Основы оптики геометрическая и физическая оптика

Курсовые и лабораторные работы Математика решение задач Электротехника Лабораторные работы по электронике Физика Информатика На главную
Инженерная графика
Теория машин и механизмов
Строительная механика
Машиностроительное черчение
Компьютерная графика
Пространство в архитектуре
Математика решение задач
Векторная алгебра
Исследовать систему уравнений и решить ее, если она совместна
Метод Гаусса
Математическая модель
Системы линейных уравнений
Интегральное исчисление функции одной переменной
Векторная алгебра
Аналитическая геометрия
Введение в математический анализ
Производная и дифференциал
Исследование функций
Интегральное исчисление функции одной переменной
Обыкновенные дифференциальные уравнения
числовые ряды
Теория вероятностей
Дифференцируемость ФНП
Дифференцирование сложной ФНП
Абсолютный экстремум ФНП
Интегрирование функций нескольких переменных
Некоторые свойства интеграла ФНП
Геометрические свойства интеграла ФНП
Типовые задачи
Вычисление площади криволинейной поверхности
Длина дуги в декартовых координатах
Линейные дифференциальные уравнения

Метод интегрируемых комбинаций

Физика
Закон инеpции и пpинцип относительности
Закон сохpанения энеpгии в механике
Закон сохpанения момента импульса
Теpмодинамика
Стpоение жидкостей и твеpдых тел
 
Электрический ток
Лабораторные работы по электротехнике и электронике
Геометрическая и физическая оптика
Лабораторные работы
Практические занятия
Компьютерная математика
Работа с файлами и документами
Управление интерфейсом пользователя
Встроенные операторы и функции
Сетевой уровень
Управление доступом
IP-адрес

 

 

Дисциплина «Основы оптики» посвящена изучению законов распространения и преобразования светового поля, то есть электромагнитного поля в оптическом диапазоне частот. «Основы оптики» охватывают настолько обширный и глубокий по содержанию материал, что по праву считаются фундаментальной дисциплиной, являющейся неотъемлемой компонентой оптического образования.

Изучение всех вопросов данной дисциплины важно как для усвоения базовых понятий, активно используемых в других более специальных дисциплинах, так и для получения достаточно полного представления об основных научных концепциях современной оптики.

Электронный учебно-методический комплекс содержит в себе изложение теоретического материала в виде конспекта лекций, методические указания к выполнению лабораторных работ и практических занятий, а также аттестующие и обучающие тесты.

  • уровень «конспект лекций» содержит базовое изложение материала в виде конспекта лекций, читаемых по данной дисциплине;
  • уровень «основные определения и соотношения» содержит краткое изложение материала, включающий в себя основные определения, соотношения и рисунки без их вывода и подробного комментария; этот уровень можно использовать в качестве справочного пособия, когда теоретический материал уже достаточно хорошо изучен;
  • уровень «дополнительные главы» содержит дополнительный материал по некоторым разделам, который не обязателен в рамках данной дисциплины, но желателен для более полного освоения курса «Основы оптики».

Вся дисциплина «Основы оптики» состоит из двух больших частей – геометрической и физической оптики. В данном конспекте лекций рассматривается геометрическая оптика – наука о законах распространения света в оптических системах и формировании оптического изображения. Изложение материала базируется на классической электродинамике и уравнениях Максвелла. В данном пособии рассматриваются только линейные явления в оптике, а взаимодействие света с препятствиями рассматривается только в виде амплитудно-фазовых превращений. Явления перехода одного вида энергии в другой обсуждаются лишь в связи с регистрацией интенсивности света. Квантовомеханические явления также не рассматриваются, а дифракционные процессы излагаются в рамках классической теории дифракции Релея-Зоммерфельда.

Геометрическую оптику, в свою очередь, можно разделить на три раздела: «Световые волны и их свойства», «Геометрическая оптика. Идеальные оптические системы», «Реальные оптические системы. Качество оптического изображения».

В разделе «Световые волны и их свойства» (главы 1, 2, 3) рассматриваются общие физические понятия, относящиеся к световому полю. В главе 1 на основе уравнений Максвелла рассмотрен вывод волнового уравнения для комплексной амплитуды поля – уравнения Гельмгольца. В главе 2 рассматриваются энергетические характеристики светового поля, которые разделяются на собственно энергетические и световые. Векторные свойства света подробно расматриваются при описании прохождения светового поля через границу двух сред (глава 3).

