Zonenplatte

Binärzonenplatte: Die Bereiche jedes hellen und dunklen Rings sind gleich.
Sinuszonenplatte: Dieser Typ hat einen einzigen Brennpunkt.

A Zonenplatte ist ein Gerät, das verwendet wird Fokus Licht oder andere Dinge mit Wellencharakter.[1] nicht wie Linsen oder gekrümmte Spiegel, Zonenplatten verwenden Beugung Anstatt von Brechung oder Betrachtung. Basierend auf der Analyse durch den französischen Physiker Augustin-Jean Fresnel, sie werden manchmal genannt Fresnel -Zonenplatten zu seiner Ehre. Die Fokussierungsfähigkeit der Zonenplatte ist eine Erweiterung der Arago Spot Phänomen, das durch Beugung von einer undurchsichtigen Scheibe verursacht wird.[2]

Eine Zonenplatte besteht aus einer Reihe konzentrischer Ringe, bekannt als als Fresnel -Zonen, die sich zwischen Sein abwechseln undurchsichtig und transparent. Das Licht, das auf die Zonenplatte schlägt, wird um die undurchsichtigen Zonen gebeugt. Die Zonen können so verteilt werden, dass das diffraktische Licht konstruktiv stört beim gewünschten Fokus schafft eine Bild dort.

Design und Herstellung

Um konstruktive Einmischung im Fokus zu erhalten, sollten die Zonen bei Radii von undurchsichtig auf transparent wechseln, wo[3]

wo n ist ein ganze Zahl, λ ist das Wellenlänge des Lichts soll sich die Zonenplatte konzentrieren und f ist der Abstand von der Mitte der Zonenplatte bis zum Fokus. Wenn die Zonenplatte im Vergleich zur Brennweite klein ist, kann dies als angenähert werden

Für Platten mit vielen Zonen können Sie den Abstand zum Fokus berechnen, wenn Sie nur den Radius der äußersten Zone kennen. rNund seine Breite, ΔrN:

In der langen Brennweitengrenze ist die Fläche jeder Zone gleich, da die Breite der Zonen weiter vom Zentrum abnehmen muss. Das maximal mögliche Auflösung einer Zonenplatte hängt von der kleinsten Zonenbreite ab,

Aus diesem Grund können Sie das kleinste Objekt, das Sie abbauen können, δl, ist begrenzt, wie klein Sie Ihre Zonen zuverlässig machen können.

Zonenplatten werden häufig mit Verwendung hergestellt Lithografie. Wenn sich die Lithographie -Technologie verbessert und die Größe der Merkmale, die hergestellt werden können, abnimmt, kann sich die mögliche Auflösung der mit dieser Technik hergestellten Zonenplatten verbessern.

Kontinuierliche Zonenplatten

Im Gegensatz zu einer Standardlinse erzeugt eine Binärzonenplatte entlang der Achse der Platte bei ungeraden Fraktionen eine Intensitätsmaxima (f/3, f/5,, f/7 usw.). Obwohl diese weniger Energie (Zahlen des Flecks) enthalten als der Hauptfokus (weil sie breiter ist), haben sie die gleiche maximale Intensität (Zählungen/m2).

Wenn die Zonenplatte jedoch so konstruiert ist, dass die Opazität allmählich, sinusförmiger Weise variiert, führt die resultierende Beugung nur zu einem einzelnen Fokuspunkt. Diese Art von Zonenplattenmuster ist das Äquivalent von a Übertragungshologramm einer konvergierenden Linse.

Für eine glatte Zonenplatte kann die Deckkraft (oder Transparenz) an einem Punkt gegeben werden durch:

wo ist der Abstand vom Plattenzentrum und bestimmt die Skala der Platte.[4]

Binärzonenplatten verwenden fast dieselbe Formel, hängen jedoch nur vom Zeichen ab:

Freier Parameter

Für die konstruktive Störung ist es keine Rolle, was die absolute Phase ist, sondern nur, dass sie von jedem Ring gleich ist. Daher kann allen Pfaden eine willkürliche Länge hinzugefügt werden

Diese Referenzphase kann ausgewählt werden, um sekundäre Eigenschaften wie Seitenlappen zu optimieren.[1]

