3968

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

В.И. Лисицын, Н.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, В.В. Саушкин

ОСНОВЫ ОПТИКИ И СВЕТОТЕХНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 23.03.01 – Технология транспортных процессов

ВОРОНЕЖ 2016

3

УДК 535

Ф50

Основы оптики и светотехники [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 23.03.01 – Технология транспортных процессов / В.И. Лисицын, Н.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 31 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом, образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 23.03.01 – Технология транспортных процессов. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 3. Библиогр.: 4 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Тимошенко Ю.К.

Ответственный редактор Лисицын В.И.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы оптики и светотехники» изучает фундаментальные законы, которые активно используются при создании современных оптических приборов, широко применяющихся в системе организации и безопасности движения. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо большому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что знания теоретических законов физических основ современной оптики позволяют будущим специалистам по организации и безопасности движения осваивать новую технику, которая поступает в соответствующие структуры. Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и экзамену.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 23.03.01 – Технология транспортных процессов. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Основы оптики и светотехники» является получение студентами фундаментальных знаний о принципах работы и назначении средств оптики и светотехники на транспорте, в сфере организации дорожного движения.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–изучение законов геометрической, физической оптики и светотехники;

–овладение фундаментальными принципами и методами решения научнотехнических задач, в частности овладение понятиями, законами и теориями геометрической и физической оптики, светотехники;

–формирование навыков по применению положений современной оптики и светотехники к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми профессионалу придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий; умений и навыков применении оптических средств различного назначения в отрасли;

–освоение основных теорий, позволяющих описать оптические явления, и пределов применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;

–ознакомление студентов с историей и логикой развития оптики и основных еѐ открытий.

Данная дисциплина включена в учебные планы для дистанционного обучения, а также в планы курсов для слушателей дополнительного профессионального образования.

Требования к результатам освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины «Основы оптики и светотехники» студент должен:

знать:

– основные оптические явления и основные законы оптики и светотехники, границы их применимости, применение законов оптики и светотехники в важнейших практических приложениях;

уметь:

–объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления

иэффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий;

–указать, какие законы описывают данное явление или эффект;

–различать оптические системы по степени коррекции на дифракционные и геометрические;

7

–использовать принципы и методы физической оптики для исследования особенностей взаимодействия излучения с оптическими средами;

–истолковывать смысл величин и понятий;

–записывать соотношения, связывающие физические величины, в системе СИ;

–работать с приборами и оборудованием современной оптической лаборатории;

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа

крешению конкретных естественнонаучных и технических проблем;

владеть навыками:

–использования основных оптических законов и принципов в важнейших практических приложениях, применения основных методов фотоники для решения технических задач;

–правильной эксплуатации основных приборов и оборудования современной оптической лаборатории;

–обработки и интерпретирования результатов эксперимента;

–использования методов моделирования в производственной практике.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. Введение. Описание световых полей. Энергетика световых полей.

Введение, задачи курса и его место в ряду других дисциплин. Основные свойства световых полей. Наблюдаемые (регистрируемые) характеристики поля. Интенсивность поля. Суперпозиция полей. Когерентное и некогерентное сложение полей. Волновое число и волновой вектор. Плоские и сферические волны. Плотность потока энергии поля. Энергетические единицы и соотношения между ними: поток лучистой энергии, сила излучения, энергетическая светимость, энергетическая яркость, облученность. Спектральные плотности энергетических величин. Инвариантность яркости вдоль луча. Световые величины: сила света, световой поток, освещенность, светимость, яркость. Относительная видность. Связь энергетических и световых величин. Виды и модели источников света.

Раздел 2. Геометрическая оптика. Геометрическая теория оптических изображений. Дифракционная теория формирования оптического изображения.

Приближение коротких длин волн. Волновые фронты и лучи. Траектории лучей в однородных и неоднородных средах. Оптическая длина луча.

8

Различные виды пучков. Гомоцентрические и негомоцентрические пучки. Фокусы и каустики. Астигматический пучок. Пучки конечной энергии. Основные законы геометрической оптики. Принцип Ферма, принцип таутохронизма. Пределы применимости геометрической оптики. Принципы и математические модели дифракции. Интеграл Гюйгенса-Френеля. Интеграл Кирхгофа. Структура и качество оптического изображения. Основные характеристики структуры изображения: функция рассеяния точки (ФРТ) и оптическая передаточная функция (ОПФ), связь между ними. Факторы, определяющие структуру оптического изображения. Преобразование поля в оптических системах. Распространение поля от точки предмета до выходного зрачка. Дифракция в пространстве изображений. Поле в изображении точки. Некогерентные оптические системы. Дифракционная структура изображения. Критерии качества оптического изображения. Предел разрешения по Релею.

Раздел 3. Свет и физиология зрения.

Глаз как оптическая система. Глаз как приемник оптического излучения. Определение понятия «цвет». Природа цветового ощущения. Спектральные цвета. Явления метамерности. Механизм цветовоспроизведения. Основы теории цветового зрения. Кривые основных возбуждений. Психологическая и психофизическая характеристики цвета. Действие сложных излучений на рецепторы сетчатки. Дополнительные цвета. Восприятие цвета на различных уровнях яркости.

Раздел 4. Реальные оптические системы. Аберрации.

