Folii de zonă

Folie de zonă binară: zonele inelelor, atât luminoase, cât și întunecate, sunt aceleași.

Sine Zone Plate: Acest tip are o singură focalizare.

O folie Fresnel este un dispozitiv capabil să focalizeze lumina. Spre deosebire de lentile, plăcile de zonă funcționează prin difracție și nu prin refracție . A fost realizat de Fresnel de unde și numele lor. Capacitatea de focalizare a plăcii zonate este o extensie a fenomenului spotului luminos Arago cauzat de difracția de pe un disc opac.

O folie de zonă constă dintr-un set de coroane circulare concentrice transparente și netransparente, cunoscute sub numele de zone Fresnel, care alternează. Lumina care lovește folia zonei se difera în jurul zonelor opace. Zonele pot fi distanțate în așa fel încât lumina difuză interferează în mod constructiv în focalizarea dorită, creând o imagine. Foliile de zonă produc modele de difracție echivalente: nu contează dacă zona centrală este transparentă sau netransparentă, atâta timp cât zonele alternează în opacitate.

Proiectare și fabricație

Pentru a obține o difracție constructivă în focar, zonele opace și transparente trebuie să alterneze radial în corespondență cu următoarele raze

r_{n}={\sqrt {n\lambda f+{\frac {n^{2}\lambda ^{2}}{4}}}}

{\ displaystyle r_ {n} = {\ sqrt {n \ lambda f + {\ frac {n ^ {2} \ lambda ^ {2}} {4}}}}}

r_ {n} = {\ sqrt {n \ lambda f + {\ frac {n ^ {2} \ lambda ^ {2}} {4}}}}

unde „n” este un număr întreg, lambda este lungimea de undă a luminii pe care folia este destinată să se concentreze și „f” este distanța de la centrul foliei la focalizare. Când placa de zonă este mică în comparație cu distanța focală, această distanță poate fi aproximativă

r_{n}\simeq {\sqrt {nf\lambda }}

{\ displaystyle r_ {n} \ simeq {\ sqrt {nf \ lambda}}}

r _ {{n}} \ simeq {\ sqrt {nf \ lambda}}

.

Pentru foi cu mai multe zone, distanța de la focalizare poate fi calculată pur și simplu prin cunoașterea razei zonei celei mai exterioare, r _N , și lățimea acesteia

f={\frac {2r_{N}\Delta r_{N}}{\lambda }}

{\ displaystyle f = {\ frac {2r_ {N} \ Delta r_ {N}} {\ lambda}}}

f = {\ frac {2r _ {{N}} \ Delta r _ {{N}}} {\ lambda}}

Pentru a obține o interacțiune constructivă totală în focar, amplitudinea undelor luminoase refractate de fiecare zonă a foliei trebuie să fie aceeași. Aceasta înseamnă că pentru o folie iluminată uniform, zona zonelor trebuie să fie aceeași.

Deoarece zonele zonelor sunt aceleași, grosimea acestora trebuie să scadă departe de centru. Rezoluția unghiulară maximă posibilă a unei foi de zonă depinde de grosimea celui mai mic inel

{\frac {\Delta l}{\Delta r_{N}}}=1.22

{\ displaystyle {\ frac {\ Delta l} {\ Delta r_ {N}}} = 1,22}

{\ frac {\ Delta l} {\ Delta r _ {{N}}}} = 1,22

Din această cauză, cel mai mic obiect care poate fi reprodus este definit de cât de mici sunt suprafețele care pot fi realizate.

Foliile de zonă sunt produse frecvent folosind tehnica litografiei . Pe măsură ce tehnologia litografică se îmbunătățește și dimensiunea articolelor care pot fi litografiate scade, la fel se îmbunătățește rezoluția inerentă a foliilor de zonă produse cu această tehnică.

Spre deosebire de lentilele standard, o foaie de zonă binară produce puncte de intensitate maximă de-a lungul axei foii, puncte care pot fi determinate cu următoarea relație

f_{n}={\frac {f}{2n+1}}

{\ displaystyle f_ {n} = {\ frac {f} {2n + 1}}}

f_ {n} = {\ frac {f} {2n + 1}}

chiar dacă intensitatea lor este mai mică decât cea a focalizării principale. Cu toate acestea, dacă placa zonei este construită astfel încât opacitatea să varieze într-un mod sinusoidal, difracția rezultată determină formarea unui singur punct focal. Acest tip de model de difracție a plăcilor de zonă este echivalentul unei holograme a unui obiectiv convergent.

Pentru o folie de zonă netedă, opacitatea (sau transparența) la un punct poate fi dată de

{\frac {1\pm \cos(kr^{2})}{2}}

{\ displaystyle {\ frac {1 \ pm \ cos (kr ^ {2})} {2}}}

{\ frac {1 \ pm \ cos (kr ^ {2})} {2}}

Plăcile de zone binare folosesc aproape aceeași formulă, dar totuși depind de semn.

{\frac {1\pm \operatorname {sgn}(\cos(kr^{2}))}{2}}

{\ displaystyle {\ frac {1 \ pm \ operatorname {sgn} (\ cos (kr ^ {2}))} {2}}}

{\ frac {1 \ pm \ operatorname {sgn} (\ cos (kr ^ {2}))} {2}}

unde "r" este distanța de la centrul lamelei și "k" specifică scala acesteia.

Aplicații

Fizică

În afara zonei vizibile a spectrului electromagnetic există multe lungimi de undă, unde materialele tradiționale ale lentilelor optice, cum ar fi sticla, nu sunt transparente și, prin urmare, fabricarea lentilelor devine mai dificilă. La fel, există multe lungimi de undă pentru care nu există materiale cu un indice de refracție semnificativ mai mare decât unul. De exemplu, razele X sunt doar slab refractate de sticlă sau alte materiale și, prin urmare, necesită diferite tehnici pentru a fi focalizate. Foliile de zonă elimină necesitatea de a găsi materiale refractive ușor de produs pentru orice regiune a spectrului. Aceeași folie de zonă focalizează lumina multor lungimi de undă pe locații diferite, ceea ce înseamnă că foliile pot fi folosite pentru a filtra lungimile de undă nedorite în timp ce focalizează lumina de interes.

Fotografie

Un exemplu de fotografie făcută cu folii de zonă.

Foliile de zonă sunt, de asemenea, utilizate în fotografie în locul obiectivului sau orificiului camerei întunecate pentru imagini luminoase, ușor nefocalizate. Un avantaj față de camera obscură (în afară de aspectul unic și moale care se obține cu folia de zonă) este că zona de transparență este mai mare decât cea a unei găuri de cameră obscură comparabile. Rezultatul este că raportul focal efectiv al unei plăci de zonă este mai mic decât orificiul camerei întunecate corespunzător și timpul de expunere poate fi redus.

Elemente conexe

Lentila Fresnel
Rețea de difracție
Marcel Duchamp și discurile sale optice sau mașinile optice pentru Cinematica Anémic

linkuri externe

Placă de zonă: O explicație cvasi-științifică , pe ca.geocities.com (arhivată din original la 11 august 2006) .
Realizarea unei plăci de zonă fotografică , pe glsmyth.com . Adus la 31 mai 2009 (arhivat din original la 20 februarie 2009) .
Exemple de fotografii cu plăci de zonă , pe zoneplate.de . Adus la 18 iulie 2019 (arhivat din original la 19 aprilie 2017) .
Telescopul ar putea focaliza lumina fără oglindă sau lentilă New Scientist
Arndt Last, folii Zone pentru raze X , la x-ray-optics.de . Adus pe 21 noiembrie 2019 .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica