Иллюзии, возникающие при полном внутреннем отражении света

Описание

Светящиеся фонтаны. Явление полного внутреннего отражения наступает в тех случаях, когда луч света, выходящий из среды, оптически более плотной (с большим показателем преломления) и входящий в среду, оптически менее плотную (n меньше n'), на поверхность раздела сред МР падает под некоторым предельным углом im (рис. 190).





Этот предельный угол меньше 90° и зависит только от отношения показателей преломления сред. Так, например, если луч выходит в воздух из стекла с показателем преломления n = 1,5, предельный угол im — около 42°; при n = 1,66 (тяжелое стекло) угол im— около 37°; при выходе луча из воды (n = 1,33) в воздух предельный угол равен 49°; те же самые соотношения имеют место и для органического стекла, и для прозрачных пластмасс.

Явление полного внутреннего отражения используют для придания особого блеска алмазам. На этом же явлении основано красивое зрелище — так называемые светящиеся фонтаны. Впервые светящийся фонтан был устроен в 1841 г. швейцарским профессором физики Колладоном; в его демонстрациях струя воды формировалась с помощью специальных стенных мундштуков и могла иметь различные сечения.

Если струю воды с помощью сильного источника света, световой поток которого будет концентрироваться некоторой оптической системой (вогнутым зеркалом или линзами), освещать в месте ее истечения так, чтобы лучи света падали на поверхность воды под очень незначительным углом (т. е. почти параллельно струе), то, претерпевая многократные полные внутренние отражения, лучи не выходят за пределы струи. Вследствие неровностей поверхности струи часть светового потока все-таки рассеивается и выходит из нее, поэтому фонтан кажется светящимся или, точнее, самосветящимся, так как источник света зрителям не виден. В том месте, где струя из горизонтального положения переходит в вертикальное или наоборот, лучи доходят до ее наружной поверхности, снова возвращаются внутрь, идут к поверхности струи в новом месте, опять отражаются и т. д. Полный выход световой поток получает только там, где струя теряет свою связность и распадается на капли.

Первое применение принцип светящегося фонтана нашел в Парижской опере, где красным светом освещалась струя вина, которую Мефистофель заставляет течь из бочки во втором действии «Фауста».

На рис. 191





представлена одна из схем устройства светящегося фонтана. В этом случае извергающий воду дельфин сделан пустотелым и его нижняя часть сообщается отверстием с подвалом, устроенным под бассейном. Здесь внизу стоит дуговая лампа, лучи которой отбрасываются параболическим зеркалом в тело дельфина, а отсюда вторым зеркалом отражаются в рожок водяной струи. Между зеркалами на пути световых лучей расположено приспособление, служащее для вдвигания на путь световых лучей разноцветных стеклянных кругов (светофильтров), окрашивающих воду фонтана в желаемый цвет.

Впервые массовое применение светящихся фонтанов имело место на Парижской выставке в 1889 г., где было устроено 66 вертикальных светящихся фонтанов и 14 вытекающих горизонтальных ключей с 300 освещаемыми соплами трубок. Все управление фонтанами и их окраской было сосредоточено на выставке в одном месте и производилось с помощью электродвигателей и электромагнитов, включаемых электротехником, которому были видны все фонтаны и который легко мог достигать желаемых сочетаний и контрастов в их окраске.

Позднее с помощью ламп накаливания с окрашенными колбами устраивали домашние, комнатные светящиеся фонтаны самых различных форм и декоративного назначения.

В настоящее время свойство светящихся фонтанов широко используется в театральной практике для создания различных сценических эффектов. Так, например, в одной из картин пьесы Н. Погодина «Третья патетическая» весьма правдоподобно изображается цех большого металлургического завода. Струя льющегося металла здесь не что иное, как струя воды, освещенная сильным источником света через красный фильтр. Раскаленные брызги металла— всего-навсего разбрызгиваемая вентилятором вода из светящегося фонтана. Вся производственная обстановка в этой сцене создана при помощи соответствующих световых и звуковых эффектов.

