ZÁKLADY OPTIKY, FSI-TZO
GARANT PŘEDMĚTU: PROF. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D. (ÚFI)
VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.; prof. RNDr. Radim Chmelík, CSc. (ÚFI)
JAZYK VÝUKY: čeština / angličtina
TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hodiny přednášek, 2 hodiny cvičení a 2 hodiny laboratoří týdně
ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápočet předpokládá alespoň 75% účasti ve cvičeních, absolvování tří předem
ohlášených písemných testů a všech laboratorních úloh. Zkouška je písemná a ústní.
PREREKVIZITY: Základní kurz fyziky, resp. předmět Obecná fyzika III.
VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Absolvování kurzu poskytne studentům základní znalosti potřebné pro
návrh a orientační výpočet soustav optických prvků včetně posouzení vlnových jevů. V rámci cvičení
se studenti naučí navrhovat vybrané reálné optické soustavy se zaměřením na jejich možná praktická
využití. Laboratorní cvičení umožní získat základní představu o optických jevech a o vlastnostech
optických zobrazovacích a metrologických soustav.
ANOTACE: Kurz je zaměřen na rozšíření a sjednocení znalostí geometrické optiky a vlnové optiky,
získaných v základních kurzech fyziky. Zvláštní pozornost je věnována možným aplikacím, zejména
návrhu optických zobrazovacích soustav a principům a omezením optických metrologických zařízení.
Výuka je doplněna laboratorním cvičením, které poskytuje představu o možnostech a chování
reálných optických zařízení.
PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU
Lekce I – SVĚTLO JAKO ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ
Historie optiky.
Vlnová rovnice pro homogenní izotropní prostředí odvozená z Maxwellových rovnic.
(Rovinné, kulové a válcové vlny. Harmonické vlny. Komplexní notace harmonických vln.
Intenzita světla. Helmholtzova rovnice.)
Polarizace světla. Typy polarizace: lineární, eliptická, kruhová.
Maticový popis polarizace. Stokesův vektor, Jonesův vektor, Jonesova matice.
Lekce II – ŠÍŘENÍ SVĚTLA V IZOTROPNÍM PROSTŘEDÍ
Zákony paprskové optiky: odraz a lom světla. Fresnelovy vzorce pro rozhraní dielektrik.
Totální odraz. Aplikace: planparalelní deska, hranoly, klín, optická vlákna.
Odraz od kovových povrchů.
Lekce III – ZÁKLADNÍ ZÁKONITOSTI OPTICKÉHO ZOBRAZENÍ
Zobrazení lomem a odrazem na kulové ploše v paraxiálním prostoru. Základní charakteristiky
zobrazení: sdružené body, zvětšení, ohniska, hlavní body, ohniskové vzdálenosti.
Zobrazení centrovanou soustavou dvou kulových ploch. Rovnice pro zobrazení vztažené na ohniska a
na hlavní body. Kardinální body optické soustavy; jejich stanovení výpočtem a grafickou konstrukcí
chodu paprsků. Tlustá čočka, tenká čočka.
Zobrazení soustavou čoček. Omezení paprsků optickou soustavou. Telecentrický chod paprsků.
Přenos světelné energie optickou soustavou.
Speciální prvky optických soustav. Teleskopická čočka, koncentrická čočka, čočka s opačnými
polohami hlavních rovin.
Omezení světelných svazků v optické soustavě. Aperturní clona. Vinětace. Vstupní a výstupní pupila.
Zorné pole. Polní clona. Planparalelní deska a její vliv na chod paprsků v optických přístrojích.
Fresnelovy čočky. Světelné filtry. Využití úplného odrazu v optických soustavách: hranoly, optická
vlákna.
Přenos světelné energie optickou soustavou. Základní fotometrické veličiny. Osvětlení obrazu.
Světelnost optického soustavy.
Optické vady zobrazovacích soustav: otvorová vada, zkreslení, astigmatismus a zklenutí, koma,
barevná vada polohy a velikosti.
Maticový popis zobrazení optickou soustavou.
Lekce IV – ZÁKLADNÍ OPTICKÉ PŘÍSTROJE
Oko. Ametropie oka. Lupa. Mikroskopy. Dalekohledy. Rozlišovací schopnost (oko, mikroskop,
dalekohled). Kolimátor, autokolimační dalekohled; příklady jejich použití.
Lekce V – OPTIKA ANIZOTROPNÍCH PROSTŘEDÍ
Popis anizotropního prostředí. Šíření světla v anizotropním prostředí. Dvojlom. Polarizátory světla.
Průchod světla planparalelní destičkou. Čtvrtvlnová destička, půlvlnová destička. Polarizační děliče
laserového svazku. Indukovaný (umělý) dvojlom vyvolaný: napětím v pevné látce, koncentrací
roztoku, elektrickým polem, magnetickým polem. Polarizační přístroje.
Lekce VI – ZDROJE SVĚTLA
Tepelné (teplotní) zdroje světla. Zákonitosti záření černého tělesa. Výbojky.
Elektroluminiscenční zdroje. Lasery.
Lekce VII – ZÁKLADY POČÍTAČOVÉ TOMOGRAFIE
Radonova transformace.
Metoda inverzní Radonovy transformace pomocí filtrace digitálních dat.
Lekce VIII – ÚVOD DO VLNOVÉ OPTIKY
Vlnová rovnice, komplexní notace, intenzita světla, skalární teorie, rovinná a kulová vlna, harmonická
vlna, Helmholtzova rovnice a její řešení.
