Základní poznatky z optiky
description
Transcript of Základní poznatky z optiky
Základní poznatky z optiky
Jitka Prokšovápřednáška pro FPV 06/07
• Proč vidíme předměty kolem nás?
• Kdo první změřil rychlost světla?
• Jak vnímáme barvy?
• Proč jsou mokré předměty tmavší než suché?
• Jak vzniká duha?
• Proč je obloha modrá?
• Jak vznikají optické přeludy?
• Proč světlušky svítí?
Vývoj názorů o světle
příčiny a podstata zrakového vjemu,
základní zákonitosti světelných jevů, rychlost světla, vzájemné působení světla a hmoty.
Geometrická (paprsková) optika
Základy:
Euklides (300 p.K.) – zákon odrazu světla pro rovinná i kulová zrcadla („Světlo se šíří z očí, protože při jejich zavření je tma.“)
• Isaac Newton
(1643 - 1727)
emanační
(korpuskulární)
teorie světla
• světelný paprsek – složen ze světelných částic (tvaru koule), šířících se přímočaře podle zákonů klasické mechaniky
• odraz světla – odraz dokonale pružné částice (koule)
• lom světla – způsoben přitažlivostí mezi světelnými částicemi a lámavým prostředím,
– změna rychlosti částice při přechodu z jednoho prostředí do druhého (nesouhlas: chybné rychlosti šíření částic)
• interference
– Newtonovy kroužky – výklad: jev, který dokazuje vlnovou povahu světla, spojoval Newton s periodičností nebo s kmitáním prostředí
Vlnová a elektromagnetická teorie světla
• Christian Huygens
(1629 - 1695)
1678: undulační (vlnová) teorie
• Thomas Young
( 1773 - 1829)
1801: uznání vlnové teorie (vysvětlení interferenčních jevů)
Huygensovy předpoklady• světelný rozruch jako pružný impuls šířící se éterem (který zaplňuje i
vnitřek předmětů)• každý bod, do kterého vlnění dospělo, se stává zdrojem nového rozruchu
Huygensovy objevy• polarizace světla v krystalech• světlo je příčné vlnění
Paradox:
korpuskulární teorie vysvětlovala interferenci světla (chybně) - vlnová ne
• Augustin Jean Fresnel
(1788 - 1827)
1820: příčné vlnění
James Clerk Maxwell
(1831 - 1879)
Heinrich Rudolf Hertz
(1857 - 1894)
1890: získal pomocí kmitavého obvodu elektromagnetické vlny o krátké vlnové délce a ukázal, že se spojují a odrážejí jako vlny světelné
Kvantová teorie světla
Max Planck Albert Einstein
(1858 - 1947) (1879 - 1955)
Optické jevy – dualismus:
světlo má vlastnosti, které svědčí o jeho vlnové povaze a jiné, které dokazují korpuskulární charakter
Kvantová optika:
teorie, která popisuje jak vlastnosti světla, tak vlastnosti atomů, de Broglieho vztahy – přechod od korpuskulární teorie k vlnové teorii
Renesance optiky (objev laserů, aplikace v informatice, optoelektronice)
E h hp
Světlo v paprskové optice
Jednoduchý optický přístrojcamera obscura
přímočaré šíření světla (stínítko vzdáleno 30 cm od otvoru o průměru 0,8 mm)
Nejdůležitější paprsky:
• I. rovnoběžný s optickou osou
• II. jdoucí ohniskem
• III. jdoucí středem optické soustavy
F F’
O
Zobrazení předmětu spojkou
Optické vadyMonochromatické:
• Otvorová vada
• Koma
• Zklenutí a astigmatismus
• Zkreslení
Chromatická aberace
Koma - obr. 1 (schéma zobrazení)
obr. 2
obr. 3
Astigmatismus
Kaustická plocha
optické přístroje
Světlo - elektromagnetická
vlna
Postupná elektromagnetická vlna:
• vektor intenzity elektrického i magnetického pole je vždy kolmý na směr šíření vlny
• příčné vlnění
Polarizační jevy
• přirozené světlo
(přímé sluneční světlo, žárovka, plamen svíčky...) - nepolarizované
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)
Skládání a ohyb světla
• Interference a difrakce = vlnové projevy světla.
• Monochromatické světlo: světlé a tmavé proužky nebo prstence,
bílé světlo: jasné centrální maximum a spektrální pásy jednotlivých řádů.
• 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 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
UV, IR
UV (10 nm - 390 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%).
UV záření a jeho účinky
• nejcitlivějším orgánem jsou tak kůže a oči (oční spojivky a rohovka, u dlouhovlnného UVA pak také oční čočka). Průnik UV záření normální kůži je jen do hloubky 0,6 mm.
• Dostatečná dávka UVA tak vyvolává zhnědnutí kůže, které vzniká nedlouho po ozáření, avšak trvává jen krátkou dobu (díky ozářením UVB paprsky - zčervenání kůže, popřípadě k tvorbě zánětu až puchýřů - po odeznění těchto projevů kůže zhnědne a toto zhnědnutí má trvalejší povahu).
• Z pozitivních účinků UV záření lze uvést tvorbu vitamínu D a zpracování vápníku. Vitamín D se ukládá do kůže, jater, mozku a kostí - řídí metabolismus vápníku a podporuje vstřebávání vápníku ve střevě atd.
IRVyužití 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
a) pojmy a jednotky
• 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
• rozdělení zdrojů světla:
vlastní nevlastní
(primární) (sekundární)
bodové (ideální )
plošné
prostorové
přírodní, umělé
světelný tok: tok světelné energie posuzovaný podle vjemu, který v oku,
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)
z
• mechanický ekvivalent světla (převodní konstanta mezi zářivým a světelným tokem):
3
1 W 667 lm pro 555 nm
1lm 1,5 mW
1,5 10 W/lm
Svítivost zdroje:• světelný tok vyzářený
do jednotkového
prostorového úhlu
• střední sférická
svítivost cd
4střI
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.
21cm
Osvětlení plochy:• světelný tok
dopadající
na plochu dS
• Lambertův
zákon
lux - rovnoměrné osvětlení plochy vyvolané tokem 1 lumenu
2cos
IE
r
21m
• Optimální osvětlení:
kreslírny, jemné práce 1500-3000 lx
schodiště, chodby 200 lx
obytné místnosti 200 - 500 lx
knihovny, učebny 1000 lx
b) světelné zdroje• teplotní zdroje
žhavené plamenem
žhavené elektricky
• výbojové zdroje:
výbojky, doutnavky
• luminiscenční zdroje:
zářivky
lasery (plynové, polovodičové, krystalové)