Detail předmětu

Základy optiky

FSI-TZO Ak. rok: 2024/2025 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

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství

Vstupní znalosti

Absolvování kurzu Obecná fyzika III.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Zápočet: alespoň 75% účast ve cvičeních, absolvování dvou předem ohlášených písemných testů. Zkouška: písemná a ústní.


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.

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.
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.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program B-FIN-P: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, bakalářský, povinný

Program N-PMO-P: Přesná mechanika a optika, magisterský navazující, povinně volitelný

Program C-AKR-P: Akreditované předměty v CŽV, celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu
specializace CZS: Předměty zimního semestru, 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

Mgr. Věra Kollárová, Ph.D.
Ing. Jan Novotný, Ph.D.

Osnova


  1. Světlo jako elektromagnetické vlnění. Vlnová funkce, superpozice. Rovinné, kulové a válcové vlny. Harmonické vlny. Komplexní notace harmonických vln. Maxwellovy rovnice. Energie vlny.

  2. Polarizace světla. Polarizační elipsa, základní druhy polarizovaného světla. Popis polarizace harmonickými funkcemi a Jonesovými vektory. Metody polarizace světla. Optická aktivita.

  3. Optika anizotropních prostředí. Šíření světla v anizotropním prostředí. Elipsoid indexu lomu. Jednoosé a dvouosé krystaly. Polarizační prvky.

  4. Základy geometrické optiky. Eikonálová rovnice, paprsková rovnice, Fermatův princip, odvození zákona lomu. Šíření světla – rozptyl, odraz, lom. Skla, disperze, duha. hranoly, zrcadla.

  5. Geometrická teorie zobrazování. Paraxiální prostor. Kulová plocha, čočky, zrcadla, základní body optické soustavy, grafické řešení zobrazování.

  6. Maticová optika.

  7. Omezení paprsků, apertury, clony, telecentrické soustavy, rozlišení.

  8. Optické vady I  – barevná vada, aberační funkce, Seidlovy koeficienty. Otvorová vada, koma.

  9. Optické vady II – astigmatismus, zklenutí, korekce. Maticový zápis, trasování paprsků. 

  10. Optické přístroje – oko, mikroskopy, teleskopy, spektrometry.

  11. Základy z teorie interference a koherence světla. Podmínky koherence. Interferenční zákon pro dvě částečně koherentní vlny.

  12. Dvousvazková a mnohosvazková interference světla a jejich příklady.

  13. Základy z teorie difrakce světla. Huygensův-Fresnelův princip. Fresnelova a Fraunhoferova difrakce. Příklady.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Jakub Buday, Ph.D.

Osnova

1. Polarizace
2. Difrakce
3. Práce s goniometrem
4. Vlastnosti tlustých čoček
5. Fotometrie
6. Vláknová optika
7. Rychlost světla
8. Základní optické přístroje
9. LCD (display z kapalných krystalů)
10. Interference

Cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Petr Bouchal, Ph.D.

Osnova

1. Maxwellovy rovnice, diferenciální operátory.
2. Vlnová rovnice a její řešení. Helmholtzova rovnice.
3. Polarizace světla. Malusův zákon.
4. Odvození eikonálové rovnice. Řešení paprskové rovnice pro jednoduchá prostředí.
5. Fresnelovy vztahy a jejich důsledky.
6. Paraxiální optika – zobrazování. Zobrazovací rovnice, znaménková konvence, určení základních parametrů optické soustavy.
7. Příklady na zobrazování (zrcadla, tenká a tlustá čočka, sestava čoček).
8. Barevná a sférická vada.
9. Jednoduché optické přístroje – příklady na zobrazování.
10. Test.
11. Vlnová optika – interference.
12. Fraunhoferova difrakce na různých otvorech.
13. Zápočtová písemka.