Optomechatronika 2014/15. tanév tavaszi félév Antal Ákos
Területek Optika (mint tudományterület): Geometriai optika Hullámoptika Kvantumoptika Statisztikus optika A fény tulajdonságai: Hullám Részecske
Területek Fizikai optika Geometriai optika- sugároptika Alkalmazott optika Interferencia, diffrakció Radiometria, fotometria (energetika) Optikai méréstechnika Fényforrások Lézertechnika Optikai szálak
Területek Optikai távközlés Integrált optika Optoelektronika Optikai detektorok Optikai rendszertervezés Világítástechnika Fénytechnika Optikai adattárolás Mikro optika
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 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.
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
Ismeretek, amikre építünk Irányfüggés: izotróp - anizotróp közeg Helyfüggés: homogén inhomogén közeg Hullámhossz függés: monokromatikus - polikromatikus Optikai tengely Centrált, szimmetrikus rendszer Paraxiális tartomány, kiterjedt tartomány
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 1 1 1 1 = n f r r I HG 1 2 K J a ff H G I K J 1 n 1 1 1 1 1 f = n r r + n r r d 1 2 1 2
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
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
Ismeretek, amikre építünk Számításos módszerek Vékony rendszer Gauss összefüggés Vastag rendszer Paraxiális sugárátvezetés Abbe invariáns Trigonometrikus átvezetés Bessel módszer Térbeli sugárátvezetés
Képalkotási hibák Monokromatikus hibák Szférikus aberráció Képmezőhjlás Asztigmatizmus Koma Torzítás Színhibák Longitudinális színhiba Színnagyítás
Afokális rendszer http://mogi.bme.hu/tamop/muszaki_optika/ch06.html
Mélységélesség
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.
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.
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.
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
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
Jellemző fényerősség értékek Néhány fényforrás fényerőssége [cd] viaszgyertya 1 petróleumlámpa 30 100 W-os kriptonizzó 120 W-os vetítőlámpa 2.000 30 A-es ívlámpa 8.200 mozigép vetítőlámpa 20.000
Candela A candela (cd) az SI-rendszer alapmértékegysége, és definíció szerint olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 540 1012 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt/szteradián, azaz a fekete sugárzó 1/600 000 cm 2 -nyi felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, 101 325 Pa nyomáson.
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.
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 150 000 cd/m 2 Xenon-gáztöltésű lámpa 50 000-100 000 cd/m 2
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
Fontosabb megvilágítás értékek Napfény nyáron 100 000 lux Napfény télen 10 000 lux Átlagos nap nyáron 5 000-10 000 lux Átlagos nap télen 1 000-2 000 lux Telihold 0,2 lux Holdfogyatkozás éjjel 0,0003 lux
Az emberi munkavégzéssel kapcsolatos megvilágítás szintjeinek jellegzetes értékei 1500-2000 lux, nagyon erős megvilágítás 1000-1500 lux, erős megvilágítás 500-1000 lux, normál megvilágítás 200-500 lux, gyenge megvilágítás 50-200 lux, tájékozódó fény 1-50 lux, járásfény, járás-megvilágítás, vészvilágítás
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.
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.
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.
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.
Wien-féle eltolási törvény Stefan-Boltzmann-törvény