В современных оптических приборах широко используются призмы полного внутреннего отражения, которыe являются наиболее совершенными зеркалами вследствие малых потерь светового потока на поглощение в оптическом стекле. Простая прямоугольная призма полного внутреннего отражения (рис. 192, а)


[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]



отражает под углом 90° (или 180°) все лучи, падающие на ее грани, образующие прямой угол; причем падающий и отраженный лучи будут лежать в одной плоскости. Если же изготовить прямоугольную призму как срез одного из трехгранных прямых углов куба (рис. 192, б), то она будет отражать всякий падающий на нее луч к источнику, независимо от направления падения.

Действующую таким образом призму можно получить и более простым способом, если склеить три плоских зеркала так, чтобы их зеркальные поверхности образовали трехгранный прямой угол. Такие призмы носят название трипль-призм и могут использоваться для световой сигнализации.

Например, во время первой мировой войны наборы таких отражающих призм были предложены для целей мореплавания. Флагманский корабль обследует горизонт прожектором (пониженной интенсивности, чтобы не сделать корабли вообще видимыми). Лучи, отраженные кубическими зеркалами, будут видны только с флагманского жорабля, так как они возвращаются назад в том же направлении независимо от расположения зеркал.

Следует заметить, что, если плоское зеркало поворачивать на некоторый угол, изображение в нем будет смещаться. Если же вращать перед собой тройное зеркало, то изображение будет «стоять на месте», т. е. оставаться неподвижным.

Для световой сигнализации это устройство применяется еще следующим образом. На одном пункте помещается прожектор, на другом — тройное зеркало. Связь может осуществляться как днем, так и ночью и притом передача сигналов может происходить в обе стороны, т. е. от прожектора к зеркалу и обратно.

Луч прожектора, упавший на тройное зеркало, отразится обратно, и человек, передающий сигнал, его увидит. Этот луч увидит и тот, кто находится около тройного зеркала. Когда сигнал от прожектора к зеркалу будет передан, луч прожектора оставляют неподвижным, и наблюдатель, находящийся у тройного зеркала, периодическим экранированием последнего или прерыванием луча будет вызывать сверкание тройного зеркала, видимое от прожектора и воспринимаемое как ответный сигнал.

Известны устройства, состоящие из множества мелких, прилегающих друг к другу элементов, действующих по принципу полного внутреннего отражения светового потока, под общим названием катафоты. Эти последние находят широкое применение в различных видах транспорта. Например, на защитном козырьке заднего колеса велосипеда устанавливается круглое, красное, рифленое стекло (рис. 193, слева),





которое отражает свет фар автомобиля обратно и позволяет шоферу видеть ночью, что впереди его по дороге движется велосипедист (красная стоп-линза). Группа таких прямоугольных, треугольных и круглых цветных стекол, закрепленных в определенном порядке на вертикальном щите, установленном на обочине шоссе, может образовать тот или иной дорожный знак — поворот шоссе, ж.-д. переезд и т. п. Такой дорожный знак будет светиться ночью, отражая свет автомобильных фар движущихся по шоссе машин, и будет виден ничуть не хуже, чем днем.

Цветные катафоты изготовляются из стекла или плексигласа путем прессовки их в формах; они могут не обладать высокой оптической точностью, но должны быть дешевы и доступны для массового применения.

На речных бакенах и различных других навигационных и дорожных знаках с успехом могут применяться простейшие катафотные устройства из алюминиевой фольги (рис. 193, справа) с закрепленными между слоями прозрачного синтетического лака стеклянными шариками диаметром 0,09 — 1,4 мм;число шариков доходит до 50 на 1 мм2. Лучи света, падающие на эту фольгу, преломляются и отражаются в пределах плоского угла около 80°, и бакен с такой фольгой прекрасно виден в результате эффективного отражения светового потока корабельного прожектора или фары.

Светящаяся фольга в отличие от других типов катафотов не требует ремонта и тщательного ухода.

