среда, 3 февраля 2016 г.

11. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 11

Эту часть, как и обещал, начну с "апертуры". А рассуждать буду с позиции "простого человека".
 

К волокну мы еще вернемся а пока... Вы не задавались вопросом: "На чём едет или переносится изображение от объекта в глаз, на пленку или на матрицу камеры?". Я имею в виду "лошадку", несущую груз.

Простенький такой вопрос, на который уже есть множество вариантов ответа. А я вот не поверю в имеющиеся ответы и сейчас буду "изобретать велосипед". Для этого буду задавать сам себе наводящие глупые вопросы и сам же попытаюсь найти ответы. Ну, а самый каверзный вопросик приберегу на конец своего допроса. Поехали.



Смотрим на картинку выше и спрашиваем себя - фотоаппарат, словно живой, "видит" кубик?
Ведь изображение каким-то образом приходит же на матрицу фотоаппарата. Говорят, его приносят лучи или "корпускулы света".

Просто такая теория есть

Еще не определившись с тем, что же приносит информацию о кубике в фотоаппарат, назову этого переносчика просто "грузовиком". Но буду считать в уме "грузовик" лучом или корпускулой света.

Вопрос далее: "Как грузовики считывают (забирают) информацию с объектов?".
Ответ простой: "При столкновении с объектом грузовик (фотон) теряет часть энергии, а оставшуюся несет дальше, отскочив от объекта. Этот остаток энергии и получает от фотона матрица фотоаппарата".

Здесь же можно показать картинку про "температуру света". В градусах Кельвина. Температура - это ведь показатель уровня энергии. Чем больше градусов, тем выше уровень. Буду пока считать так, хотя это тоже спорный, неразобранный вопрос.


"Грузоперевозки" информации от объекта в фотоаппарат идут не только по прямым путям, но и кривыми тропками, то есть ушедшие в сторону "грузовики", отзеркалив от чего-нибудь, тоже могут попасть в итоге на поверхность матрицы в фотике. То есть рассеянный свет (с информацией об объекте + информация о другом месте отскока) тоже может попасть в фотоаппарат.
Все эти шарики фотонов можно представить в виде цветных точек, и точки падают на матрицу фотика за единицу времени - пока открыт затвор.

Из точек складывается изображение
А движение множества "грузовиков" (фотонов) можно представить так, как на рисунке ниже указано стрелками. Миллионы стрелок загромоздили бы рисунок, поэтому указано только несколько путей:

Желтые стрелки - это свет, идущий от ламп. Слева матрица фотоаппарата.
Много раз отразившись, огромное количество информации про кубик и другие объекты приходит к матрице. Таким образом в каждую точку матрицы бьет не один фотон. Но главная ударная сила всё же идет по прямой от кубика к матрице.


Вид со стороны матрицы фотоаппарата
Можно заметить отражение стен на кубике - это информация отскока "грузовиков" от стен


То есть мы не получаем на матрице фотика совершенно точную картинку кубика, а еще имеем искаженную информацию от других объектов в виде бликов или отражений. И бывает так, что "чужая" информация совсем забивает прямую информацию, если кубик недостаточно освещен спереди.
Например, для получения полного эффекта забивания прямой информации о кубике можно лампочки позади включить, а вспышку спереди выключить - получим только силуэт кубика, а его "лицо" не будет сообщать о себе матрице фотоаппарата.
То есть получится эффект как на фото ниже.


Следующий вопрос почемучки: "Как матрица фотика понимает то, что принес грузовик"?

Мой ответ: "Каждый грузовик или фотон (корпускула) имеет разную энергию, то есть бьет по матрице по-разному. По точкам от попадания этих разносильных ударов матрица строит всю картинку". Кстати, так же устроено понимание света в программе 3DMax и, наверное, в других подобных программах.

Теперь каверзный вопрос: "Если свет может так переносить информацию на себе, то смогут ли так же переносить информацию другие носители? К примеру, теннисный шарик или вода?".
Мой ответ: "Свою энергию силой удара могут передать многие предметы и тела. Остается только выбрать подходящую матрицу и бомбардировать ее своими дурацкими предметами с разной силой. И если бы предметы хорошо отскакивали и рикошетили, то можно было бы получать сходный с фотонами на матрице фотоаппарата эффект".