Раздел «Геометрическая оптика. Идеальные оптические системы» (главы 4, 5, 6) посвящен изучению законов геометрической оптики и идеальных оптических систем. Законы геометрической оптики, рассматриваемые в главе 4, вытекают из основного положения этой дисциплины – приближения коротких длин волн, при котором длина волны считается пренебрежимо малой величиной по сравнению с неоднородностями среды и самого поля. Теория идеальных оптических систем (глава 5) излагается вначале в классической форме Ньютона-Гаусса, а затем с использованием матричного аппарата и соответствующих понятий матриц преобразования координат нулевых лучей (глава 6).

Раздел «Реальные оптические системы. Качество оптического изображения» (главы 7, 8, 9) охватывает понятие реальных лучей, ограничение пучков лучей в оптических системах, систему обобщенных (канонических) характеристик (глава 7), а также аберрации, их типы и порядки (глава 8). В главе 9 рассматриваются критерии и характеристики качества изображения безаберрационных оптических систем, теоретические пределы разрешения, влияние аберраций на характеристики качества и разрешение, а также понятие дифракционно-ограниченных и геометрически-ограниченных оптических систем.

К каждой главе учебно-методического комплекса имеется обучающий тест, позволяющий студентам проверить полученные знания, а к каждому разделу имеется аттестующий тест. Обучающий тест можно пройти в любое время и с любого компьютера, а аттестующий тест проводится в специально выделенное время в присутствии преподавателя, и является необходимым для получения допуска к экзамену.

В практических занятиях подробно рассматривается решение типовых задач, и приводятся задачи для самостоятельной проработки. Контрольные работы реализованы в виде аттестующих тестов, которые проводятся в присутствии преподавателя в специально выделенное время. Выполнение домашних заданий по практическим занятиям возможно в виде электронного практикума, который позволяет выдавать и принимать домашние задания студентов в электронном виде.

В методических указаниях к выполнению лабораторных работ приводятся задание для работы, подробное описание и пример выполнения лабораторной работы и выполнения отчета, индивидуальные задания и перечень вопросов для защиты лабораторной работы. Защита лабораторной работы возможна также в виде прохождения обучающего теста.

Описание световых волн

Основные свойства световых полей Оптический диапазон состоит из следующих видов излучения: рентгеновское, ультрафиолетовое (УФ), видимое, инфракрасное (ИК). Если во времена Ньютона в оптический диапазон входило только видимое излучение, то с техническим прогрессом диапазон существенно расширился, причем рентгеновское излучение включено в оптический диапазон совсем недавно – примерно 20 лет назад. Не исключено дальнейшее расширение оптического диапазона.

Уравнения Максвелла

Математическое описание электромагнитных волн

Волновые уравнения
Монохроматическое поле
Комплексная амплитуда
Уравнение Гельмгольца

Регистрируемые (наблюдаемые) характеристик и поля

Интенсивность поля
Наблюдаемые величины при сложении полей
Квазимонохроматическое и полихроматическое поле
Простейшие монохроматические волны

Энергетика световых волн

Энергетические единицы и соотношения между ними В оптике энергия излучения определяется за время намного большее, чем период собственных колебаний электромагнитных волн оптического диапазона. Ограничимся простой геометрической моделью, являющейся следствием уравнений Максвелла, согласно которой свет представляет собой поток лучистой энергии, распространяющейся вдоль геометрических лучей.

Поток излучения
Поверхностная плотность потока энергии (освещенность, светимость)
Сила излучения
Энергетическая яркость
Инвариант яркости вдоль луча
Поглощение света средой

Световые величины Связь световых и энергетических величин Практические световые величины и их примеры

Модели источников излучения Плоский ламбертовский излучатель Сферический ламбертовский излучатель

Поток от излучателей различной формы Сферический ламбертовский излучатель Плоский ламбертовский излучатель

Яркость рассеивающей поверхности

Освещенность, создаваемая различными источниками Освещенность, создаваемая точечным источником Освещенность от протяженного ламбертовского источника

Реальные оптические системы. Ограничения пучков

Реальные (действительные) лучи Расчет хода реальных лучей Причины «непрохождения» лучей через поверхность Через реальную оптическую систему в отличие от идеальной проходят реальные лучи, а не нулевые ( параксиальные). Ход реального луча отличается от хода нулевого (идеального) луча. Отклонение хода реального луча от идеального связано со строгим выполнением законов преломления и отражения на реальных поверхностях оптических систем.