Световоды и волоконная оптика. Одновременно с появлением первых светящихся фонтанов стало известно, что не только струя воды, но и изогнутый сплошной стеклянный стержень проводит вдоль всей своей длины световой поток с относительно малыми потерями на поглощение и рассеяние. Первое время (а иногда и теперь) такие стеклянные стержни называли светопроводами или световодами (по аналогии с волноводами коротких радиоволн).

Один из известных пионеров электрического освещения, замечательный русский электротехник-изобретатель, основатель и первый редактор журнала «Электричество» В. Н. Чиколев в 1877 г. для освещения цехов Охтенского порохового завода в Петербурге применил своеобразную систему светопроводов и назвал ее «системой канализации электрического света». Установка непосредственно в цехах дуговых ламп была недопустима ввиду возможности воспламенения и взрыва пороховой пыли. Поэтому дуговая лампа предельно большой мощности, достигнутой в то время, была установлена во дворе завода, и ее световой поток с помощью труб из светлой жести направлялся внутрь помещений. Для подвода светового потока к рабочим местам служили установленные под углом в 45° плоские зеркала, в центральной части которых отражающая амальгама отсутствовала (рис. 194),





а на выходных отверстиях устанавливались линзовые рефракторы (преломлятели) световых лучей. Позднее подобное же устройство В. Н. Чиколев предложил для освещения широкой театральной рампы при помощи одной установленной в центре сцены электрической свечи П. Н. Яблочкова.

В дальнейшем, особенно для освещения взрывоопасных помещений, было предложено множество систем светопроводов, подобных чиколевским, но лишь незначительная часть из них нашла практическое применение.

Одной из интересных областей применения светопроводов в настоящее время является приборостроение. Здесь для освещения шкал приборов, индексов, контрольных окон и т. п. широко используются светопроводы из стекла, плексигласа и различных прозрачных пластмасс. Изгиб светопроводов из стекла и плексигласа, имеющих показатель преломления 1,48 — 1,5, для получения более эффективного их действия должен соответствовать условиям, указанным на рис. 195.





Так, радиус изгиба светопровода должен быть больше его двойной толщины, а при изгибе пластины под углом последний должен быть 48° или меньше. Необходимо, чтобы на сгибах не нарушалось условие полного внутреннего отражения.

Для освещения шкал приборов можно использовать светопровод, изогнутый в кольцо, диаметром несколько большим, чем диаметр шкалы. Такой светопровод и лампочку накаливания, освещающую его, обычно искусно прячут за оправой шкалы. Для освещения внутренних полостей приборов или сосудов, где недопустима непосредственная установка электрических источников света или необходимо особое распределение светового потока, применяют светопроводы из прозрачных материалов, подобных показанному на рис. 196.





При освещении индексов, марок и других различных знаков на приборах могут встретиться три варианта преломления и отражения света одиночными призмами.

Если угол, образованный гранью призмы с горизонтальной плоскостью (рис. 197, а),





будет меньше 42,2°, то световые лучи, падающие на призму, преломляются ею и освещают плоскость под призмой. Если угол между гранью призмы и плоскостью будет заключен в пределах между 42,2° и 45,9°, то световые лучи будут отражаться призмой по направлению падения этих лучей (рис. 197, б), и призма будет казаться светящейся. Если же угол между призмой и горизонтальной плоскостью будет находиться в пределах от 45,9° до 74° (рис. 197, в), то лучи будут преломляться призмой и освещать плоскость перед призмой, сама же призма будет казаться темной.

Заметим, что увеличение толщины светопровода около источника света позволяет получить наибольший световой поток, выходящий из светопровода (рис. 198).





Поэтому, когда светопровод на участке выхода светового потока должен иметь малое сечение, вблизи к источнику света сечение светопровода, воспринимающее падающий поток, стремятся увеличить (рис. 199).





Заметим также, что если поверхность светопровода сделать шероховатой или умышленно покрыть узорами, то весь световой поток будет рассеиваться и поглощаться на небольшом удалении от источника (рис. 200, а),





а при наличии тех же узоров, но находящихся внутри светопровода с полированными поверхностями световой поток будет проходить по светопроводу на большее расстояние от источника (рис. 200, б).

Представляет интерес устройство в виде экрана, на котором мгновенно появляются различные рисунки.

Так, например, сначала видна пустая хрустальная ваза, затем вдруг она наполняется фруктами, затем ваза и ее подставка украшаются цветами и т. д.

Для получения этой иллюзии взяты плоские, прозрачные стекла, образующие общий пакет, на каждом из этих стекол методом травления или гальванического полупрозрачного покрытия нанесен рисунок. Сначала через щелевую диафрагму снизу (или через две диафрагмы, снизу и сверху) освещается торец переднего стекла и на нем становится видно изображение вазы, затем через расширившуюся щелевую диафрагму освещаются торцы двух передних стекол — в вазе появляются фрукты — и, наконец, через еще более широкую диафрагму освещаются три стекла и т. д.

Совершенно необычное, иллюзорное действие производит явление полного внутреннего отражения света в устройствах волоконной оптики. Эта новая область оптической техники позволяет достигнуть оригинальных и порой очень значительных результатов не только в передаче на расстояние светового потока, но также и оптических изображений. В волоконной оптике в качестве световодов используются пучки тончайших нитей, выполненных из стекла или прозрачной пластмассы. Диаметр одной нити выбирается в пределах от 50 до 5 мкм. Для сравнения заметим, что средний диаметр волоса человека равен 60 мкм (0,06 мм). Волокна диаметром в 5 мкм, очевидно, близки к нижнему пределу, потому что при диаметре, равном длине световой волны, они перестают пропускать свет посредством полного внутреннего отражения и действуют подобно волноводу, применяемому в радиотехнических устройствах. В этом случае имеет место значительная утечка световой энергии, что в конечном счете приводит к искажению передаваемого изображения.

Пучки волокон, образующие световод, состоят из плотно прилегающих друг к другу стеклянных нитей без воздушной прослойки между ними. Чтобы исключить возможность перехода света из одного волокна в соседнее, каждое волокно выполняется двухслойным. Внутренняя часть волокна изготовляется из материала с большим показателем преломления, а внешнее покрытие из стекла или пластмассы — с меньшим показателем преломления. Если пучок из оптических волокон набран так, что волокна на его концах размещены совершенно одинаково, его называют «когерентным»— это значит, что разность фаз колебаний за время наблюдений сохраняется неизменной. Когерентные пучки обладают наиболее ценными оптическими свойствами, однако сборка их производится вручную, а это сильно увеличивает стоимость светопроводов.

Хаотическое же расположение оптических волокон в пучке в значительной степени снижает эффективность применения волоконной оптики. Количество волокон, образующих квадратный пучок (рис. 201)





со сторонами в 5 см при диаметре волокон 5 мкм, порядка ста миллионов штук. Для образования прочного монолитного пучка с торцов волокна сплавляют.

В зависимости от технических требований светопровод может давать либо рассеянный пучок света, либо пучок, сконцентрированный в малом телесном угле. Схема работы волоконного светопровода такова. Световой поток от мощного источника света (солнце, дуговая лампа) (рис. 202)





концентрируется на входном коническом торце (1) волоконного световода и из него попадает в световод (2), по которому и подводится в заданную точку.

Выходной торец световода (2) может иметь головку широкого (А) или концентрированного (Б) светораспределения.

В настоящее время находят применение волоконные световоды длиной 6—7 м при прямоугольном сечении со стороной 1—3 см. Кроме того, изготовляются сплавные волоконные пластины толщиной до 10 мм и диаметром 12— 20 см. Размеры изделий волоконной оптики ограничены, во-первых, сложностью изготовления и, во-вторых, характером физических процессов, происходящих в оптических волокнах. Дело в том, что чем длиннее волокно, тем больше потери света. Любое стекло не обладает абсолютной прозрачностью; кроме того, в стекле имеются деформации, микроскопические трещины и пузырьки, из-за чего нарушаются условия полного внутреннего отражения,— свет попадает на соседние волокна и рассеивается там.

