Добро пожаловать на наш астрономический форум! Здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали. Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил.

Форум переехал на последнюю версию движка, возможны некоторые шероховатости.

Бликование оптики

Базовые понятия и термины астрономической оптики
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 10950
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Бликование оптики

Сообщение Ernest » 16 окт 2011, 17:40

Бликование оптики

Изображение во всякой оптике включающей преломляющие поверхности страдает от переотражений (бликования) на них. То есть световые пучки преломляясь на оптической поверхности проходят ее не на 100%, а частично отражаются. Скажем, от обычного стекла (какой-нибудь крон) при более-менее нормальном падении свет отражается примерно на 4%, а проходит 96%. Это то, что называется бликованием или Френелевским отражением. В прикладной оптике это явление связывают с первичным бликованием (те отражения, которые мы видим на линзах объективов или окуляров). Чем больше разница в показателе преломления между средами (n1 и n2), которые разделяет оптическая поверхность, тем больше процент этого бликования:

σ12 (%) = 100%*(n2-n1)2/(n2+n1)2

Понятно, что такие потери приводят в конце концов к ослаблению яркости изображения до величины:

B = (1-σ1)*(1 -σ2)*(1 - σ3)*(1 - σ4)*(1 -σ5)... = (примерно) (1- σср)n,

где σi - потери на Френелевское отражение на i-ой поверхности, а σср - средний процент потерь на поверхностях воздух/стекло (на поверхностях склеек потери малы и могут не учитываться), n - число поверхностей стекло/воздух всех линзах, входящих в объектив.

то есть суммарные потери на бликование составят:

Σ = 1 - B или очень приблизительно n*σср

Но оказывается это не все. Отраженный поверхностями свет бликов затем переотражается другими поверхностями и опять меняет направление хода на обратное, попадая в конечном счете на приемник света (в глаз или другой фотоприемник) что приводит к появлению световой вуали и снижению контраста результирующего изображения. Это так называемое бликование второго порядка (блик возникающий при Френелевских отражениях от пары линзовых поверхностей).

Сумма таких переотражений V может быть точно посчитана (см. таблицу ниже) сложением по всем бликующим поверхностям:

ηi = Bi-1ii-1,

где
ηi - вклад во вторичное бликование i-ой поверхности,
Bi-1 - сумма света достигнувшая i-ой поверхности
Σi-1 - суммарные потери на первичное бликование предыдущих поверхностей

Кажется, что уровень засветки вторичными бликами не может быть велик - бликование бликов! То есть от каждой пары преломляющих поверхностей на засветку уходит величина пропорциональная σср2 или всего 0.16% (даже от непросветленных поверхностей)... Но число сочетаний таких пар быстро растет с увеличением числа поверхностей. Грубая оценка суммарный уровень засветки от таких переотражений в оптике с n поверхностями стекло/воздух составит:

V = σср2*n*(n-1)/2

А отношение светового шума из-за вторичного бликования к полезному оптическому сигналу на изображении составит:

S = V/B или просто V (в предположении, что проходит через систему сигнал близкий к 100%)

Для борьбы с этими потерями в контрасте и яркости придуманы так называемые просветляющие покрытия, которые уменьшают процент потерь по сравнению с Френелевским. За счет интерференции в тонких пленках одно- и двухслойные диэлектрические покрытия (оксиды и фториды разных металлов) снижают потери в одном преломлении до 1.5-2% (степень снижения зависит от показателя преломления стекла, ширины спектрального диапазона и углов падения света на оптическую поверхность). Трехслойные покрытия позволяют уменьшить потери до 0.7-1.5% на каждом преломлении. А многослойные характеризуются потерями 0.2-0.5% на одном преломлении.

Из этих формул вытекают такие проценты светопотерь из-за бликования в зависимости от сложности (числа поверхностей линз) оптического прибора.
Число поверхностей стекло/воздух в оптической схеме1234567891011121314151617181920
Суммарный % бликования - без просветления4.28.212.115.819.322.725.929.132.034.937.640.242.845.247.549.751.853.855.757.6
Суммарный % вторичного бликования - обычные стекла без просветления0.00.20.50.81.31.82.43.03.54.14.75.35.86.36.87.27.68.08.48.7
% отношения шум/сигнал - обычные стекла без просветления0.00.20.51.01.62.43.24.25.26.37.58.810.111.512.914.415.817.418.920.4
Суммарный % бликования - тяжелые стекла без просветления6.713.018.824.229.334.038.542.646.450.053.456.559.462.164.767.069.271.373.275.0
Суммарный % вторичного бликование - тяжелые стекла без просветления0.00.41.01.92.83.74.65.56.37.17.78.38.79.19.49.69.79.89.89.8
% отношения шум/сигнал - тяжелые стекла без просветления0.00.41.32.53.95.67.59.611.814.116.519.021.524.026.629.231.734.236.739.1
Суммарный % бликования - с однослойкой1.53.04.45.97.38.710.011.412.714.015.316.617.819.120.321.522.723.825.026.1
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с однослойкой0.00.00.10.10.20.30.40.50.70.81.01.11.31.51.71.82.02.22.42.6
% отношения шум/сигнал - с однослойкой0.00.00.10.10.20.30.40.60.80.91.11.31.61.82.12.32.62.93.23.6
Суммарный % на бликование - с трехлойным покрытием0.71.42.12.83.54.14.85.56.16.87.48.18.79.410.010.611.311.912.513.1
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с трехлойным покрытием0.00.00.00.00.00.10.10.10.20.20.20.30.30.40.40.50.60.60.70.7
% отношения шум/сигнал - с трехлойным покрытием0.00.00.00.00.00.10.10.10.20.20.30.30.40.40.50.60.60.70.80.9
Суммарный % потерь на бликование - с многослойным покрытием0.40.71.01.41.72.12.42.83.13.43.84.14.54.85.15.55.86.16.46.8
Суммарный % потерь на вторичное бликование - с многослойным покрытием0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.10.10.10.20.20.20.2
% отношения шум/сигнал - с многослойным покрытием0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.10.10.10.10.10.10.20.20.20.2

