Základní poznatky z optiky RNDr. Jitka Prokšová, Ph.D. FPV 10/11

Měření rychlosti světla Metody: přímé nepřímé

Přímé metody: nejstarší pokusy 1607 Galileo Galilei 1675 Olaf Roemer dánský astronom

Přímé metody – pokračování 1849 Armand Fizeau francouzský astronom první úspěšné určení rychlosti světla na základě pozemského měření Ozubené kolo rozdělilo světlo na drobné impulzy. Ty pak posílal na vzdálené zrcadlo a pozoroval je otvorem v ozubeném kole. Z naměřeného počtu otoček ozubeného kola, počtu zoubků a ze vzdálenosti kola k zrcadlu pak vypočítal rychlost světla.

1850 Jean Foucault francouzský fyzik ozubené kolo v Fizeauově experimentu nahradil otáčivým zrcadlem, změřil rychlost světla ve vodě a zjistil, že je menší než ve vzduchu 1878 Albert Michelson americký fyzik zdokonalil Foucaultovu metodu, měření za sníženého tlaku poslední pokusy provedl r nositel NC (1907) Přímé metody – pokračování

Nepřímé metody metoda Kohlrauschova-Weberova (určení c z měření náboje kondenzátoru) metoda Rosova-Dorseyova (určení c z měření kapacity kondenzátoru)

Světlo v paprskové optice

Parametry optických prostředí Maxwellova teorie elektromagnetického vlnění absolutní index lomu (podíl rychlosti světla ve vakuu a v daném prostředí) relativní index lomu (podíl rychlostí světla v dvou různých prostředích) komplexní index lomu (užití: optické vlastnosti kovů)

Optická prostředí různá hlediska: homogenní x nehomogenní (otázka závislosti vlastností prostředí na poloze v prostředí) izotropní x anizotropní (otázka závislosti vlastností prostředí na směru) lineární x nelineární (otázka změny vlastností prostředí na procházejícím záření)

světlo se ze zdroje šíří přímo, např. voda, vzduch, sklo část světla se rozptýlí, např. kouř, mléko, med, led světlo prostředím neprochází, např. porcelán, dřevo, beton Průhledné Průsvitné, popř. kalné Neprůhledné

a) Zákon přímočarého šíření světla b) Zákon vzájemné nezávislosti šíření paprsků c) Zákon odrazu a lomu Základní zákony GO

a) Zákon přímočarého šíření světla Ve stejnorodém a izotropním prostředí (tj. v prostředí, kde optické vlastnosti nejsou závislé ani na poloze bodu, ani na orientaci paprsku) se šíří světlo přímočaře ve tvaru světelných paprsků. /1/

b) Zákon vzájemné nezávislosti šíření paprsků Ve světelném toku jsou jednotlivé svazky na sobě nezávislé a šíří se tak, jako kdyby ostatních svazků nebylo. /1/ Dírková komora… důkaz vzájemné nezávislosti světelných svazků

c) Zákon odrazu a lomu Na rozhraní dvou stejnorodých a izotropních prostředí platí pro světelné paprsky zákon odrazu a lomu (Snellův zákon). /1/ Znaménková konvence nutná až později, zatím takto

Šíření světla optickým prostředím homogenní, izotropní a lineární prostředí rychlost světla v prostředí: opticky řidší x opticky hustší

Úplný odraz a odrazné hranoly Koutový odražeč Odrazné hranoly

Fermatův princip variační princip (1679): Světlo se šíří v prostoru z jednoho bodu do druhého po takové dráze, aby doba potřebná k proběhnutí této dráhy nabývala extrémní hodnotu. různost prostředí: 1. homogenní (rovinné nebo zakřivené rozhraní) 2. nehomogenní

paprsková metoda maticová metoda nejdůležitější paprsky: I. rovnoběžný s optickou osou II. jdoucí ohniskem III. jdoucí středem optické soustavy Metody optického zobrazování

FF’F’ O Zobrazení předmětu spojkou

Optické vady Monochromatické: Otvorová vada Koma Zklenutí a astigmatismus Zkreslení Chromatická aberace

idealizace = zobrazování v Gaussově nitkovém prostoru (paraxiální přiblížení) skutečné zobrazení… vliv širokého svazku bílého světla Jak potlačit vady: a) počítačové sledování průchodu paprsků (optimalizace soustavy, metoda opakovaného výpočtu) b) digitalizace záznamu obrazu (nový trend – užití levných optických prvků (objektivy), proměření i s vadami, odstranění počítačovou korekcí

Tradiční postup: složité algebraické výpočty fyzikálně matematické porozumění vadám Rozdělení vad: monochromatické chromatické Seidelovy aberace (teorie do 3. řádu)

Sférická (otvorová) vada bod na optické ose se zobrazuje jako ploška obraz nelze zaostřit vada závisí na poloze předmětu, na indexu lomu materiálu čočky, na tvaru čočky odstranění: kombinace spojky a rozptylky Koma bod ležící mimo optickou osu se nezobrazuje jako bod, ale jako skvrna připomínající chvostem kometu deformace tvaru (velikost komy) závisí na úhlu mimoosového svazku odstranění: dvoučočkový achromát s přídavnými korekčními členy (odrazné vrstvy)

