Optomechatronika. 2014/15. tanév tavaszi félév. Antal Ákos

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Optomechatronika. 2014/15. tanév tavaszi félév. Antal Ákos"

Antal Török
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Optomechatronika 2014/15. tanév tavaszi félév Antal Ákos

2 Területek Optika (mint tudományterület): Geometriai optika Hullámoptika Kvantumoptika Statisztikus optika A fény tulajdonságai: Hullám Részecske

3 Területek Fizikai optika Geometriai optika- sugároptika Alkalmazott optika Interferencia, diffrakció Radiometria, fotometria (energetika) Optikai méréstechnika Fényforrások Lézertechnika Optikai szálak

4 Területek Optikai távközlés Integrált optika Optoelektronika Optikai detektorok Optikai rendszertervezés Világítástechnika Fénytechnika Optikai adattárolás Mikro optika

5 Ismeretek, amikre építünk A fény tulajdonságai A fény elektromágneses hullám. Kettős hullám-, illetve részecske természete van, ezért bizonyos jelenségeket hullámtani, másokat pedig kvantummechanikai tárgyalással lehet leírni. Az optika szempontjából a fénynek három tartományát különböztetjük meg; látható ibolyántúli infravörös A látható fény tartománya 380 < λ < 780 nm között helyezkedik el. A hullámtani tárgyalásmód használatakor hullámfelületekkel jellemezzük a fény terjedését. A geometriai optika a fénysugarak fogalmát használjuk, amelyeken a hullámfelületek ortogonális trajektóriáit értjük, ha λ -> 0. Ez a tárgyalásmód a geometriai, vagy sugároptika.

Ismeretek, amikre építünk A fény terjedése Optikai üveg Törésmutató, diszperzió Abbe-szám Alap optikai rendszerek Képalkotó Nem-képalkotó Ideális képalkotás (Maxwell): pontot pontba képez le, azaz a

6 Ismeretek, amikre építünk A fény terjedése Optikai üveg Törésmutató, diszperzió Abbe-szám Alap optikai rendszerek Képalkotó Nem-képalkotó Ideális képalkotás (Maxwell): pontot pontba képez le, azaz a képpont és a tárgypont konjugáltjai egymásnak optikai tengelyre merőleges síkban lévő alakzatok hasonló schott.com alakzatokba képződnek le (azaz torzításmentesen) az optikai tengelytől távolodva a nagyítás nem változik.

7 Ismeretek, amikre építünk A geometriai optika alaptörvényei: Fénysugár iránya Törés, tükröződés A beeső, a megtört vagy tükrözött sugár és a felületi normális viszonya Sugarak megfordíthatósága Sugarak függetlensége Egyenesvonlú terjedés Előjel szabály

8 Ismeretek, amikre építünk Irányfüggés: izotróp - anizotróp közeg Helyfüggés: homogén inhomogén közeg Hullámhossz függés: monokromatikus - polikromatikus Optikai tengely Centrált, szimmetrikus rendszer Paraxiális tartomány, kiterjedt tartomány

9 Ismeretek, amikre építünk Egyetlen gömbfelület képalkotása (Abbe invariáns) Kardinális pontok: Fókuszpontok Főpontok Csomópontok Gauss-formula n n n n = s s r i i i i i i i Vékony lencse vastag lencse a ff = n f r r I HG 1 2 K J a ff H G I K J 1 n f = n r r + n r r d

10 Ismeretek, amikre építünk Metszéki távolság, fókusztávolság Nagyítás Több tagból álló rendszer Képalkotó rendszerek típusai Fokális Afokális Fényhatároló elemek Apertúrarekesz Belépő pupilla Kilépő pupilla Síkok Meridionális sík Szagittális sík

11 Ismeretek, amikre építünk Sugarak típusai Apertúrasugár Fősugár Referenciasugár Fősugár menti apertúrasugár Szerkesztéses módszerek Vékony rendszer Optikai tengellyel párhuzamos sugár Fókuszponton átmenő sugár Fősugár Vastag rendszer Weierstraß-szerkesztés

