1.Электромагнитная и корпускулярная природа света. Оптический диапазон электромагнитных волн.

Опыт Юнга (интерференция света. Интерференция – физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.

1801г. 1816 –Френель дифракция.

Дифракция (результат интерференции) – физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.

1860-1865 –Максвелл (В 1860 г. знаменитый английский физик Джеймс Клерк Максвелл создал единую теорию электрических и магнитных явлений, в которой он использовал понятие ток смещения, дал определение ЭМП и предсказал существование в свободном пространстве электромагнитного излучения, которое распространяется со скоростью света.)

1905-квантовая теория. (свет частица.) Обяснение фотоэффекта. (Фотоэффект- явление вырывания электронов с поверхности тел под действием света.)

Корпускулярно- волновой дуализм. (свети и волна и частица.) Опрический диапазон ЭМВ мкм. , cT, где с= 3*10^8 м\с. (4 8) 10^14 Гц. (2,5 5,0) 10^15 с.

. С увеличением частоты усиливаются корпускулярные свойства волн.

2. Принцип Гюйгенса-Френеля.

1678г. – он позволяет объяснить отражение, преломления монохроматического света. По Гюйгенсу: каждая точка волнового поля является центром вторичных сферических волн такой же частоты и

. Новое положение фронта волны через представляет собой большую поверхность вторичных волн.

Принцип Гюйгенса чисто геометрический. Он позволяет определить равенство углов, отражение и дифракцию, но не затронул вопроса об интенсивности, распространения за оградой световых волн. Френель дополнил: волновое возмущение в любой точке пространства можно рассматривать как интерференцию от вторичных источников на которых разбивается фронт волны. Если источники когерентны то они либо усиливают либо ослабляют друг друга.

3. Принцип Ферма.

1662г. Из всех возможных кривых соединяющих две точки, свет движется по такой траектории, где время прохождение которой минимально. Следствие: оптически равными считаются 2 отрезка, которые свет проходит за равные промежутки времени, не зависимо от того, в какой среде они находятся. Если S1 и S2- это прямолинейные геометрические пучки, то оптически равными можно считать 2 отрезка если выполняется соотношение:

, где 1 и 2 скорости света где расположены эти отрезки. «Природа всегда следует кратчайшему пути.»

и Оптическая длинна пути светового луча, есть произведение показателя преломления среды на геометрическую длину хода луча в этой среде.

Условие экстремальности оптического пути приводит к требованию:

и .

4. Закон прямолинейного распространения света.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

В неоднородной среде свет распространяется по кривой и поломанной линии. Закон теряет силу если мы придём к очень маленьким отверстиям. (дифракционное явление.)

5. Закон отражения света от зеркальной поверхности.

Падающий луч, нормаль и отражённый луч лежат в одной плоскости. Следствия: 1) угол падения =углу отражения.

А) отражение луча поверхностью тонкого цилиндра.

Б) отражение луча материальной точкой.

2) если луч падает на материальную точку, то отражается от неё по всем направлениям.3) при отражении от точечного цилиндра, лучи образуют коническую поверхность.

6. Закон преломления света на границе двух прозрачных сред.

При переходе из одной однородной прозрачной среды в другую , луч изменяет своё направление на полированной границе в точке встречи его со второй средой, при этом падающий луч, нормаль и отражённый луч лежат в одной плоскости.

. Воздух изотропная среда. Приломление будет отсутствовать если n=1.

7. Полное внутреннее отражение.

Оно наступает тогда, когда угол падения луча который идёт из более оптически плотной среды в менее плотную.

Если , свет полностью отразится- внутренним отражением. угол полного внутреннего отражения. Изменением пользуются при измерении преломления алмазов, а также в волоконной оптике для измерения хода луча.

8.

Явление связанное с зависимостью показателя преломления от длины волны и частоты наз-ся дисперсией n=f(

Дисперсия-это разложение белого цвета в спектр. Все тела,нек-ой области нормальной дисперсии сильно поглащ-т цвет в области для которой характ-на аномальная дисперсия.

-нормальная дисп-я; и -обл-ти норм-ой дисперсии; ( <0-аномальная дисп-я.

Электронная теория дисп-ии:(в1871Зельмейер дал объяснение)особенность теории-это допущение, что молекула обладает особой частотой колебаний молекулы.Благодаря собс-й частоте колебаний объясн. полосы поглощения.

9.

