Základy optiky (FSI-TZO)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
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.
Výstupy studia a kompetence:
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.

Vazby k jiným předmětům:
povinná prerekvizita: Obecná fyzika III (Kmity, vlny, optika) [TF3]
Obsah předmětu (anotace):
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.
Metody vyučování:
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.
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.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
    Cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška

  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 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

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.
Literatura - základní:
1. Hecht, E.: Optics. Pearson, 2017. 
2. Born, M., Wolf, E.: Principles of Optics. Cambridge: University Press, 2005.
3. Malý. P.: Optika. Univerzita Karlova v Praze, Karolinum. 2013
Literatura - doporučená:
1. Haferkorn, H. - Richter, W.: Synthese optischer systeme. Berlin: VEB Deutscher Verlag, 1984. 
2. Liška, M.: Optické sešity. (Texty k přednáškám.) BRNO: VUT 2014/ 2015.
3. Goodman, J.W.: Introduction to Fourier Optics. 3rd ed. Englewood, Colorado: Roberts, 2005. 
4. Klein, M.V.: Optics. New York: Wiley, 1970.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 6 Povinně volitelný 1 1 Z
N-PMO-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinně volitelný 2 1 Z
N-STG-P prezenční studium MTS Moderní technologie osvětlovacích soustav -- zá,zk 6 Povinný 2 1 Z
B-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 1 3 Z