Выводы

  1. Применение антибликовых покрытий преломляющих оптических поверхностей имеет два назначения: (1) увеличить сумму света формирующую изображение наблюдаемых объектов и (2) снизить яркость фоновой световой вуали из-за переотражения света на поверхностях линз, то есть поднять контраст изображения. Из этих двух факторов второй обычно недооценивают, в то время как он оказывает самое сильное влияние на снижение эффективности наблюдений.
  2. Современные просветляющие покрытия при качественном исполнении практически снимают объективное ограничение на сложность оптических систем. Сложная многокомпонентная оптика позволяет расчетчику добиваться лучшего баланса аберраций, более резкого и контрастного изображения. Но обилие непросветленных или не очень эффективно просветленных оптических поверхностей вносили за счет светорассеивания световую дымку, которая "убивала" расчетный контраст. Многослойные покрытия снижают уровень бликования (и падение соответственно контраста) в десятки раз! Так 8-10 линзовая оптическая система с FMC (многослойными) просветляющими покрытиями приводит к падению контраста изображения из-за переотражений примерно такому-же как у одной непросветленной линзы.
  3. Это заставляет пересмотреть подходы в частности к оценке эффективности окуляров, когда классический двухкомпонентный окуляр (4-е поверхности стекло/воздух) несмотря на все несовершенство аберрационной коррекции и малый вынос выходного зрачка считался лучшим "планетником", чем его многолинзовый визави. Многослойные просветляющие покрытия позволяют практически без потерь в контрасте изображения использовать многолинзовые конструкции окуляров с лучшей коррекцией аберраций и удобным удалением выходного зрачка.

Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 10950
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Re: Бликование оптики

Сообщение Ernest » 29 фев 2016, 14:20

Схема образования бегающих сфокусированных бликов - "мух"

"Мухи" это бегающие компактные блики, которые окружают изображение яркого предмета наблюдений (такого как Юпитер, Венера, Марс в противостоянии) и обычно довольно быстро вьются вокруг него совершая хаотические перемещения. За такие блики ответственны блики второго порядка - отражение от роговицы глаза наблюдателя с последующем переотражением от одной или нескольких вогнутых (по отношению к глазу) оптических поверхностей окуляра. Глаз наблюдателя, рассматривая изображение, бегает своей визирной линией по полю зрения, а вслед за глазом изменяет угол отражения и блик первого порядка, что приводит к как-бы хаотическим перемещениям вторичных бликов по изображению.

Посмотрим на поясняющий рисунок, на котором показана последняя линза окуляра (ее часто называют "глазной") и глаз наблюдателя в разрезе. Лучи, которые строят осевую точку изображения объекта наблюдения - зеленого цвета, те которые приводят к появлению блика первого порядка - красные, те, которые формируют блик второго порядка - оранжевые. Последние выходят из окуляра пучком близким к параллельному и формируют паразитное уменьшенное изображение объекта наблюдения с большим выходным зрачком. На рисунке для примера показано образование блика от наружной поверхности глазной линзы, но такой "опасной" поверхностью может быть и любая другая оптическая поверхность окуляра, если возвратный блик от нее выходит из окуляра более-менее параллельным пучком.
[align=center]
муха.png
муха.png (22.58 КБ) 2836 просмотров
[/align]
Радиус кривизны роговицы порядка 8.5 мм, то есть фокус отраженных роговицей лучей располагается в 4.25 мм от поверхности роговицы - примерно у ирисовой диафрагмы человеческого глаза. Если она совмещена с выходным зрачком, то наиболее опасным радиусом кривизны (в плане создания сфокусированного блика) у вогнутой наружной поверхности глазной линзы будет равный удвоенному выносу вых. зрачка окуляра. Поэтому обычно предпочитают близкие к плоской или даже чуть выпуклые наружные поверхности глазной линзы, ну или наоборот - с крутым радиусом кривизны - примерно равным выносу вых. зрачка. Но, после этой поверхности идут еще 5-6 и более - какая-то из них может удовлетворить условию формирования сфокусированного блика. :(

Замечу, что выходной зрачок опасного блика может быть равен диаметру адаптированного зрачка наблюдателя (5-7 мм), то есть превосходить вых. зрачок типичный планетных наблюдений (0.7 мм) на порядок. Это обстоятельство приводит к тому, что небольшой процент двойного отражения (при современных покрытиях порядка 0.05% от суммы света который пошел на формирование изображения планеты) может создать довольно яркий и хорошо заметный блик. Площадь изображения планеты в блике в сто раз меньше и его яркость становится соответственно в сто раз больше, чем 0.05% - достигая 5% от яркости основного изображения - вполне себе заметная величина.

Некоторые окуляры имеют более удачную схему в плане предотвращения "мух", некоторые - менее. Яркость "мух" по-меньше, если на "опасных" поверхностях окуляра применяются эффективные многослойные антибликовые покрытия. И наоборот - в отсутствие антибликового покрытия "опасная" поверхность может создавать довольно яркую "муху".

Понятно, что кроме "мух" по той-же схеме могут образовываться и стационарные (не бегающие) блики из-за переотражений между оптическими поверхностями самого окуляра (без участия роговицы). Но они обычно много тусклее так как обе участвующие в образовании бликов поверхности имеют просветление.

Ответить