Номер ?2, страница 146, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 10. Электромагнитная природа света. Параграф 96. Исследовательские работы. Вопросы для обсуждения - номер ?2, страница 146.

Условие.

Воспользовавшись дополнительными источниками информации, определите, для чего на поверхности объективов современных фото- и видеокамер, биноклей, очков наносят просветляющий слой.

Решение.

Просветляющий слой, также известный как антибликовое или антиотражающее покрытие, наносится на поверхности линз в оптических приборах (объективах фото- и видеокамер, биноклях, очках) для уменьшения отражения света от этих поверхностей и, соответственно, для увеличения количества света, проходящего через линзу.

Явление, лежащее в основе этого процесса, – это интерференция света. Рассмотрим, для чего это нужно и как это работает.

1. Уменьшение потерь света. Когда свет переходит из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло), часть его отражается от границы раздела сред. В случае одной поверхности из обычного оптического стекла теряется около 4-5% света. Современные объективы состоят из множества линз, и каждая линза имеет две поверхности. Таким образом, в сложной оптической системе, состоящей, например, из 10 линз (20 поверхностей), общие потери света на отражение могут достигать 50% и более, что делает изображение тусклым и снижает светосилу прибора.

2. Повышение контрастности и качества изображения. Свет, отраженный от поверхностей линз, не просто теряется. Он может многократно переотражаться внутри объектива и попадать на светочувствительный элемент (пленку или матрицу) в виде рассеянного света или паразитной засветки. Это приводит к появлению бликов (flare), двоению ярких объектов (ghosting) и снижению общего контраста изображения, делая его бледным, "завуалированным" и менее четким.

Принцип действия просветляющего покрытия

Просветляющее покрытие — это тончайший слой (или несколько слоев) прозрачного материала (например, фторида магния $MgF_2$), нанесенный на поверхность линзы. Его толщина и показатель преломления подбираются специальным образом, чтобы свет, отраженный от двух поверхностей (внешней и внутренней), гасил сам себя.

Свет, падающий на линзу с покрытием, отражается от двух границ:

• от внешней поверхности пленки (граница "воздух-пленка");
• от внутренней поверхности пленки (граница "пленка-стекло").

Идея заключается в том, чтобы эти два отраженных луча погасили друг друга за счет деструктивной интерференции. Для этого должны выполняться два условия:

- Условие равенства амплитуд: Интенсивность (и, следовательно, амплитуда) обоих отраженных лучей должна быть примерно одинаковой. Это достигается, если показатель преломления пленки $n_п$ является средним геометрическим между показателями преломления воздуха $n_в$ и стекла $n_с$: $n_п = \sqrt{n_в \cdot n_с}$. Поскольку для воздуха $n_в \approx 1$, то оптимальное значение $n_п = \sqrt{n_с}$.

- Условие разности фаз: Два отраженных луча должны находиться в противофазе, то есть их фазы должны отличаться на $\pi$ радиан (180°). Отражение от оптически более плотной среды сопровождается сдвигом фазы на $\pi$. Так как показатель преломления пленки больше, чем у воздуха ($n_п > n_в$), а у стекла больше, чем у пленки ($n_с > n_п$), то сдвиг фазы на $\pi$ происходит на обеих границах. Чтобы лучи в итоге оказались в противофазе, оптическая разность хода, которую второй луч проходит дополнительно (вперед и назад в пленке), должна быть равна нечетному числу полуволн. Для минимальной толщины пленки $\text{d}$ эта разность хода должна быть равна одной полуволне:
$2 \cdot d \cdot n_п = \frac{\lambda}{2}$, где $\lambda$ – длина волны света в вакууме.
Отсюда оптимальная толщина пленки: $d = \frac{\lambda}{4n_п}$.

Так как условие гашения идеально выполняется только для одной длины волны, однослойные просветляющие покрытия обычно рассчитывают на середину видимого спектра (зелено-желтый свет, $\lambda \approx 550$ нм). Свет с другими длинами волн (красный и синий) отражается сильнее, поэтому такие линзы часто имеют фиолетовый или синеватый оттенок отраженного света. В современных оптических приборах используют многослойные просветляющие покрытия (MC, Multi-Coated), которые эффективно подавляют отражение в широком диапазоне длин волн, обеспечивая высокую светопропускаемость и правильную цветопередачу.

Ответ: Просветляющий слой наносят на поверхности линз для того, чтобы с помощью явления интерференции света минимизировать его отражение от этих поверхностей. Это позволяет решить две основные задачи: 1) увеличить количество света, проходящего через оптическую систему, делая изображение ярче; 2) значительно улучшить качество изображения за счет устранения внутренних переотражений, которые вызывают блики, паразитную засветку и снижают контраст.