Anwendungen

Physik

Es gibt viele Wellenlängen von Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs der elektromagnetisches Spektrum wo traditionell Linse Materialien wie Glas sind nicht transparentund so sind die Objektive schwieriger herzustellen. Ebenso gibt es viele Wellenlängen, für die es keine Materialien mit a gibt Brechungsindex signifikant größer als eins. RöntgenaufnahmenZum Beispiel werden nur schwach von Glas oder anderen Materialien gebrochen und benötigen daher eine andere Technik für die Fokussierung. Zonenplatten beseitigen die Notwendigkeit, transparente, refraktive und leicht hergestellte Materialien für jeden Bereich der zu finden Spektrum. Die gleiche Zonenplatte fokussiert das Licht vieler Wellenlängen auf verschiedene Schwerpunkte, was bedeutet, dass sie auch verwendet werden können, um unerwünschte Wellenlängen herauszufiltern und gleichzeitig das Licht von Interesse zu konzentrieren.

Andere Wellen wie Schallwellen und, aufgrund Quantenmechanik, Materiewellen können auf die gleiche Weise fokussiert werden. Wellenplatten wurden verwendet, um Strahlen von Neutronen und Heliumatomen zu fokussieren.[1]

Fotografie

Beispiel eines Bildes mit Zonenplattenoptik.

Zonenplatten werden auch in verwendet Fotografie anstelle von a Linse oder Pinloch Für ein leuchtendes, weiches Fokusbild. Ein Vorteil gegenüber Pinlöcher (abgesehen von dem einzigartigen, unscharfen Aussehen mit Zonenplatten) ist, dass der transparente Bereich größer ist als das eines vergleichbaren Lochs. Das Ergebnis ist, dass das effektive Fnummer einer Zonenplatte ist niedriger als für das entsprechende Loch und das Expositionszeit kann verringert werden. Verbreitet F-Zahlen Für eine Lochkamera endet von von f/150 bis f/200 oder höher, während Zonenplatten häufig sind f/40 und niedriger. Dadurch können handgehalten DSLR Kameras.

Schießereien

Zonenplatten wurden als billige Alternative zu teureren optischen Sehenswürdigkeiten oder Targeting -Lasern vorgeschlagen.[5]

Linsen

Zonenplatten können als bildgebende Linsen mit einem einzigen Fokus verwendet werden, solange die Art des verwendeten Gitters sinusförmiger Natur ist.

Betrachtung

Eine als Reflektor verwendete Zonenplatte ermöglicht es Funkwellen, sich wie durch einen parabolischen Reflektor zu konzentrieren. Dadurch kann der Reflektor flach und so einfacher zu machen. Es ermöglicht auch, dass ein angemessen gemusterter Fresnel -Reflektor spülung an der Seite eines Gebäudes montiert wird, wodurch die Windbelastung vermieden wird, der ein Paraboloid ausgesetzt wäre.

Softwaretest

Eine Bitmap -Darstellung eines Zonenplattenbildes kann zum Testen verschiedener Bildverarbeitungsalgorithmen verwendet werden, wie z. B.:

  • Bildinterpolation und Bildresastabtastung;[6]
  • Bildfilterung.[7]

Ein Open-Source-Zone-Platten-Bildgenerator ist verfügbar.[8]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b c G. W. Webb, I. V. Minin und O. V. Minin, "Variable Referenzphase in diffraktiven Antennen", IEEE -Antennen und Propagation Magazine, vol. 53, Nr. 2, April. 2011, S. 77-94.
  2. ^ Wood, Robert Williams (1911), Physische Optik, New York: Die Macmillan Company, S. 37–39
  3. ^ "Zonenplatten". Röntgendatenheft. Zentrum für Röntgenoptik und Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory. Abgerufen 13. Januar 2015.
  4. ^ Joseph W. Goodman (2005). Einführung in die Fourier -Optik (3. Aufl.). p. 125. ISBN 0-9747077-2-4.
  5. ^ Die neue Inl -Gunight -Technologie sollte die Genauigkeit für Zielschützen, Jäger, Soldaten verbessern, Mike Wall, Idaho National Laboratory, 5. Mai 2010.
  6. ^ https://web.archive.org/web/20060827184031/http://www.path.unimelb.edu.au/~dersch/interpolator/interpolator.html Testen der Interpolatorqualität
  7. ^ http://blogs.mathworks.com/steve/2011/07/22/filtering-fun/ FILTERING FORING - MATLAB Central
  8. ^ https://web.archive.org/web/20200516104605/http://www.realitypixels.com/turk/opensource/#zoneplate Zonenplattengenerator, C -Code. Archiviert aus dem Original am 16. Mai 2020.

Externe Links