Разрешающая способность волоконной оптики определяется диаметром волокон и она тем больше, чем тоньше волокно.

Пучок волокон не допускает многократных изгибов из-за возможности обрыва большого числа нитей. В промышленных образцах изделий из волоконной оптики пучок нитей заключается в твердую оболочку, обычно из гофрированного металла, ограничивающего подвижность пучка. Отдельные волокна, образующие пучок, смазываются специальным составом, уменьшающим трение между ними, что позволяет сделать пучок достаточно гибким.

Световоды из указанных выше материалов хорошо пропускают лучистую энергию волн длиной от 0,4 до 2,5 мкм, т. е. лучи видимого света и инфракрасные.

Ультрафиолетовые лучи через волоконную оптику не проходят.

Устройства, содержащие волоконные оптические системы, уже теперь имеют довольно широкое применение.

Наиболее широкое распространение получили электронно-лучевые трубки с экранами из оптических волокон. Применение такого экрана позволяет значительно повысить разрешающую способность, яркость и четкость изображения. Применение волоконной оптики позволяет осуществить передачу 85—90% световой энергии.

Пучки волоконной оптики — «фиберскопы» (от слов: фибер — пучок, скопия — видеть, рассматривать) — нашли применение в медицине. С помощью тонкого, диаметром меньше сантиметра, фиберскопа оказалось возможным проводить визуальные исследования различных полостей тела человека. Желудочный зонд из оптических волокон устроен так, что половина волокон служит световодом для освещения полости желудка, а другая половина волокон, не освещаемая извне, передает изображение внутренней полости желудка. Фиберскопы применяют для контроля и осмотра трудно доступных частей различных механизмов. Так (по материалам иностранной печати) был сконструирован зонд для дистанционной проверки «горячего» ядерного реактора. Плоская лента фиберскопа длиной 2,7 м состояла из 5 слоев, каждый шириной 7,5 см. Три слоя служили для освещения внутренней полости реактора, а по двум остальным свет поступал к наблюдателю. Разрешающая способность такого зонда 0,05 мм. В ядерных же исследованиях нашли применение волокна, светящиеся под действием удара элементарных частиц или воздействия радиоактивных излучений.

Камера, содержащая такие волокна из специальной пластмассы и фотоумножители на выходных концах волокон, позволяла улавливать очень слабое свечение, которое другим способом зарегистрировать не удавалось.

Волоконная оптика используется для индикаторов радиолокационных станций, что позволяет вдвое и более увеличить разрешающую способность индикаторов и уменьшить их вес и габариты.

Интересно использование волоконной оптики для кодирования или шифрования различных сообщений. Если волокна в пучке будут не параллельны, изображение, передаваемое на другой конец фиберскопа, исказится настолько, что доступными методами восстановить его будет невозможно. Чтобы расшифровать сигнал, нужно в дешифраторе установить фиберскоп, у которого закон переплетения волокон будет таким же, как и в шифраторе. Если волокна, образующие пучок, расположить так, как показано на рис. 203,





то изображение, принятое в одной форме, можно преобразовать в более удобную для записи или считывания. Конвертер из волоконной оптики преобразует прямоугольное изображение в линейное или круглое.

Волоконная оптика все шире начинает применяться в вычислительной технике, где весьма эффективно вместо низкочастотных электрических импульсов могут использоваться импульсы света, идущие по световоду, а запоминающим устройством может служить электронно-лучевая трубка с экраном из волокон. Использование генераторов света типа лазеров и волоконной оптики позволяет значительно повысить скорость работы и объем памяти вычислительной машины: так, длительность импульса лазера с волоконной оптикой около 0,5 мксек.

Большое значение волоконная оптика может иметь для космической связи и навигации.

----

Статья из книги: Иллюзии зрения | 3-е издание | Артамонов И.Д.