Напомню для смеха общий опыт про то, что простой отскок теннисного шарика может показать твердость стенки.

А вода вот не может многократно отскакивать, прилипает. Может быть можно было бы попробовать метать молекулы воды со скоростью звука? Ведь, как известно, свет и звук похожи по свойствам. Поэтому "звук" тоже может "рисовать" на особой матрице изображение. Это используется в радиолокаторах и в УЗИ.

Именно задаваясь "глупыми" вопросами можно раздвигать рамки своего мировоззрения.



Теперь время вернуться к апертуре.
Официальное определение параметра "апертура" коротко звучит так: "Отверстие".
А не коротко звучит немного многословно и делится на несколько отдельных определений: входная апертура, выходная апертура, числовая апертура, угловая апертура, апертурный угол, апертура объектива.

С последнего определения, апертура объектива, и начну разбирать это загадочное слово "апертура". На примере фотоаппарата, естественно.

Апертура объектива - это настраиваемое отверстие, сквозь которое свет проходит к пленке (или цифровому сенсору)
Апертура объектива - это настраиваемое отверстие,
сквозь которое свет проходит к пленке (или цифровому сенсору)
На картинке выше "большая апертура" у полностью открытого объектива и "маленькая апертура" у почти закрытого объектива. К примеру f/22 означает деление f на 22. Мы пока на этом не заморачиваемся, если не совсем понятны цифры.
Позже, конечно, будет и про апертуру в волоконной оптике, тогда и посмотрим, что в ней интересного там.

А пока подумаем о свете и лучах и просто посмотрим на стандартную схему ниже:
Апертура


Далее нижняя картинка поможет представить работу диафрагмы фотоаппарата. 

Работа диафрагмы
При полностью открытой диафрагме внутрь фотоаппарата проникает больше лучей. То есть кадр получится светлее. Но шарик (объект съемки) не будет совершенно четким из-за паразитных, непрямых лучей, искажающих информацию о шарике. Глубина резкости кадра будет небольшой.

Изменим диафрагму до минимума и получится, что фотографируемый шарик будет четче при такой малой апертуре, но темнее будет всё фото. Лучей-то меньше придет к матрице. Зато резкость кадра будет намного глубже. Ведь к матрице приходят только прямые лучи от объектов.

Кажется, что при самой маленькой апертуре (диафрагма максимально прикрыта) можно получить самый четкий снимок, но это не так. Фотографы утверждают, что самая малая апертура дает размытый снимок. И объясняют это рефракцией, то есть расслоением лучей при проходе через объектив. Но мы же никому не верим и попробуем проверить это утверждение простыми вопросами, расслаивающими это объяснение фотографов на составляющие.

Первый вопрос: "При открывании диафрагмы чуть шире те же лучи продолжают идти так же, как и при минимуме диафрагмы, но рефракция лучей уже не заметна - нет размытия снимка. Почему?".

Пробую ответить: "Рассматривая наилучший результат резкости кадра, можно сказать, что лучи в таком случае идут прямо от фотографируемого объекта, и вдобавок с ними идут непрямые лучи с дополнительным усилением информации об объекте. То есть к матрице приходит минимум паразитного света".
Второй вариант ответа: "Часть лучей не "бьется" о край диафрагмы и не рассеивается, нарушая общий прямой поток света".
Третий вариант ответа: "Окно диафрагмы не меньше матрицы".

Таким образом, по моей непрофессионально логике, размытие снимка при самой малой апертуре может указывать на то, что маленькое отверстие диафрагмы не обеспечивает прямое, без искажений, прохождение лучей через объектив к матрице от объекта.  Отверстие диафрагмы, возможно, оказывается меньше размера принимаемой матрицы, и, возможно, стекло линз как бы слегка растягивает изображение, размазывая его при этом.
 

