Detail předmětu
Základy optiky
FSI-TZO Ak. rok: 2020/2021 Zimní semestr
V kurzu budou prezentovány základy geometrické a vlnové optiky, které poslouží k rozšíření znalostí nabyté v základním kurzu. Zvláštní pozornost je věnována možným aplikacím, především návrhům optických přístrojů.
Obsah kurzu je založen na následujících tématech: světlo jako elektromagnetické vlnění; základní jevy vlnové optiky; šíření světla v izotropním prostředí; základní zákonitosti optického zobrazení; základní optické přístroje; optika anizotropního prostředí; zdroje světla.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
6
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvování kursu geometrické optiky dá studentům základní znalosti potřebné pro návrh a orientační výpočet soustav optických prvků. V rámci cvičení budou studenti řešit výpočty reálných optických soustav se zaměřením na jejich možné praktické využití.
Prerekvizity
Absolvování kurzu Obecná fyzika III.
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení
Zápočet: alespoň 75% účast ve cvičeních, absolvování tří předem ohlášených písemných testů. Zkouška: písemná.
Učební cíle
Cílem kursu je seznámit studenty (z pohledu geometrické a vlnové optiky) se základními vlastnostmi optických materiálů, vztahy na rozhraní opticky isotropních prostředí a vlastnostmi reálných optických prvků a jejich kombinací. Úkolem kursu je aplikace těchto základních znalostí geometrické optiky při řešení a konstrukci optických přístrojů.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B3A-P: Aplikované vědy v inženýrství, bakalářský
obor B-FIN: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, povinný
Program M2A-P: Aplikované vědy v inženýrství, magisterský navazující
obor M-PMO: Přesná mechanika a optika, povinně volitelný
Program N-STG-P: Strojírenská technologie, magisterský navazující
specializace MTS: Moderní technologie osvětlovacích soustav, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
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.
Základní jevy vlnové optiky
Interference světla. Youngův experiment. Časová a prostorová koherence světla.
Michelsonův interferometr.
Difrakce světla. Huygensův-Fresnelův princip. Fresnelova a Fraunhoferova difrakce. Příklady Fraunhoferovy difrakce: štěrbina, mřížka, kruhový otvor.
Fourierova transformace a její realizace pomocí Fraunhoferovy difrakce. Abbeova teorie optického zobrazení.
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.
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. Aplikace: Huygensův, Ramsdenův a Kellnerův okulár; jednoduchý teleobjektiv.
Omezení paprsků optickou soustavou. Telecentrický chod paprsků. Přenos světelné energie optickou soustavou.
Optické vady zobrazovacích soustav: otvorová vada, zkreslení, astigmatismus a zklenutí, koma, barevná vada polohy a velikosti.
Maticový popis zobrazení optickou soustavou.
Základní optické přístroje
Oko. Ametropie oka.
Lupa. Mikroskopy.
Dalekohledy.
Rozlišovací schopnost (oko, mikroskop, dalekohled).
Kolimátor, autokolimační dalekohled; příklady jejich použití.
Optika anizotropních prostředí
Popis anizotropního prostředí. Šíření světla v anizotropním prostředí. Dvojlom.
Polarizátory světla.
Průchod světla planparalelní destičkou. Čtvrtvlnná destička, půlvlnová destička. Polarizační děliče laserového svazku.
Indukovaný (umělý) dvojlom vyvolaný: napětím v pevné látce, koncentrací roztoku, elektrickým polem, magnetickým polem.
Polarizační přístroje.
Zdroje světla
Tepelné (teplotní) zdroje světla. Zákonitosti záření černého tělesa.
Výbojky.
Elektroluminiscenční zdroje.
Lasery.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
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.
Cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
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 (zrcadla, 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.