12 Ismeretek, amikre építünk Számításos módszerek Vékony rendszer Gauss összefüggés Vastag rendszer Paraxiális sugárátvezetés Abbe invariáns Trigonometrikus átvezetés Bessel módszer Térbeli sugárátvezetés

13 Képalkotási hibák Monokromatikus hibák Szférikus aberráció Képmezőhjlás Asztigmatizmus Koma Torzítás Színhibák Longitudinális színhiba Színnagyítás

14 Afokális rendszer

15 Mélységélesség

16 Radiometria és fotometria A fény szót használják a látható tartományon kívül található optikai sugárzás megnevezésére is, azonban szigorú értelemben a fény a CIE fénymérő észlelő szerint súlyozott sugárzás. Tapasztalati tények alapján állítható, hogy a fénynyalábban energia áramlik, és ezen energia áramlásának irányát a fénysugarak iránya adja meg. A fényforrások által kisugárzott fény a látható összetevő mellett láthatatlan sugárzást is tartalmaz, így a teljes sugárzási energiának csak egy része a látható fény által szállított fényenergia.

17 Radiometria és fotometria Az optikai sugárzás a kb. 1 nm hullámhosszúságú röntgensugárzás és a kb. 1 mm hullámhosszúságú rádiósugárzás hullámtartománya közé eső elektromágneses sugárzás. Amennyiben e sugárzás teljes sugárzási energiája szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk radiometriai mennyiségekről beszélünk, ha azonban a CIE fénymérő észlelő szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk, akkor fotometriai mennyiségekről beszélünk.

18 Radiometria és fotometria Ha a fényforrások által kisugárzott fényben megjelenő energia terjedésének törvényeit vizsgáljuk, akkor azt a radiometria eszközeivel tesszük. Ha figyelembe vesszük azt, hogy az emberi szem a különböző spektrális összetételű, de azonos teljesítményű fényforrásokat másképpen érzékeli, akkor a jelenségeket a fotometria fogalmaival írjuk le, tehát a fotometriában a fény energetikai jellemzőinek meghatározásakor tekintetbe vesszük az emberi szem spektrális érzékenységét is, és a méréseket etalon fényforrásra vezetjük vissza. Tehát a radiometriai illetve a fotometriai mennyiségek között a kapcsolatot az emberi szem spektrális érzékenysége teremti meg.

19 Sugárzási teljesítmény - fényáram Ha valamely főnyaláb adott metszetén dt idő alatt dw e sugárzási energia, illetve dw v fényenergia áramlik át, akkor a teljesítmény jellegű sugárzási teljesítményt (energiaáramot), illetve a fényáramot tudjuk definiálni. dw Φ = v Φ v = e e dt A sugárzási teljesítmény mértékegysége a watt, a fényáramé a lumen. dw dt

20 Sugárerősség - fényerősség A sugárerősség a sugárforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó dω térszögben terjedő df e sugárzott teljesítmény és a dω térszög hányadosa. (egysége a W sr 1.) Fotometriai értelemben ezzel analóg mennyiség a fényerősség, amely a fényforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó dω térszögben terjedő df v fényáram és a dω térszög hányadosa. (egysége a candela=lumen sr 1 ) I e = d Φ d Ω e I v = d Φ v d Ω

21 Jellemző fényerősség értékek Néhány fényforrás fényerőssége [cd] viaszgyertya 1 petróleumlámpa W-os kriptonizzó 120 W-os vetítőlámpa A-es ívlámpa mozigép vetítőlámpa

22 Candela A candela (cd) az SI-rendszer alapmértékegysége, és definíció szerint olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt/szteradián, azaz a fekete sugárzó 1/ cm 2 -nyi felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, Pa nyomáson.

23 Sugársűrűség - fénysűrűség A sugársűrűséget adott irányban az I e sugárerősségnek és a ds felületelem látszólagos nagyságának, a ds cos ϑ vetületnek a hányadosa és mértékegysége W m 2 sr 1. A fénysűrűség, a fényforrás felületi fényessége vagy világossága adott irányban, az I v fényerősségnek és a ds felületelem látszólagos nagyságának, a ds cosϑ vetületének a hányadosa, mértékegysége a cd.m 2.

