przyrzĄdy optyczne i ich zastosowanie

PRZYRZĄDY OPTYCZNE I ICH ZASTOSOWANIE

Prezentację przygotował Tomasz Śledziewski

Proszę wybrać jeden z poniższych przyrządów, aby dowiedzieć się o nim więcej

Aparat fotograficzny

Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Aparat fotograficzny jest przyrządem służącym do wykonywania zdjęć fotograficznych. Pierwowzorem aparatu fotograficznego było urządzenie nazywane camera obscura.

Tradycyjny (optyczny) aparat fotograficzny składa się m.in. z:

•obiektywu

•migawki

•światłoszczelnego korpusu

•układu celowniczego

•mechanizmu do przesuwu i wymiany błony fotograficznej

•elementy dodatkowe:

•gniazdo synchronizacji lampy błyskowej

•lampa błyskowa

•dalmierz

•światłomierz

•samowyzwalacz

Aparaty fotograficzne możemy podzielić ze względu na:

•technologię:

•aparat klasyczny

•aparat cyfrowy

•budowę:

•przeziernikowy

•skrzynkowy

•mieszkowy

•dalmierzowy

•lustrzanka

•lustrzanka jednoobiektywowa

•lustrzanka dwuobiektywowa

•studyjny

•lotniczy

•wielkość klatki filmu:

•małoobrazkowe - 24 x 36 mm

•średnioformatowe - 4.5 x 6, 6 x 6, 6 x 9 (6 x 7, 6 x 8) cm

•wielkoformatowe - od 4x5 cala

•sterowanie:

•ręczne (manualne)

•automatyczne

•autofocus z automatycznym ustawianiem ostrości

Najważniejsze etapy rozwoju:

•camera obscura -- ok.900.

•wprowadzenie błony zwojowej (H. Goodwin, G. Eastman — 1887–89)

•aparat małoobrazkowy na błonę 35 mm Leica (O. Barnack — 1925)

•lustrzanka dwuobiektywowa Rolleiflex (Rollei Werke, Franke und Heidecke — 1929)

•lustrzanka jednoobiektywowa małoobrazkowa (Exakta — 1936)

•pryzmat pentagonalny (1947)

•automatyzacja ekspozycji (ok. 1970)

•automatyzacja nastawiania ostrości (1977)



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Kineskop jest rodzajem lampy obrazowej. Cechą odróżniającą kineskop od lampy oscyloskopowej jest magnetyczne odchylanie elektronów. Elektrony emitowane przez katodę są formowane w wąską wiązkę przez działo elektronowe następnie przyśpieszane przez anodę i uderzają w powierzchnię ekranu pokrytą luminoforem wywołując jego świecenie. Aby dało się rozświetlić każdy punkt powierzchni ekranu wiązka musi być odchylana w dwóch kierunkach - pionowym i poziomym.

Do odchylenia wiązki elektronów wykorzystywane jest pole magnetyczne wytwarzane przez cewki odchylające. Kąt odchylenia wiązki elektronów od linii prostej jest proporcjonalny do natężenie pola magnetycznego, czyli do natężenia prądu elektrycznego płynącego przez cewki. Aby uzyskać liniowy przebieg wiązki po powierzchni ekranu (stałą prędkość przesuwania) pole a zatem i prąd w cewkach musi narastać liniowo. (ponieważ powierzchnia ekranu nie jest wycinkiem kuli, to kształt prądu musi nieco odbiegać od prostej)

Zaletą odchylania magnetycznego jest możliwość uzyskania bardzo dużego kąta odchylenia, niemalże o 90°. umożliwia tworzenie to bardzo krótkich lamp o dużej powierzchni ekranu, odwrotnie niż w lampach oscyloskopowych. Wadą z kolei jest duża moc pobierana przez cewki w celu odchylenia strumienia oraz konieczność używania coraz wyższych napięć wraz ze wzrostem częstotliwości odchylania i rozmiaru ekranu - prędkość poruszania się plamki zależy od szybkości zmian pola magnetycznego, a zmieniające się pole generuje w cewkach odchylających napięcie - tym wyższe im szybciej się zmienia.