Энергия изл-я явл-ся основной кол-ой мерой, её иногда называют лучистой энергией. Ее так называют в отличии от энергии опред. другой системной еденицей, измеряется в (Дж), в некоторых случаях исп-ют калории. 1кал=4,187Дж; 1Дж=0,239кал. Электрон-вольт-хар-ка взаимод-я между части-ми 1эВ=1,6×10-19Дж; 1Дж=6,25×1018эВ.

10.

В основу энерг-х величин удобно положить не энергию, а мощность её переноса- т.е. энергию излучения, переносимую потоком фотонов в ед-цу времени. Мощность энергии наз-ют энергетическим потоком или потоком излучения, лучистым потоком изл-я. , где энергия излучения или эн-я переносимая фотонами в ед. времени 1Вт=1Дж/с. Зная распред. потока можно найти энергию изл-я как интеграл => Для полной качеств-й или колич-ой хар-ки излучения нужно знать:1)распред-е потока или энергии во времени 2)распред-е потока по спектру 3)распр-е потока в пространстве. Для периодически меняющ-ся изл-я нужно определить среднее значение за период и знать коэфф-нт пульсации Расчёт велич. энергетич-го потока + (интеграл-для сплошной составляющей,сумма для линий). Для расчёта конкретного источника

11.

Всё излуч-е по спектральному составу можно разделить на монохр-ое и сложные. Сложное изл-е отлич-ся от монохр-го тем, что это совокупность монохр-х излучений.

Сложные излуч-я:они могут иметь линейчатый, полосатый, сплошной и смешанный спектры.

Линейчатый спектр характерны для люминисц-х газов.(газоразрядные источники) Содержит набор отдел-х монохр-х линий

Сплошной спектр состоит из сплошной сост. спектра (лампа накаливания) -спектр. плотность энерг-ого потока Вт/м2

Смешанный спектр вкл. сплошную и лин-ю составл-юю.

Полосатый спектр

12.

Приемником изл-я называют орган чувчтв или уст-во, преобраз-щее поглащ-мое излуч-ев энергию других видов:электрич-ю, химич-ю, тепловую. Работа ПИ основана на законе сохр-я энергии. 2 вида ПИ:физические, биологич-е. Физич-е- фотоэлемент фотоэмульсии, люминофор. Биологич-е-орган зрения человека, лист растения и т.д. Каждый приемник изл-я характ-ся световой и интегр-ой чувств-ю. Интегр-я чувств-ть- S. ; -полезн. преобраз-я приемн-а энергии. ; -энерг-я изл-я; с-коэфф опр. Выбор едениц. изм-ся в Кл/Дж.

Спектральная чувств-ть: ; -редуциров-ый поток для ; ;для удобства польз-я относ-й спектр-ой чувств-ю =Smax* ; -безразм-ая величина. Редуцированные энергия и поток которые определены для образ-я визуального приемника называется световой энергией и световым потоком. Световая энергия(лм*с): ;световой поток(лм): ; -чувств. обр. ПИ для излучениясо смешанным спектром

13.

Поверхн-ю плотность потока опр-т для элемента пов-ти источника света dAи; M=dФ/dАи –светимость; E=dФ/dАобл –освещенность. Если светимость и освещ-ть опред-ся в системе энергетич-х величин, то это будет энергетич-я свет-сть и освещенность;Ме ->Вт/м2;Мv->лм/м2;Ее->Вт/м2 ;Еv ->лк. Освещенность плоского эл-та пов-ти произвольной формы, которая созд-т для точечного источника (вычисл-ся по закону квадр расстояний) , где ; -расст-е от источника до эл-та площадки , в общем случае.

Сила света точечного источника это пространств-я плотность потока излуч-я в пределах элем-го телесного угла

Телесный угол-это чать простр. ограниченная конической поверхн-ю, вершина которой это точка в которой расположени наш источник

; ; угол между нормалью к элем-у и напр-ем от телесной вершины до угла.

14.

- яркость,она характ-ет распред. потока по направлению и по светящей пов-ти ; Le=(Вт/м2*ср) Lv=(кд/м2). Если знаем распределение яркости и светящей пов-ти, можем найти силу света Очень частофактич-ю светящ-ю пов-ть заменяют габар. фигурой ; Светимость пов-ти- плотность излуч-я светового потока по площади пов-ти излуч-го тела M=dФ/dА или ; ; -спектральная плотность

А)для отраж-го изл-я:

Б) для изл-я проходящее через рассеив-ие материалы:

Излучатели с равномерным распределением яркости по своей пов-ти имеют разное распределение силы света в пространстве в зависимости от их формы. Распред-е силы света, постр. в полярн-х коорд-ах наз-ся индекатриссой силы света о.е.

