Оптический затвор

Опти́ческий затво́р — устройство, предназначенное для управляемого однократного или многократного прерывания или пропускания светового потока.

Время пропускания светового потока в некоторых устройствах (фотоаппарат, кинокамера) может определяться заранее и составлять строго определённую величину; в этом случае её называют выдержкой.

Классификация

По типу срабатывания различают оптические затворы однократного и многократного действия. Однократные оптические затворы применяются, например, в фотоаппаратах, многократные — в кинокамерах, в том числе скоростных.

По принципу действия оптические затворы делятся на механические, электромеханические и магнитооптические.

По быстродействию оптические затворы условно делят на медленные (время срабатывания ~10^-4 c) и быстрые (~10^-5-10^-6 с) и сверхбыстрые (~10^-14 c).

Принцип действия

Ме­ха­нические оптические затворы представляют собой сложные оптико-механические устройства, как правило, двух типов: шторного и центрального.

Центральный затвор типа Synchro-Compur зеркального фотоаппарата «Зенит-4»

Центральный затвор состоит из лепестков (тонких, упругих металлических пластинок) специфической формы, подпружиненных таким образом, что открытие происходит от центра к периферии оптического затвора, а закрытие — в обратном направлении. Это обеспечивает высокую степень равномерности светового потока, проходящего через оптический затвор такого типа, что важно для экспозиции фоточувствительного материала (фотографической плёнки, фотопластинки или, в цифровых фотоаппаратах, матрицы). Обычно такие механические затворы размещают в объективе фотоаппарата, между линзами. Конструкция оптических затворов центрального типа обеспечивают широкий диапазон выдержек, однако уступают шторным оптомеханическим затворам.

Шторные затворы состоят из двух частей (шторок), разделённых щелью, и в исходном состоянии частично перекрывающих друг друга. При срабатывании шторного оптического затвора одна из шторок отходит в сторону, открывая путь световому потоку, а вторая закрывает его по окончании экспозиции. Дальнейшим развитием шторного затвора стал затвор ламельного типа. Преимуществом этих типов затворов является их высокое быстродействие, вплоть до предельно возможных значений для оптомеханических устройств, то есть возможность получения очень коротких выдержек. Недостатком является, в ряде случаев, искажение деталей изображения.

Советский вариант ламельного затвора, установленный в фотоаппарате «Киев-19»

Электронно-оптические затворы

Электронно-оптические затворы представляют собой жидкие кристаллы, заключённые между двумя параллельными или скрещёнными пластинами-поляризаторами. Такие затворы работают как ячейка Керра. Если пластины-поляризаторы параллельны, то затвор закрывается при подаче электрического напряжения, и в активном веществе затвора (с высокой керроевской нелинейностью) возникает эффект двойного лучепреломления, в результате чего происходит сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами ($\vartriangle \Phi =\pi$). Используют также и скрещённые пластины-поляризаторы, при этом при подаче внешнего электрического напряжения затвор наоборот, открывается.

Схема устройства ячейки Керра. А — кювета с прозрачными плоскими торцами, заполненная нитробензолом (B), С, D — электроды, на которые подаётся электрическое напряжение

Некоторые электронно-оптические затворы работают как ячейки Поккельса или Фарадея (магнитооптические затворы). Сверхбыстрые оптические затворы созданы на основе использования мощного поляризованного лазерного излучения, способного вызывать в оптически нелинейной активной среде оптического затвора наведённого дву­лу­че­пре­лом­ле­ния (а не вызванного внешним электрическим полем). Поляризация сигнального луча изменяется, и он проходит через оптический затвор, несмотря на скрещённый поляризатор на входе. Это позволяет достичь высокой частоты переключения оптического затвора, вплоть до 10^-14 с. Сверхкороткие выдержки позволяют фотографировать очень быстрые процессы или явления.

Литература

• Яворский Б. М. Детлаф, А. А. Курс физики. Том III. Волновые процессы, оптика, атомная и ядерная физика. — М. : Высшая школа, 1972.
• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.

Ссылки

• Оптический затвор
• Эффект Керра
• Поляризационные приборы и их применение

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Оптический затвор», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Оптический_затвор» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».