Kineskopy mogą być wykonywane jako monochromatyczne inaczej nazywane też 'czarno-białe' (choć niekoniecznie muszą świecić na biało, w użyciu są też inne kolory, np. zielony) lub kolorowe, czyli świecące jednocześnie w trzech kolorach podstawowych - czerwonym, zielonym i niebieskim, co zgodnie z addytywną teorią barw umożliwia uzyskanie wszystkich kolorów z bielą włącznie. Kineskop o takiej konstrukcji zawiera trzy niezależne działa elektronowe, po jednym dla każdego koloru. Wiązki odchylane są przez to samo pole, tak, że trafiają w ten sam punkt na powierzchni ekranu. W środku tuż przed powierzchnią ekranu umieszczona jest blacha z małymi otworkami - tzw. maska która rozdziela trzy strumienie i kieruje do trzech oddzielnych plamek luminoforu - czerwonego, zielonego i niebieskiego umieszczonych bardzo blisko siebie.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Lupa [fr.], przyrząd optyczny składający się z jednej lub kilku soczewek o dostatecznie dużej zdolności skupiającej (krótkiej ogniskowej); używany do obserwacji niewielkich przedmiotów, które umieszcza się w odległości mniejszej lub równej ogniskowej; przy użyciu lupy uzyskuje się obraz prosty, pozorny, powiększony (od kilku do 20 razy); powiększenie lupy wynosi w przybliżeniu d/f, gdzie d — odległość najlepszego widzenia, f — ogniskowa soczewki.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Teleskop - przyrząd optyczny do powiększania odległych obrazów. Jego podstawowymi częściami są: tubus, okular i obiektyw.

Małe teleskopy nazywa się lunetami.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Mikroskop optyczny to urządzenie do silnego powiększania obrazu, wykorzystujące do generowania tego obrazu światło przechodzące przez specjalny układ optyczny składający się zazwyczaj z zestawu kilku-kilkunastu soczewek optycznych

Mikroskop optyczny może wykorzystywać zwykłe światło dzienne, dostarczane do układu optycznego przez specjalne lusterko, lub wykorzystywać sztuczne światło, którego źródło znajduje się zazwyczaj pod analizowaną próbką.

Światło może padać na oglądany obiekt z góry - mówimy wtedy o odbiciowym mikroskopie optycznym. Światło może też padać na badany obiekt z dołu i przechodzić przez niego, co wymaga jednak aby obiekt był półprzezroczysty.

Mikroskopy optyczne są stosowane do obserwacji małych obiektów w wielu naukach. W biologii są stosowane np: do obserwacji drobnoustrojów i budowy tkanek. W chemii i fizyce są stosowane do obserwacji np: przemian krystalicznych. W geologii są stosowane do obserwacji budowy skał.

Mikroskopy optyczne mogą korzystać, ze zwykłego, niespolaryzowanego światła, lub korzystać ze światła spolaryzowanego. W tym drugim przypadku mówimy o polaryzacyjnym mikroskopie optycznym. Posługiwanie się światłem spolaryzowanym umożliwia obserwację wzrostu i zanikania kryształów i ciekłych kryształów.

Niektóre mikroskopy optyczne korzystają też ze światła monochromatycznego. Są one często stosowane do obserwacji obiektów w zakresie poza-widzialnym (np: w podczerwieni lub ultrafiolecie.

W tradycyjnych mikroskopach optycznych obserwuje się obiekty przez specjalny okular, do którego przykłada się bezpośrednio oko. W wielu współczesnych mikroskopach optycznych stosuje się obserwację obrazów za pomocą specjalnych kamer i monitorów. Można też podłączać je za pomocą kamer i aparatów cyfrowych do komputerów.

Fizyczną granicą maksymalnego powiększenia obrazu w mikroskopie optycznym jest precyzja wykonania soczewek. Najlepsze mikroskopy optyczne, działające na spolaryzowane światło ultrafioletowe osiągają maksymalne powiększenie do ok. 3500x. Mikroskopy działające na zwykle światło osiągają maksymalne powiększenia rzędu 1500x.

