Detail předmětu

Základy optiky

FSI-TZO-KAk. rok: 2022/2023

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 (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

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 dvou předem ohlášených písemných testů. Zkouška: písemná a ústní.

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.

Základní literatura

Born, M., Wolf, E.: Principles of optics. Cambridge: University Press, 2005. 952 p.
Fuka, J. - Havelka, B.: Optika a atomová fyzika I
Hecht, E., Zajac, A.: Optics. Amsterdam: Addison-Wesley, 1974. 576 p.

Doporučená literatura

Goodman, J.W.: Introduction to Fourier Optics. 3rd ed. Englewood, Colorado: Roberts, 2005. 490 p.
Hafekorn, H. - Richter, W.: Synthese optischer systeme. Berlin: VEB Deutscher Verlag, 1984. 343 p.
Klein, M.V.: Optics. New York: Wiley, 1970. 647 p.
Liška, M.: Optické sešity. (Texty k přednáškám.) BRNO: VUT 2014/ 2015.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-STG-K magisterský navazující

    specializace MTS , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Konzultace v kombinovaném studiu

17 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, 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

9 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, 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

Konzultace

52 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, 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.