Реальные лучи и их отличия от нулевых, условия прохождения лучей. Ограничение пучков в оптических системах. Апертурная диафрагма и зрачки, полевая диафрагма и люки. Апертурный и главный лучи. Передача перспективы в оптических системах. Энергетика оптических систем. Общие понятия об аберрациях, различные формы их представления: волновые, поперечные и продольные аберрации, связь между ними. Единицы измерения аберраций для различных типов изображения. Математическое описание и классификация аберраций. Графическое представление аберраций. Монохроматические аберрации: сферическая аберрация, кома, астигматизм и кривизна изображения, дисторсия. Неизопланатизм и условие синусов Аббе. Основные законы формирования реальных изображений. Закон косинусов. Обобщенный инвариант Лагранжа-Гельмгольца в реальной области. Хроматические аберрации. Хроматизм положения. Первичный хроматизм и вторичный спектр. Условие ахроматизации. Хроматизм увеличения.

Раздел 5. Источники излучения и их классификация. Источники света, приемники излучений, их взаимодействие.

9

Классификация по геометрическим характеристикам и мощности излучения. Точечные источники света, область применения. Протяженные источники излучения (световые линии, трубки), область их применения. Пространственное представление об источниках света, фотометрическое тело. Классификация по спектральным характеристикам. Тепловые источники света, абсолютно черное тело и связанные с ним законы. Цветовая температура источника излучения. Принципы определения. Газоразрядные и люминесцентные источники света, их спектральная характеристика, принцип работы. Электродуговые, газонаполненные источники света. Светодиоды. Применение источников света на автомобильном транспорте и в сфере организации дорожного движения.

Осветительные системы и прожекторы. Проекторы. Фотографическая оптика. Видоискатели. Микроскопы.

Раздел 6. Природа и психология цвета. Метрология цвета. Колориметрические системы.

Методы образования цвета. Аддитивный синтез цвета. Основные цвета аддитивной смеси. Основные законы аддитивного синтеза. Субтрактивный синтез цвета. Формы кривых поглощения идеальных и реальных красок. Субтрактивный синтез идеальными красками в проходящем и отраженном свете. Схема субтрактивного синтеза цвета. Уравнение субтрактивного синтеза. Метрология цвета. Цветовое пространство. Определение цвета, как векторной величины. Общие сведения о цветовом пространстве. Особые линии и плоскости цветового пространства XYZ , плоскости единичных цветов, плоскости равных яркостей, линии равных яркостей. Диаграмма цветности rg. Диаграмма цветности xy. Ее свойства. Перемещение белой точки по локусу цветовых температур. Координаты стандартных источников света. Определение цветового тона через доминирующую длину волны и насыщенности через колориметрическую чистоту по диаграмме xy. Колориметрические системы. Основные колориметрические системы. Принципы измерения цвета. Основы построения колориметрических систем. Основная физиологическая система КЗС. Основы колориметрической системы CIERGB. Ее яркостные коэффициенты, световые и энергетические колориметрические единицы, связь между ними. Основы системы CIEXYZ . Расчет яркости в системах RGB и XYZ. Расчет координат цветов излучений, произвольной мощности и цветовых координат несамосветящихся тел. Удельные координаты. Кривые сложения rgb и xyz . Колориметрические источники света. Расчет характеристик цвета по спектрофотометрическим кривым общим методом и методом избранных ординат.

10

Раздел 7. Принципы голографии.

Голографический принцип записи изображения. Поле взаимодействия световых волн от двух точечных монохроматических и квазимонохроматических источников. Образование голограммы и восстановление волн рассеянных предметом. Типы голограмм. Голограмма как дифракционная решетка. Голограмма точечного объекта. Схемы записи голограмм по Габору, ЛейтУпатниексу и Денисюку. Основные уравнения голографии. Схемы получения голограмм различных типов. Свойства голограмм. Техника голографического эксперимента.

Раздел 8. Лазерная оптика и волноводное распространение поля.

Излучение электромагнитных волн совокупностью когерентных источников. Поглощение и усиление волн, распространяющихся в среде. Эффект насыщения. Принцип действия оптического квантового генератора. Типы ОКГ. Рубиновый лазер. He-Ne - лазер. Лазеры на красителях. Спектр излучения ОКГ. Принцип цикличности. Конфигурация поля излучения оптического квантового генератора. Типы резонаторов. Модовая структура излучения ОКГ. Световоды полного внутреннего отражения. Числовая апертура. Эффективная толщина. Модовое распространения света. Эффективный показатель преломления и константа распространения. Условие согласования фаз. Оптическое волокно. Типы волоконно-оптических волноводов: ступенчатые и градиентные. Ослабление света и искажения сигнала в оптических волокнах. Структура волокон. Типы волокон. Назначение. Распространение света в волокнах. Характеристики волокон. Материалы, используемые для производства волокон. Применение оптических волокон в сфере обеспечения безопасности дорожного движения.

Импульсный отклик и передаточная функция. Фоконы, фоклины, селфоки. Применение лазерной техники при эксплуатации автомобилей и в сфере обеспечения безопасности дорожного движения. Безопасность лазерных технологий. Жидкокристаллические дисплеи. Светодиодные дисплеи.

Раздел 9. Интерференционные и спектральные приборы. Поляризационные элементы.

Основные характеристики интерференционной картины и параметры интерференционной схемы. Условия образования и наблюдения интерференционных полос различного вида. Интерференционная метрология. Принципы построения и принципиальные схемы двухлучевых интерферометров. Интерферометр сдвига. Типы интерференционных схем. Трехлучевая интерференция. Многолучевая интерференция при делении амплитуды световой волны. Многолучевая интерференция при делении фронта световой волны. Многолучевые интерференционные приборы. Эталон Фабри-Перо и его ха-