Второй вопрос: "Может производители фотоаппаратов не говорят всю правду?".
Мой ответ: "Даже при самом малом отклонении луча от прямого пути при прохождении через стекло объектива часть силы луча расслаивается. Это действительно рефракция, но это не вся правда о причине размытия снимка. Скорее сказывается эффект нехватки света, как при ночной съемке. Это уже вопрос к "прозрачности" стекол и к точности конструкции объектива. А также вопрос к качеству матрицы".
А производителям так хочется выглядеть лучше всех! :)

Третий глупый вопрос: "А зачем сильно занижать апертуру у фотоаппарата?".
Ответ нахожу такой: "При изучении макросъемки оказывается, что для получения наилучшего снимка при макросъемке важна минимальная диафрагма объектива. Благодаря ей получается оптимальная четкость изображения и глубина резкости". Вот так - этот параметр (лиафрагма) становится сильно важен для рекламы возможностей фотика.

Макросъемка

Не буду дальше копать в области фотографии. Просто перехожу к числовой апертуре. В этот раз она будет относиться уже к оптоволокну и необходима для ввода света в волокно.

Чуть напугаю формулами.
Формула числовой апертуры может немного отличаться у разных теоретиков и производителей. Например, она может выглядеть так:
 NA=n0 sin θm=( n12- n22)1/2≈[2 n1(n1- n2)]1/2 , где:


Это оптическое волокно

n1 – показатель преломления волокна сердцевины
n2 – показатель преломления волокна оболочки
n0 – показатель преломления окружающей среды
θпр – предельный угол внутреннего отражения
θm – наибольший угол падения лучей, испытывающих полное внутреннее отражение
Или формула может выглядеть так:



Логически понятно, что оптические волокна с большой апертурой (как бы с большим входным отверстием) и большим диаметром жилы легче принимает много света, чем волокно с меньшей апертурой или меньшим диаметром жилы.
Вроде бы толстое волокно с толстой жилой выглядит предпочтительнее для использования? Не тут то было!

Недостатком волокна с такими "толстыми" параметрами является большая дисперсия (рассеяние) света, введенного в сердечник, а следовательно, и снижение полосы пропускания (про полосу пропускания поговорим позже).

Вот так выглядит дисперсия света призмой:




Покажу заодно виды дисперсии, как говорится, для общего развития:
Теперь припоминаем про размытость снимка при маленькой диафрагме объектива фотоаппарата и соотносим эти знания с фактом про волокно о том, что волокно с меньшей апертурой или маленьким диаметром жилы будет иметь большую полосу пропускания, чем "толстое" волокно.
А всё потому, что в "тонкую" (одномодовую) жилу входят относительно параллельные лучи света и при их движении  вдоль волокна дисперсия (рассеивание, расслоение лучей) будет меньше, чем при лучах, бегущих зигзагами. Распространение только одного прямого, невиляющего луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. А именно такая дисперсия имеет наибольшее отрицательное влияние на полосу пропускания. Смотри такое "тонкое" волокно на картинке ниже:

Одномодовое "тонкое" волокно - лучи бегут по жиле прямо, не виляя
"Тонкое" - это в смысле тонкожильное.

В противовес сказанному выше, на картинке ниже показано, что лучи в волокне с толстой жилой (вспомним также большую, раскрытую диафрагму фотоаппарата) приходят к финишу не одновременно, а некоторые лучи достигают конца световода с некоторой задержкой. Это и называется эффектом межмодовой дисперсии.

Многомодовое "толстое" волокно - лучи бегут не только прямо, но и зигзагами
"Толстое" - в смысле толстожильное
Возвращаемся к апертуре. Почему же она так важна всё таки?
Дело в том, что недостатком одномодового волокна является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры) с более узким пучком света, и в более точном выравнивании лазера и сердечника (жилы волокна).
А в многомодовое волокно при большой апертуре (большое входное отверстие - воронка) можно заводить свет гораздо проще. Важность в экономии денег.

Многомодовое волокно
Итак, в этой части мы прикоснулись к апертуре. Причем я попытался немного связать похожие оптические термины из разных областей техники для более широкого понимания вопроса.

Рекомендую и вам в своей работе использовать такую методику "смешивания" разных областей знания, чтобы получать дополнительные невидимые "замыленному глазу" штрихи к уже известному "портрету" проблемы.

На этом пока останавливаюсь про апертуру, но не прекращаю ее припоминать и далее.
Продолжение про волоконную оптику еще будет.

А пока предлагаю расслабиться за просмотром коротенького простого видео про оптическое волокно.



Благодарю за внимание. До встречи в новых частях блога.
С уважением, Виктор Мирошкин.

P.S. - исправлено 11.03.2106