Budowa tradycyjnego mikroskopu na światło dzienne dostarczane od dołu próbki:

1. okular

2. uchwyt rewolwerowy obiektywów

3. obiektyw

4. tubus

5. statyw

6. stolik przedmiotowy

7. zwierciadło oświetlające

8. kondensor



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Noktowizor to urządzenie pozwalające widzieć w ciemności. Jest ono wykorzystywane przez wojsko lub odziały paramilitarne do obserwacji otoczenia w nocy. Dzięki noktowizorom żołnierze są w stanie dostrzec swoich przeciwników bez używania oświetlenia.

Działanie noktowizora może się opierać na dwóch zjawiskach. Pierwszy typ noktowizora zawiera wzmacniacz światła widzialnego. Żołnierz zakłada specjalne gogle, w których na małych monitorach wyświetlany jest obraz z kamer.

Drugi rodzaj noktowizora bazuje na podczerwieni. Zamiast zwykłych kamer umieszcza się kamery rejestrujące to promieniowanie. W takiej sytuacji żołnierz nie tylko widzi w ciemności. Każde rozgrzane ciało świeci w podczerwieni i staje się bardzo widoczne. Noktowizor reagujący to promieniowanie daje bardzo wyraźny obraz rozgrzanych przedmiotów, czyli ludzi i maszyn bojowych.

Noktowizory są mało wygodne, co ogranicza ich stosowania przez żołnierzy piechoty. Używane są tylko czasami. W pojazdach bojowych ciężar ani zasilanie nie jest już problemem. Czołgi, wozy bojowe czy maszyny latające zawierają zwykle całe zespoły noktowizorów. Dzięki temu nowoczesna armia może prowadzić bardzo sprawne działania w całkowitych ciemnościach.

Specjalne wersje noktowizorów umieszcza się na karabinach snajperskich. Mają wtedy tylko jeden okular.

Dzięki noktowizorom sprzężonym z kamerami telewizyjnymi, możliwa jest realizacja filmów przyrodniczych, bez płoszenia zwierząt sztucznym oświetleniem.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Obiektyw jest soczewką, układem optycznym, lub układem magnetycznym przenoszącym obraz przedmiotu do dalszej części urządzenia, np.:

•obiektyw fotograficzny - na błonę fotograficzną albo matówkę aparatu fotograficznego,

•obiektyw mikroskopu, obiektyw teleskopu - do okularu, albo na błonę fotograficzną.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Camera obscura (Camera obscura z łac. ciemna skrzynka), zwana także kamerą otworkową - składa się z poczernionego wewnątrz pudełka (dla zredukowania odbić światła). Na jednej ściance znajduje się niewielki otwór (obiektyw), a na drugiej matowa szyba (matówka), lub kalka techniczna. Promienie światła wpadające przez otwór rysują na matówce odwrócony i pomniejszony obraz. Wstawiając w miejsce matówki kliszę fotograficzną otrzymamy zdjęcie.

Wynaleziona została około roku 900 przez arabskich uczonych. Służyła astronomom do obserwacji rocznych torów po jakich porusza się słońce, plam słonecznych i księżyca. Służyła też jako pomoc przy wykonywaniu rysunków. Była wykorzystywana przez artystów malarzy, między innymi Leonardo da Vinci, jako narzędzie pomocne przy określaniu np. perspektywy.

W 1550 roku Girolamo Cardano zastąpił otwór pojedynczą soczewką skupiającą. Stanowi pierwowzór aparatu fotograficznego.

Obraz otrzymany za pomocą camery obscury posiada następujące cechy: miękkość, łagodne kontrasty, rozmycie, nieskończoną głębię ostrości oraz zupełny brak dystorsji. Z uwagi na te cechy obrazu camera obscura bywa do dzisiaj wykorzystywana w fotografii artystycznej.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Oko - narząd receptorowy przetwarzający energię świetlną w impulsy nerwowe, które następnie przekazywane są do mózgu i odbierane przez zwierzę jako obrazy.