Ограничения пучков лучей Апертурная диафрагма Полевая диафрагма Виньетирование

Описание предметов , изображений и зрачков Предмет (изображение) ближнего типа Предмет (изображение) дальнего типа Обобщенные характеристики Обобщенный инвариант Лагранжа-Гельмгольцаедачи. Цикловая синхронизация

Аберрации оптических систем

Формы представления аберраций (поперечная, продольная, волновая)

Общие положения
Поперечные аберрации
Волновая аберрация
Продольные аберрации

Монохроматические аберрации
Разложение волновой аберрации в ряд
Радиально симметричные аберрации (дефокусировка и сферическая аберрация)
Кома
Астигматизм и кривизна изображения
Дисторсия
Хроматические аберрации Хроматизм положения Хроматизм увеличения
Основные характеристики структуры изображения Изображающие приборы могут давать изображение различного качества с точки зрения передачи структуры предмета. Структура и форма светового поля в пространстве изображений подобна структуре и форме предмета, однако оптическая система вносит в эту структуру свои изменения, оценка которых есть оценка качества изображения.

Основные понятия
Функция рассеяния точки
Гармонический периодический объект
Оптическая передаточная функция (ОПФ)

Схема формирования оптического изображения

Дифракционная структура изображения

Функция рассеяния точки в случае отсутствия аберраций
Влияние неравномерности пропускания по зрачку на ФРТ
Безаберационная ОПФ.
Критерии качества оптического изображения
Предельная разрешающая способность по Релею
Разрешающая способность по Фуко
Влияние аберраций на ФРТ и ОПФ
Число Штреля
Критерий Релея для малых аберраций
Формула Марешаля. Допуск Марешаля для малых аберраций
Влияние аберраций на ОПФ. Геометрически-ограниченные и дифракционно-ограниченные оптические системы

Основные определения и соотношения


Геометрическая теория оптических изображений. Идеальные оптические системы
     Описание оптических систем
      Теория идеальных оптических систем (параксиальная или гауссова оптика)
     Основные соотношения параксиальной оптики связывают между собой фокусные расстояния, положение и размеры предмета и изображения, угловое, линейное и продольное увеличения.
Матричная теория Гауссовой оптики
    Преобразование координат лучей оптической системой 
      Матрица преобразования лучей Выражение для преобразования линейной и угловой координат луча, рассмотренные в параграфе 6.1, можно записать в матричной форме, тогда преобразование координат луча оптической системой можно представить в виде умножения некоторой матрицы на вектор входных координат луча
      Матрицы оптической системы, состоящей из нескольких компонентов Любую оптическую систему можно представить как совокупность нескольких компонентов, разделенных промежутками. Пусть дана некоторая произвольная система, в которой для каждого компонента известно положение главных плоскостей и оптическая сила, а также известны расстояния между компонентами и показатели преломления

Сводная таблица матриц преобразования

Прохождение света через границу раздела двух сред

Закон преломления Закон отражения Полное внутреннее отражение

Отражение и преломление света на границе раздела двух сред

Формулы Френеля. Соотношение между амплитудами падающих, преломленных и отраженных волн

Различные случаи падения и отражения света Нормальное падение Угол Брюстера Просветление оптики. Тонкие пленки

Геометрическая оптика

Приближение коротких длин волн. Уравнение эйконала

Основные понятия геометрической оптики Волновой фронт и лучи Оптическая длина луча Конгруэнция лучей

Основные законы геометрической оптики Закон независимого распространения лучей Закон обратимости Закон прямолинейного распространения Закон преломления и отражения Принцип таутохронизма Принцип Ферма Закон Малюса-Дюпена Инварианты

Пучки лучей Гомоцентрические пучки лучей Негомоцентрические пучки Астигматический пучок

Перенос поля в приближении геометрической оптики. Пределы применимости геометрической оптики ьУравнение переноса комплексной амплитуды в приближении геометрической оптики Пределы применимости геометрической оптики

Дополнительные главы

1. Описание световых волн

2. Энергетика световых волн

3. Прохождение света через границу раздела двух сред

4. Геометрическая оптика

5. Геометрическая теория оптических изображений. Идеальные оптические системы

6. Матричная теория Гауссовой оптики

7. Реальные оптические системы. Ограничения пучков Статистическая цикловая синхронизация.

Аберрации оптических систем    Разложение волновой аберрации в ряд по полиномам Цернике
      Описание отдельных типов аберраций

Структура и качествооптического изображения
      Дифракция света в оптических системах
    Математические модели формирования оптического изображения
     Разрешение изображения и взаимосвязь критериев коррекции аберраций

Электротехника курсовые, лабораторные, практика Математика, физика