Обучение

Содержание курса

Световые волны и их свойства. Идеальные оптические системы.

• Основные свойства световых полей. Уравнения Максвелла. Математическое описание электромагнитных волн: волновые уравнения, переход к скалярной теории, монохроматические поля, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца. Регистрируемые характеристики поля: интенсивность, когерентное и некогерентное сложение полей. Волновое число и волновой вектор. Плоские и сферические волны.
• Энергетические единицы и соотношения между ними (поток лучистой энергии, сила излучения, энергетическая светимость, энергетическая яркость, облученность). Спектральные плотности энергетических величин. Инвариантность яркости вдоль луча. Поглощение света средой. Световые величины (сила света, световой поток, освещенность, светимость, яркость). Относительная видность. Связь энергетических и световых величин. Виды и модели источников света. Освещённость от источников различной формы. Яркость рассеивающей поверхности.
• Отражение и преломление света на границе раздела двух сред. Законы преломления и отражения. Полное внутренне отражение. Формулы Френеля. Соотношения между амплитудами падающих, прошедших и отраженных волн. Различные случаи падения и отражения света: нормальное падение. Угол Брюстера, просветление оптики.
• Приближение коротких длин волн и уравнение эйконала. Основные понятия геометрической оптики: волновой фронт и лучи, оптическая длина луча, конгруэнция лучей. Основные законы геометрической оптики: закон независимого распространения лучей, закон обратимости, закон прямолинейного распространения, закон преломления и отражения, принцип таутохронизма, принцип Ферма, закон Малюса-Дюпена, инварианты. Пучки лучей: гомоцентрические, негомоцентрические, астигматические. Перенос поля в приближении геометрической оптики. Пределы применимости геометрической оптики. 
• Описание оптических систем: элементы оптических систем и их взаимное расположение в оптической системе. Теория идеальных оптических систем: линейное, угловое, продольное увеличение, кардинальные точки и отрезки, построение изображений. Основные соотношения параксиальной оптики: зависимость между положением и размером предмета и изображения, угловое увеличение и узловые точки, связь продольного увеличения с поперечным и угловым, диоптрийное исчисление, инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

Реальные оптические системы. Качество оптического изображения.

• Преобразование координат лучей оптической системой. Матрица преобразования лучей: общий вид, геометрический смысл элементов. Виды матриц преобразования. Матрицы преломления и переноса. Матрицы оптической системы, состоящей из нескольких компонентов. Расчет параксиальных лучей через оптическую систему. 
• Реальные лучи. Расчет хода реальных лучей. Условия прохождения лучей через поверхность. Ограничения пучков лучей. Апертурная диафрагма. Полевая диафрагма. Виньетирование. Описание предметов, изображений и зрачков.
• Общие понятия об аберрациях, различные формы их представления (волновые, поперечные, продольные), связь между ними. Монохроматические аберрации. Разложение волновой аберрации в ряд: дефокусировка, сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия. Хроматические аберрации: хроматизм положения, хроматизм увеличения.
• Основные характеристики структуры изображения: ФРТ, ОПФ, гармонический периодический объект. Схема формирования оптического изображения. Дифракционная структура изображения. Безаберрационная ФРТ и ОПФ. Влияние неравномерности пропускания по зрачку ФРТ. Предельная пространственная частота. Критерии качества оптического изображения: предельная разрешающая способность по Релею, разрешающая способность по Фуко. Влияние аберраций на ФРТ и ОПФ. Число Штреля, формула Марешаля, допуск Марешаля для малых аберраций. Геометрически- и дифракционно-ограниченные оптические системы.

Литература

Геометрическая оптика / Л.Н. Андреев и др. — Открытое образование. — Режим доступа: https://openedu.ru/course/ITMOUniversity/GEOOPT/

1. Основы оптики. Конспект лекций / под редакцией Шехонина А.А. - 2-е изд. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 156 с. ([Электронный ресурс] http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_basic_optics_2008.pdf)
2. Иванова Т.В. Основы оптики. Методические рекомендации к выполнению лабораторного практикума. Под редакцией Шехонина А.А. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 133с. ([Электронный ресурс] http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_basic_optics_lab_2008.pdf)
3. Толстоба Н.Д., Багдасарова О.В., Карпова Г.В. Основы оптики. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов. Часть 1. Под редакцией Шехонина А.А. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 110. ([Электронный ресурс] http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_basic_optics_task_2009_part1.pdf)
4. Толстоба Н.Д., Багдасарова О.В., Карпова Г.В. Основы оптики. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов. Часть 2. Под редакцией Шехонина А.А. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 95 с. ([Электронный ресурс] http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_basic_optics_task_2009_part2.pdf)
5. Стафеев, С.К. Основы оптики [Электронный ресурс] : учебное пособие / С.К. Стафеев, К.К. Боярский, Г.Л. Башнина. — Электрон. дан. — Санкт-Петербург : Лань, 2013. — 336 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/32822. — Загл. с экрана.
6. Бутиков, Е.И. Оптика [Электронный ресурс] : учебное пособие / Е.И. Бутиков. — Электрон. дан. — Санкт-Петербург : Лань, 2012. — 608 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/2764. — Загл. с экрана.
7. Заказнов, Н.П. Теория оптических систем [Электронный ресурс] : учебное пособие / Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. — Электрон. дан. — Санкт-Петербург : Лань, 2008. — 448 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/147. — Загл. с экрана.
8. Вычислительная оптика : справочник / М. М. Русинов [и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. М. М. Русинова .— Изд. 2-е .— М. : Издательство ЛКИ, [2008] .— 423 с. : ил. — Библиогр.: с. 413-414 .— Предм. указ.: с.415-419.
9. Основы геометрической оптики : рек. УМО по образованию в обл. приборостр. и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направл. 200200 "Оптотехника" и спец-сти 200203 "Оптико-электрон. приборы и системы" / Г. А. Можаров .— М. : Логос, 2006 .— 278, [2] с. : ил. — (Новая университетская библиотека) .— Библиогр.: с. 279-280. 
10. Техническая оптика / Г. Шрёдер, Х. Трайбер ; пер. с нем. Р. Е. Ильинского .— М. : Техносфера, 2006 .— 424 с. : ил.