Najprostsze oczy składają się z kilku zaledwie komórek światłoczułych. Owadzie oczy składają się z oczek prostych (omatidiów) zgrupowanych w oczy złożone. Każde oko proste zawiera soczewkę, komórki siatkówkowe oraz komórki pigmentu. Najbardziej rozwinięte ewolucyjnie oczy posiadają kręgowce. Główną częścią narządu wzroku kręgowców jest gałka oczna osadzona w zagłębieniu czaszki zwanym oczodołem.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Okular - jedna z podstawowych części budowy wielu urządzeń optycznych. Jest to element optyczny najbliższy oka obserwatora, a służy do obserwacji obrazu tworzonego przez obiektyw danego urządzenia. Okular występuje w postaci pojedynczej soczewki lub układu optycznego. Każdy okular służy dla jednego oka.

Terminem podobnym do słowa okular są okulary, czyli przyrząd w postaci szkieł lub soczewek, w oprawce, służący do ochrony oczu lub korekty wzroku. O ile jednak okulary jako pojedyncze urządzenie są parą elementów, to ich odpowiednikiem dla jednego oka jest monokl, a nie okular.

Okular może być częścią takich urządzeń, jak:

•aparat fotograficzny

•dalmierz optyczny

•mikroskop

•lornetka

•luneta

•peryskop

•teleskop

Okular w mikroskopie optycznym

W mikroskopie optycznym okular osadzony w górnej części tubusa, składa się z dwóch soczewek płasko-wypukłych, górnej od strony oka i dolnej, zamykającej okular. Służy do powiększenia i obserwacji ocznej obrazu tworzonego przez obiektyw mikroskopu, dodatkowo może korygować wady obrazu z obiektywu.

Mikroskop optyczny może być też zaopatrzony w nasadkę okularową: służy ona do osadzenia okularów i zmiany biegu promieni świetlnych na bardziej ergonomiczne dla obserwatora - pochylone; nasadki okularowe mogą być jednookularowe (w prostszych mikroskopach), dwuokularowe (binokularne) pozwalające na wygodną obserwację dwojgiem oczu - ważne nie tylko ze względu na ergonomię, ale i dla zdrowia. W przypadku nasadek binokularnych może być dostępna regulacja rozstawu okularów (stosownie do odległości pomiędzy źrenicami obserwatora), regulacja dioptrii (dostępna w jednym z okularów) dla wyrównania różnic pomiędzy oczami obserwatora oraz może znajdować się tam wyjście do podłączenia aparatu fotograficznego, kamery cyfrowej itd. - może to być tzw. nasadka trójokularowa lub dedykowana.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Okulary korekcyjne - okulary które znoszą lub zmniejszają skutki wrodzonej lub nabytej wady wzroku takiej jak nadwzroczność, krótkowzroczność, astygmatyzm.

Astygmatyzm – wada wzroku cechująca się zaburzoną sferycznością oka. Elementy optyczne zdrowego narządu wzroku zawsze są wycinkiem sfery. Jeżeli oko ma większą szerokość niż wysokość, to soczewka i rogówka zamiast skupiać światło w okrągłym obszarze siatkówki, będzie tworzyć obraz rozmazany w jednym z kierunków. Pacjent z astygmatyzmem będzie np widział obraz nieostro w pewnych obszarach pola widzenia. Niestety nawet dobre szkła nie są w stanie w pełni skorygować asferyczności i dlatego osoba z astygmatyzmem ma problemy z wykorzystaniem przyrządów optycznych. Jeżeli ktoś ma problemy z ostrością, może sobie na np. mikroskopie wyregulować odpowiednio układ, aby korygował jego wadę. Osoba z astygmatyzmem nigdy nie osiągnie tego efektu, bo soczewki każdego przyrządu optycznego są sferyczne.

Wyróżnia się dwa rodzaje astygmatyzmu:

•regularny – oku można przypisać dwie osie optyczne, wadę można skorygować okularami ze szkłami cylindrycznymi, które są wyraźnie droższe od soczewek wykorzystywanych w innych wadach wzroku,

•nieregularny – rogówka jest uszkodzona na skutek np.wypadku, osi optycznych jest wiele, wadę można skorygować żelami nakładanymi na rogówkę lub szkłami kontaktowymi



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Pryzmat - bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich nachylonych do siebie pod pewnym kątem.

Używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych, a poprzez to, że zmiana kierunku zależy od długości fali jest używany do analizy widmowej światła. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia pozwala użyć pryzmatu jako idealnego elementu odbijającego światło. Wykorzystywany w produkcji wielu urządzeń optycznych np. lornetka, peryskop

Całkowite wewnętrzne odbicie w pryzmacie

Rozszczepienie światła białego w pryzmacie



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Siatka dyfrakcyjna - jeden z najprostszych przyrządów do przeprowadzania analizy widmowej. Jest to przezroczysta płytka kryształowa lub z tworzywa sztucznego. Na jedną ze stron płytki zostaje naniesiona seria równoległych nieprzezroczystych linii, których rozstaw powinien być stały i odpowiednio mały - od kilkunastu linii na milimetr aż do tysiąca w przypadku dobrych siatek. Działanie siatki dyfrakcyjnej polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji i interferencji świata do uzyskania jego widma. W tym celu pomiędzy źródłem światła a białym ekranem umieszcza się siatkę dyfrakcyjną. Na ekranie uzyskuje się w ten sposób widmo światła. Jako pierwszy w swoich doświadczeniach prymitywną siatkę dyfrakcyjną użył angielski fizyk Thomas Young.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Soczewka - proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem płaskich bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny, lub kropli wody).

Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni roboczych jest wycinkiem sfery, albo hiperboli parabolicznej. W przypadku soczewek posiadający krzywiznę na obu powierzchniach roboczych, muszą one posiadać inny promień główny, lub przeciwny kierunek.

Soczewki będące wycinkiem walca stosuje się jako lupy w termometrach oraz do czytania.

Podstawową funkcją soczewek jest koncentryczne (względem osi) skupianie lub rozpraszanie światła. Stąd każda soczewka posiada oś optyczną i punkt skupienia (tzw. ognisko soczewki). Położenie punktu skupienia soczewki zależy od wzajemnego stosunku promieni krzywizny obu powierzchni roboczych oraz stosunku współczynnika refrakcji światła materiału użytego do jej budowy oraz analogicznego współczynnika otoczenia (zwykle powietrza). Odległość ogniska od środka ciężkości soczewki nazywa się jej ogniskową. Czym większa różnica promieni krzywizny i czym większa różnica współczynników refrakcji materiału soczewki i otoczenia, tym ogniskowa jest mniejsza.

Soczewki są stosowane w:

•mikroskopach

•lunetach

•lornetkach

•lupach

•okularach leczniczych

•szkłach kontaktowych

•spektrofotometrach

•aparatach fotograficznych

•kamerach filmowych

Wady soczewek:

•aberracja - usuwa obiektyw anastygmat

•aberracja chromatyczna - usuwa układ soczewek achromat, apochromat

•aberracja sferyczna - usuwa soczewka asferyczna

•koma

•astygmatyzm - usuwa układ soczewek anastygmat

•dystorsja

Inne układy soczewek likwidujące aberrację: aplanat.

Wad grubych soczewek w znacznym stopniu pozbawiona jest soczewka Fresnela.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Spektroskop - przyrząd służący do badań widma. Składa się z poziomej tarczy z podziałką kątową, w której środku jest umieszczony pryzmat, z lunety obracanej wokół tarczy oraz z kolimatora, wyposażonego w źródło światła.

Spektroskop optyczny jest to przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do ultrafioletu).



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

Światłowód, falowód służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Pierwotnie miał postać metalowych rurek o wypolerowanych ściankach, służących do przesyłania promieniowania podczerwonego. Obecnie w formie włókien dielektrycznych - najczęściej szklanych, z otuliną z tworzywa sztucznego, charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania światła niż wartość tego współczynnika dla szkła. Dzielimy je na jedno- i wielomodowe (ilość przesyłanych długości fali). W światłowodach wielomodowych występuje zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła (zapobiega zniekształceniom sygnału), której źródłem może być laser lub dioda LED. Dzięki czemu możliwa jest transmisja danych do 3 Tb/s i przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem - nie wytwarzają własnego pola magnetycznego w związku, z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Cechuje go duża odporność na zakłócenia elektromagnetyczne zewnętrzne, stopa błędów mniejsza niż 10-10 przy najwyższych przepływnościach binarnych, mała tłumienność jednostkowa (zwykle około 0,20dB/km). Odległości na jakie może być transmitowany sygnał (w jednomodowym światłowodzie) bez potrzeby dodatkowego wzmacniania wynoszą od 80 do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia wysokoefektywny transfer danych.

