продажу не поступала, она шла толь­ко на нужды вооруженных сил.

После войны фирмы Цейсс" и "Лейтц" продолжали работать над улучшением оптического стекла, используя редкоземельные элементы, в частности оксиды тория и лантана. Б каталоге завода Шотта, вхо­дившего в концерн Цейсса, в 1948 г. появилось специальное стекло SSKS 1 с очень высокими оптическими характеристиками /nd = 1,69289

и V= 52,4/, в состав которого входили торий и лантан. В этом же 1948 году в оптической лаборатории Лейтца было также получено лантано-во-торневое стекло. Прежнее стекло SK 16 имело показатель пре­ломления nd = 1,62 и коэофициент дисперсии v = 60, новое лантано-ториевое стекло выдало показатели: nd = 1,6923 и v = 54,7.

Leica M3 №12683 c установленным на нее нетубусным объективом Суммикрон 50мм f2.

В 1949 г. из полученного стекла с оксидом радиоактивного тория был рассчитан и в 1950 г. запатентован в Англии и США первый ред­коземельные объектив Суммитар* /со звездочкой в отличие от обыч­ного Сумштара/идею принципиальной схемы которого предлагал еще Макс Берек. Оптические схемы 50-мм Суммитара* и Сум-микрона очень схожи, возможно даже идентичны, а стекла различные. Торий - радиоактивный элемент и, хотя излучение от объектива было небольшим /для защиты пользователя последняя линза содержала необ­ходимый процент свинца/, его производство было прекращено. Свою роль в этом сыграло и отрицательное эхо общественности на приме­нение США ядерных бомб в Японии, а также необходимость создания дорогостоящих противорадиоактивных мер при производстве ториевого стекла и для защиты персонала от радиоактивной пыли во время шли­фовки линз из этого стекла.

Всего Суммитар* был выпущен в количестве 87 экз. /заводские номера 812242-812329/, розданных профессионалам для испытания и отзывов. Вследствие малого тиража и радиоактивного стекла Сумми-тар* остался малоизвестным экспериментальным прототипом лантанового чуда 20-го века - Суммикрона I, который,несмотря на многочисленные модификации, продолжает свое победное шествие до настоящего време­ни во главе с флагманом 50-мм объективов фирмы "Лейтц" /ныне "Лейка"/ - Ноктилюксом 1/50 мм, выполненным из лантанового и нового специального сорта стекла оптической лаборатории фирмы LaSF 900403 /nd=1,9005/, рецепт которого является секретным.

В 1949 г. в оптической лаборатории Лейтца стекловарами под руко­водством д-ра Вайсенберга было получено чисто лантановое, без примеси радиоактивного тория новое оптическое стекло LaK9 c nd= 1,6911 и v = 58,4. Создание лантанового крона с такими характеристиками явилось новым прорывом в области оптических стекол, значительно улучшивший оптические характеристики объективов - оно повышало по­казатель преломления, уменьшало дисперсию, улучшало резкость изо­бражения. Б сочетании с просветлением это позволяло конструкторам повысить светосилу объектива и достичь оптимальной коррекции опти­ческой системы.