Detail předmětu

Základy optiky

FSI-TZOAk. rok: 2011/2012

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 předmětu:

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.

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 a Ramsdenův okulár, jednoduchý teleobjektiv. Maticový popis zobrazení optickou soustavou. 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.

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. Čtvrtvlnová 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.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI)

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

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

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 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.

Základní literatura

Malý. P.: Optika. Univerzita Karlova v Praze, Karolinum. 2013

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B3A-P bakalářský

    obor B-FIN , 3. ročník, zimní semestr, povinný

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-PMO , 1. ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Osnova

Základní zákony geometrické optiky, index lomu isotropního prostředí, vliv tlaku a teploty na index lomu světla ve vzduchu, střední disperze, Abbéovo číslo, tabulky optických skel.
Fermatův princip, odvození zákona lomu a odrazu z Fermatova principu.
Reálné optické prvký - planparalelní destička, optický klín, hranol pro lom - minimální deviace.
Lom na kulové ploše obecně a v paraxiálním prostoru.
Průchod paprsku soustavou sférických ploch.
Základní body (roviny) soustavy kulových ploch, ohnisková vzdálenost soustavy, zvětšení příčné a úhlové.
Čočka tlustá a tenká, chod charakteristických paprsků.
Zobrazovací rovnice, jejich vyjádření.
Fresnelovy rovnice pro odraz polarizovaného světla - totální odraz, Brewsterův úhel.
Zobrazení zrcadly a jejich soustavou.
Omezení paprskových svazků v optické soustavě, základní charakteristika optické soustavy.
Optické vady zobrazovacích soustav - rozdělení a popis, způsob výpočtu a korekce, Herschelova podmínka, Abbého sinové podmínky.

Cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Radomír Malina, Ph.D.

Osnova

V každém cvičení se řeší příklady na předem přednesená témata.

Laboratoře a ateliéry

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Osnova

Určení indexu lomu materiálu planparalelní destičky z podélného posunutí obrazu.
Určení průběhu části disperzní křivky materiálu hranolu pro lom z minimální deviace na několika vlnových délkách.
Měření poloměru křivosti optických sférických ploch.
Měření ohniskové vzdálenosti tenkých čoček a optických soustav.
Měření úhlů optických klínů a hranolů klasickými a interferenčními metodami. Seznámení s interferometrem Askania.
Polarizace světla přirozeného, způsoby získání světla polarizovaného v jedné rovině. Určení Brewsterova úhlu a úhlu totálního odrazu, jejich využití pro měření indexu lomu materiálu.