Rodzaje światłowodów

Wielomodowe, MMF Multi Mode Fiber (62,5 mikrona i 50 mikronów)

Gradientowe

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają - dla różnych modów (poruszających się po łukach) - tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, dzięki czemu mają większą prędkość liniową.

Skokowe

Jak sama nazwa wskazuje w światłowodzie tym poszczególne mody poruszają się skokowo dobijając się na granicy rdzeń-płaszcz. Mody wprowadzane są do rdzenia pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Jak wiadomo prędkość rozchodzenia światła jest stała (w szkle 200000 km/s), dlatego czas przejścia promienia przez światłowód jest różny. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały. Dyspersja chromatyczna występuje zarówno w światłowodach jednomodowych jak i w światłowodach wielomodowych. Jest ona źródłem strat. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

Jednomodowe, SMF Single Mode Fiber (5 do 10 mikrona)

W światłowodach SMF sygnał -wytworzony przez laser - prawie wcale nie ulega rozproszeniu (brak dyspersji międzymodowej). Strumień danych przesyłany jest równolegle do osi i dociera do końca włókna w jednym modzie tzw. modzie podstawowym (nie ma odbić). Konsekwencją tego faktu jest: mała średnica włókna zwykle od 5 do 10 mikronów, a także skokowy współczynnik załamania światła. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km.

Należy jeszcze wspomnieć o tym, że technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana V była mniejsza niż 2,405.

Gdzie: d - średnica rdzenia światłowodu,

lambda - długość fali optycznej światłowodu,

n1 i n2 - odpowiednio: współczynniki załamania rdzenia i płaszcza.

Światłowody jednomodowe, narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrona, przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków. Myśl o realizacji takich czynności w normalnych warunkach polowych nie była zachęcająca, i zmusiła do poszukiwania innych rozwiązań.

Do światłowodów jednomodowych stosuje się laser 0,8 mikrometra.

Straty w światłowodzie

Wszystkie światłowody nawet jednomodowe nie są idealnym medium transmisyjnym.

Tłumienie

Jedną z podstawowych wad jest tłumienie sygnału. Spowodowane jest przez straty falowe wynikające z niedoskonałości falowodu. Ponad to w rzeczywistym światłowodzie występuje: absorpcja (pochłanianie energii przez cząstki światłowodu), rozpraszanie energii spowodowane zarówno przez fluktuacje gęstości materiału rdzenia jak i fluktuacjami współczynnika załamania, a także wadami produkcyjnymi (zgięcia, mikropęknięcia).

Tłumienie ma różne źródła: straty materiałowe - większość światłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO2. Światło ulega rozproszeniu z powodu fluktuacji gęstości materiału rdzenia, a ta spowodowana jest niedoskonałością struktury szkła. Dla czystego szkła kwarcowego stała materiałowa k = 0,8, a tłumienność spowodowana rozproszeniem Rayleigh'a wynosi dla długości fali widzianej przez światłowód l=850 nm 1,53 dB/km, dla l=1300 nm 0,28 dB/km, a dla l=1550 nm 0,138 dB/km. Oprócz rozpraszania Rayleigh'a istnieje silna absorpcja zarówno w podczerwieni, jak i nadfiolecie związana bezpośrednio z samymi własnościami szkła krzemowego SiO2. Nie pozwala ona na wykorzystanie jeszcze dłuższych fal do transmisji. straty falowodowe - wynikają z niejednorodności światłowodu powodowanymi fluktuacjami średnicy rdzenia, zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu cylindrycznego. Deformacje włókna mające duży wpływ na tłumienie światłowodu to mikrozgięcia i makrozgięcia.

Mikrozgięcia powstają w procesie wytwarzania włókien i są to nieregularności kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu.