Koma - obr. 1: schéma vzniku vady zobrazení

Astigmatismus čočka se chová tak, jako by měla v různých rovinách různé ohniskové vzdálenosti, paprsky se spojují před nebo za ohniskem (nelze zaostřit) body ležící v rovině kolmé k optické ose se zobrazují na vyduté ploše astigmatická čočka zobrazuje ostře jen linie v jednom směru (čáry k nim kolmé jsou neostré) odstranění: ortoskopická soustava (S+R+S) Zklenutí obrazu obraz roviny se vytvoří na zakřivené ploše deformace reality vzniká úzkým svazkem, kterým se zobrazují mimoosové body odstranění: ortoskopická soustava (S+R+S)

Zkreslení obrazu přímky, které neprotínají optickou osu se zobrazují jako prohnuté čáry deformace reality odstranění: ortoskopická soustava (S+R+S) vytvoření dvou oddělených svazků, každý z nich dává zkreslení opačného smyslu Chromatická aberace analogie: disperze na hranolu bod se zobrazuje jako zbarvená ploška odstranění: pro každou barvu nemožné, obvykle postačuje achromatizace pro 2 až 3 vlnové délky (kolem 550 nm) obraz je pak zaostřený v jedné vlnové oblasti

Světlo jako elektromagnetická vlna

Elektromagnetické spektrum viditelné světlo rozsah vlnové délky: 390 nm až 760 nm

Postupná elektromagnetická vlna vektor intenzity elektrického i magnetického pole je vždy kolmý na směr šíření vlny příčné vlnění

přirozené světlo (přímé sluneční světlo, žárovka, plamen svíčky...) - nepolarizované Polarizační jevy

Vznik lineárně polarizovaného světla odrazem lomem úplným odrazem dvojlomem absorpcí (dichroismus) rozptylem interferencí

Užití polarizace polarizační filtry (tlumení nežádoucího osvětlení, odlesků při fotografování) fotoelasticimetrie (umělý dvojlom - ke zjištění mechanických napětí v modelech z plexiskla) elektrooptické jevy (modulace světelného svazku)

interference a difrakce = vlnové projevy světla monochromatické světlo: světlé a tmavé proužky nebo prstence, bílé světlo: jasné centrální maximum a spektrální pásy jednotlivých řádů. Skládání a ohyb světla

Pro pozorování interference je důležitá koherence světla, světlo z různých zdrojů má v daném místě stejnou fázi, neměnící se s časem. Přirozené zdroje světla: sítnice našeho oka nedovoluje interferenční jevy pozorovat (schopnost zaznamenat změnu intenzity světla, trvá-li alespoň 1/10 s) Lasery

Skládání (interference) světla

Ohyb (difrakce) světla

Ohyb světla na kruhovém otvoru:

Ohyb světla na mřížce:

Užití interference protiodrazové vrstvy (porézní vrstva kryolitu: n = 1,34) interferenční filtry (pološířka filtru: rozdíl vlnových délek, při nichž klesne propustnost na 1/2) odrazové vrstvy, dielektrická zrcadla (kombinace více vrstev - vysoká hodnota n)

Průchod světla prostředím

rozptyl světla rozklad světla pohlcování světla Průchod světla prostředím

UV, IR UV (10 nm nm) UV-A: 315 nm – 390 nm (UV-B, UV-C) IR (760 nm - 0,3 mm) zdroje : 1. tepelné (oblouková lampa, sluneční záření,…) 2. luminiscenční (výbojky)

UV Rozptyl UV v ionosféře, v ozonosféře a v ostatních vrstvách atmosféry (vodní páry, aerosoly,...). Čím déle UV záření prochází atmosférou, tím menší je jeho působení na zemském povrchu. ve větších dávkách může UV záření poškodit zrak a kůži. UV záření na Zemi je tvořeno UVA (90 – 99%) a malou částí UVB (1 – 10%).

IR Využití IR kontrola barevnosti (různá odrazivost barviv v IR oboru) vojenské účely (noktovizory,infratelefony) bezpečnostní prvky (poplachové zařízení, hlídací kontroly) sušení a tepelné zpracování látek (mikrovlnné trouby, sušičky) lékařství biochemický průmysl

fotometrie: nauka o měření světelného záření, metody se vztahují na oblast viditelného záření zdroj světla: každé těleso, které vysílá zářivou energii v oboru světelných vln Fotometrie

rozdělení zdrojů světla: vlastní nevlastní (primární)(sekundární) bodové (ideální ) plošné prostorové přírodní, umělé

světelný tok: tok světelné energie posuzovaný podle vjemu, který v oku vyvolává, udává se v lm (fyziologický ekvivalent zářivé energie daného světla) zářivý tok - množství energie vyzařované danou plochou za jednotku času, udává se ve W (výkon přenášený zářením)

mechanický ekvivalent světla (převodní konstanta mezi zářivým a světelným tokem):

Svítivost zdroje: světelný tok vyzářený do jednotkového prostorového úhlu střední sférická svítivost

1 kandela: 1/60 svítivosti černého tělesa, rozžhaveného na teplotu tuhnutí platiny, v kolmém směru k uvažované plošce za normálního tlaku 1 lumen: tok, který vysílá do 1 steradiánu bodový zdroj o svítivosti 1cd.

Osvětlení plochy: světelný tok dopadající na plochu dS Lambertův zákon lux - rovnoměrné osvětlení plochy vyvolané tokem 1 lumenu

Optimální osvětlení: kreslírny, jemné práce lx schodiště, chodby 200 lx obytné místnosti lx knihovny, učebny 1000 lx

Světelné zdroje teplotní zdroje žhavené plamenem žhavené elektricky výbojové zdroje: výbojky, doutnavky luminiscenční zdroje: zářivky lasery (plynové, polovodičové, krystalové)