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 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

Optická skla

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)