24 Fontosabb fényforrások fénysűrűsége Éjszakai égbolt 10-7 mcd/m 2 Hold 0,25 cd/m 2 Szürke égbolt 0,3 cd/m 2 Kék égbolt 1 cd/m 2 Gyertyafény 1 cd/m 2 Izzólámpa / matt / 5-40 cd/m 2 Napfény a láthatáron 600 cd/m 2 Napfény napközben cd/m 2 Xenon-gáztöltésű lámpa cd/m 2

25 Besugárzott teljesítmény - megvilágítás A besugárzott teljesítmény a felület egy adott pontján az oda beeső df e sugárzási teljesítmény és a felületelem ds területének a hányadosa, egysége a W m 2. A megvilágítás a felület egy adott pontján az oda beeső df v fényáram és a felületelem ds területének a hányadosa, egysége: lux = lm m 2. E e d e = Φ ds E v d = Φ v ds

26 Fontosabb megvilágítás értékek Napfény nyáron lux Napfény télen lux Átlagos nap nyáron lux Átlagos nap télen lux Telihold 0,2 lux Holdfogyatkozás éjjel 0,0003 lux

27 Az emberi munkavégzéssel kapcsolatos megvilágítás szintjeinek jellegzetes értékei lux, nagyon erős megvilágítás lux, erős megvilágítás lux, normál megvilágítás lux, gyenge megvilágítás lux, tájékozódó fény 1-50 lux, járásfény, járás-megvilágítás, vészvilágítás

28 Pontszerű fényforrás Azt a fény- vagy sugárforrást, melynek méretei a forrás és az érzékelő közötti távolsághoz képest kicsik, pontszerű forrásnak nevezzük. Az ilyen források fényét a geometriai optika egyenesekkel, a fénysugarakkal jellemzi. Ilyen forrásnak tekinthető a Nap, az ívfény, a fény szóródását biztosító, bura nélküli izzó. Pontszerű fényforrások alkalmazása esetén a fényforrás és a felület megvilágítási viszonyaira a távolságtörvény a jellemző, mely szerint pontszerű fényforrás esetén a fényforrás megvilágítása a felülettől való távolság négyzetével arányosan csökken.

29 Lambert sugárzó A pontszerű sugárzók kemény fényével ellentétben definiálhatók olyan források, amelyek lágy fényt sugároznak. Az ilyen típusú sugárzást nevezzük szórt vagy diffúz fénynek. Tulajdonsága, hogy az árnyékhatás jelentéktelen. Nem érvényesek rá a pontszerű fényforrások törvényszerűségei. Az ideálisan diffúz felületet az ún. Lambert-féle felület, amit a Lambert-féle koszinusztörvény jellemez. E törvény kimondja, hogy a visszaverő felület fényerőssége a felület normálisával bezárt szög koszinuszával arányos.

30 Sugárzási törvények Egy test emisszióképessége azt jelenti, hogy az terület- és időegységenként mennyi energiát sugároz ki. Ez a saját sugárzása, amely a test hőmérsékletétől és fizikai tulajdonságaitól függ. Emellett a testre más testek által kisugárzott energiamennyiség is sugárzódik, ezt nevezzük beeső sugárzásnak.

31 Planck-törvény A Planck törvény segítségével kiszámítható a sugárzás intenzitásának nagysága fekete test esetén, adott sugárzó testre vonatkozó abszolút hőmérséklet és a sugárzási hullámhossz esetén.

32 Wien-féle eltolási törvény Stefan-Boltzmann-törvény

Hasonló dokumentumok

Optika és látórendszerek április 23.

Optika és látórendszerek április 23. Optika és látórendszerek 2015. április 23. Tematika Energetikai szempontok optikai rendszerek alkalmazása esetén Radiometria és fotometria Sugárzási törvények A fénykibocsátás típusai Fényforrások Példák