Lekce IX – ZÁKLADY KLASICKÉ TEORIE KOHERENCE
Funkce vzájemné koherence, komplexní stupeň koherence, koherenční délka a šířka, vzájemná
spektrální hustota, spektrální hustota, propagace těchto funkcí, kvazimonochromatické světlo,
vzájemná intenzita, koherenční matice, superpozice dvou vln, Youngův pokus, interference dvou
rovinných vln, kontrast proužků, zobecněná Hopkinsova formule.
Lekce X – PROPAGACE VLNY
Úhlové spektrum koherentní vlny, Weylova reprezentace kulové vlny, propagace vlny pomocí
rozkladu do spektra rovinných vln a pomocí konvoluce, Fresnelův propagátor, RayleighůvSommerfeldův difrakční integrál, parabolická aproximace pro fázi rovinných vln, Fresnelova difrakce –
difrakce na polorovině.
Lekce XI – TRANSFORMACE SVAZKU ČOČKOU
Funkce propustnosti tenké čočky, transformace svazku čočkou, Fraunhoferova difrakce – difrakce na
kruhovém a obdélníkovém otvoru, difrakčně limitované zobrazení čočkou, Rayleighovo kritérium
rozlišení, funkce přenosu (CTF, OTF), bodové rozptylové funkce (APSF, PSF), rozložení intenzity a fáze
světla v okolí ohniska.
Cvičení
Vyjádření harmonických vln komplexními funkcemi. Superpozice dvou lineárně polarizovaných
rovinných harmonických vln.
Výsledek interference světla ze dvou koherentních bodových zdrojů. Závislost tvaru interferenčního
obrazce na vzájemné orientaci a vzdálenosti zdrojů. Šířka interferenčních proužků. Kontrast
interferenčních proužků.
Fraunhoferova difrakce na jedné štěrbině a na více štěrbinách. Fraunhoferova difrakce na kruhovém
otvoru. Rayleighovo rozlišovací kritérium.
Fresnelovy amplitudy odrazu a lomu pro rozhraní dvou dielektrických prostředí. Polarizace světla
odrazem. Odrazivost rozhraní vzduch-sklo.
Průchod světla planparalelní deskou: příčné a podélné posunutí. Hranol jako planparalelní deska.
Popis optické soustavy kardinálními body (ohniska, hlavní body, uzlové body). Konstrukce chodu
zobrazovacích paprsků optickou soustavou (kulovým zrcadlem, tenkou čočkou, soustavou zadanou
kardinálními body). Nalezení kardinálních bodů optické soustavy, tvořené dvěma tenkými čočkami o
známých ohniskových vzdálenostech a o známé vzdálenosti mezi nimi. Konstrukční řešení ověřit
výpočtem. Konstrukce a výpočet parametrů teleobjektivu, tvořeného dvěma tenkými čočkami o
známých ohniskových vzdálenostech.
Odstranění barevné vady v soustavě dvou čoček. Princip konstrukce Huygensova, Ramsdenova a
Kellnerova okuláru.
Maticový popis zobrazení optickou soustavou. Výpočet pro různé případy zobrazovacích soustav.
Rozlišovací schopnost oka, mikroskopu, dalekohledu. Hloubka ostrosti při zobrazení fotografickým
objektivem.
Laboratoře
1. Interference, měření poloměru sférické plochy, rovnost a rovnoběžnost ploch skleněné destičky,
odchylka od 90° u pravoúhlého hranolu. Michaelsonův interferometr, měření indexu lomu hranolu
pomocí posunu interferenčního obrazce. Měření indexu lomu neznámého laseru pomocí změny
rozteče proužků.
2. Displej z tekutých krystalů. Projektor, difrakce, měření velikosti pixelu.
3. Optické vlastnosti čoček. Základní optické přístroje. Určení parametrů tlusté čočky nebo objektivu,
Cornuova metoda. Refraktometr.
4. Měření goniometrem – spektrometrem, disperzní křivka hranolu, difrakce na mřížce. Struktura
spektrální čáry. Jednoelektronová a dvojelektronová spektra.
5. Difrakce světla. Otvor, štěrbina, Youngův pokus.
6. Vláknová optika.
7. Polarizace. Polarimetrie, specifická stáčivost sacharózy
8. Měření odporů
9. Fotometrické veličiny, zákon převrácených čtverců, Lambertův zákon. Kolorimetrie, měření
barevnosti.
10. Fotoelasticimetrie.
11. Měření rychlosti světla (doba letu v optickém vlákně).
12. Řezání laserem.
ZÁKLADNÍ LITERATURA:
BORN, M., WOLF, E.: Principles of ptics. Cambridge: University Press, 2005. 952 p.
FUKA, J., HAVELKA, B.: Optika a atomová fyzika. Praha: SPN, 1961. 846 s.
GOODMAN, J.W.: Introduction to Fourier Optics. 3rd ed. Englewood, Colorado: Roberts, 2005. 490 p.
HAFEKORN, H. - RICHTER, W.: Synthese optischer systeme. Berlin: VEB, 1984. 343 p.
LIŠKA, M.: OPTICKÉ SEŠITY. (TEXTY K PŘEDNÁŠKÁM). BRNO: VUT 2014/ 2015.
DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA:
HECHT, E., ZAJAC, A.: Optics. Amsterdam: Addison-Wesley, 1974. 576 p.
KLEIN, M.V.: Optics. New York: Wiley, 1970. 647 p.
Předmět je inovován s podporou projektu „Inovace mezioborového studia přírodních věd a inženýrství“ (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).
Download

ZÁKLADY OPTIKY, FSI-TZO