Tłumienie wywołane makrozgięciami, czyli wywołane fizycznym zakrzywieniem włókna światłowodowego, jest pomijalnie małe dla promieni zakrzywień większych od kilku centymetrów. Mniejsze powodują zmianę współczynnika załamania w obszarze zgięcia, co także prowadzi do tworzenia się modów wyciekających i uwidacznia się efektem świecenia włókna na powierzchni. straty mocy sygnału powodowane są również przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót światłowodów. absorpcja w zakresie pasm użytecznych (0,8 - 1,5 µm) jest niewielka, wzrasta natomiast przy niewielkiej nawet koncentracji zanieczyszczeń metali Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonów OH. Jest to proces nieodwracalny, wynikowa tłumienność zależy od rodzaju domieszek oraz od sposobu ich koncentracji. Ponadto powyższe zanieczyszczenia powodują selektywny wzrost tłumienia, wybór okien transmisyjnych wynika z konieczności pominięcia tych pasm absorpcyjnych.

Dyspersja

Dyspersja jest to zjawisko poszerzenia (rozmycia) impulsu. Powodowana jest przez to, że światło przy określonej długości fali ma odpowiednią szerokość widma. Im szersze widmo tym więcej promieni przemieszcza się w rdzeniu. Promienie te przebywają różną drogę, przez co czas przebycia promienia przez włókno jest różny. W rezultacie na wyjściu pojawia się szerszy impuls, który rośnie wraz ze wzrostem długości światłowodu. Przepływność transmisyjna włókna jest więc określona przez to, jak blisko siebie można transmitować kolejne impulsy bez ich wzajemnego nakładania się na siebie (przy zbyt bliskich impulsach nie ma sposobu ich rozpoznania). Dyspersja ogranicza długość światłowodu przez który może być transmitowany sygnał. Rozróżnia się dwa typy dyspersji. Dyspersję międzymodową występującą w światłowodach wielomodowych, oraz dyspersję chromatyczną występującą w włóknach jednomodowych. dyspersja modowa - występuje w światłowodach wielomodowych. Impuls światła wiedziony przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy, na skutek różnych kątów odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia inną długość drogi między odbiornikiem a nadajnikiem. Dyspersja modowa światłowodów skokowych przekracza znacznie wszystkie pozostałe dyspersje. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i mniniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz×km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe. dyspersja chromatyczna - z racji tego, że światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mód, nie występuje tutaj zjawisko dyspersji międzymodowej. Uwidacznia się natomiast inny, dotychczas niewidoczny rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna. Składają się na nią dwa zjawiska: dyspersja materiałowa i falowodowa.

Dyspersja materiałowa powodowana jest zmianą współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Ponieważ nie istnieje źródło światła ściśle monochromatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z różną prędkością, docierający po przebyciu fragmentu włókna mód charakteryzuje się rozmyciem w czasowym.

Dyspersja falowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.

Wykorzystanie w systemach światłowodowych większych długości fali przede wszystkim ok. 1300 nm, zamiast 830÷900 nm wykorzystywanych w pierwszych systemach przynosi poważne korzyści jeśli chodzi o dyspersję, gdyż dyspersja materiałowa w tym obszarze długości fali jest praktycznie równa zeru. Co więcej, w miarę doskonalenia procesu produkcji włókna, zaczęło się okazywać, że dla bardzo suchych (o małej zawartości jonów OH) rodzajów szkła, można uzyskać dla fali 1300 nm wartości tłumienności znacznie poniżej 3÷5 dB/km, jakie uzyskiwano dla 850 nm i z wielu źródeł pojawiły się doniesienia o uzyskaniu dla fali 1300 nm wartości tłumienności rzędu od 1 do 0,5 dB/km. Później uzyskano dla fali 1550 nm tłumienność rzędu 0,2 dB/km.



Kineskop

Lupa

Luneta

Mikroskop optyczny

Noktowizor

Obiektyw

Camera obscura

Oko

Okular

Okulary korekcyjne

Pryzmat

Siatka dyfrakcyjna

Soczewka

Spektroskop

Światłowód

przyrzĄdy optyczne i ich zastosowanie

Documents