1)равнояркий шар =const Ф=4π*I

2)Диск =L*Апр.изл.=LАпр.изл.cos ;индикатрисса силы света имеет вид окр-ти, фотометр. тело шар. ; Ф=

3)цилиндр: фотометрическое тело ассиметрично, ось симметрии //оси цилиндра индик.- окружность фотометр. тело-тороид без отверстия

15. Интегральные характеристики светового поля.

Эффективный поток представляет собой величину, отличающуюся от потока излучения лишь тем, что он оценивается мерой реакции приемника. Следовательно, при определении его должна быть принята во внимание спектральная чувствительность приемника. Во всех других отношениях эффективный поток аналогичен потоку излучения. По аналогии с однородным потоком излучения мы можем говорить об эффективном (однородном) потоке, по аналогии с силой излучения – о пространственной плотности эффективного потока, по аналогии с плотностью облучения – о плотности эффективного потока по облучению поверхности, и т.д. Эффект действия какого либо излучения на любой образцовый приемник можно оценивать отношением эффективного потока к потоку излучения.

Коэффициент излучения

16. Световой вектор, световые линии, световые трубки.

L α, β – яркость, она характеризуется распределением потока по направлению и по светящей поверхности.

Если знаем распределение яркости и светящей поверхности, можем найти силу света.

Очень часто фактическую светящую поверхность заменяют габаритной фигурой.

Светимость поверхности – плотность излучаемого (отражаемого) светового потока по площади поверхности излучающего (отражающего) тела.

; или

- спектр. плотность

а) для отраженного излучения

б) для излучения, проходящего через рассеивающие материалы

17. Типы излучателей и их характеристики.

Излучатели с равномерным распределением яркости по своей поверхности имеют разное распределение силы света в пространстве в зависимости от их формы. Распределение силы света, построенное в полярных координатах называется индикатрисой силы света.

Равнояркий шар.

Диск.

Индикатриса силы света имеет вид окружности, фотометр. тело шар.

Равнояркий цилиндр.

Фотометрическое тело ассиметрично. Ось симметрии параллельна оси цилиндра.

Индикатриса - окружность.

Дот. тело - тороид без отверстия.

;

18. Прохождение света через границу раздела двух сред: отражение, преломление и ослабление излучения. Формулы Френеля.

Световое поле - это поле оптического нуля, характеризующееся распределением в пространстве световых величин (яркость, поток, освещенность).

- световое поле.

Распределение яркости задается телом распределения яркости – это геометрическое место точек, радиус векторов яркости пространства по соответствующим направлениям. Разнообразные приемники нуля могут иметь разную форму. Воздействие поля на такие приемники характеризуется интегрированными характеристиками освещенности. Они находятся как средняя плотность светового потока на пробной поверхности.

Берем пробную поверхность :

Функция ценности нуля ; - элем. телесный угол.

Фо́рмулы Френе́ля определяют амплитуды и интенсивности преломлённой и отражённой электромагнитной волны при прохождении через плоскую границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Названы в честь Огюста Френеля, французского физика, который их вывел. Отражение света, описываемое формулами Френеля, называется френелевским отражением.

Формулы Френеля справедливы в том случае, когда граница раздела двух сред гладкая, среды изотропны, угол отражения равняется углу падения, а угол преломления определяется законом Снеллиуса. В случае неровной поверхности, особенно когда характерные размеры неровностей одного порядка с длиной волны, большое значение имеет диффузное рассеяние света на поверхности.

При падении на плоскую границу различают две поляризации света. s-Поляризация — это поляризация света, для которой напряжённость электрического поля электромагнитной волны перпендикулярна плоскости падения (т.е. плоскости, в которой лежат и падающий, и отражённый луч). p-Поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения.

Формулы Френеля для s-поляризации и p-поляризации различаются. Поскольку свет с разными поляризациями по-разному отражается от поверхности, то отражённый свет всегда частично поляризован, даже если падающий свет неполяризован. Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера; он зависит от отношения показателей преломления сред, образующих границу раздела.

Переменные, используемые в уравнениях Френеля

s-Поляризация

s-Поляризация — это поляризация света, для которой напряжённость электрического поля электромагнитной волны перпендикулярна плоскости падения (т.е. плоскости, в которой лежат и падающий, и отражённый луч).

где — угол падения, — угол преломления, — магнитная проницаемость среды, из которой падает волна, — магнитная проницаемость среды, в которую волна проходит, — амплитуда волны, которая падает на границу раздела, — амплитуда отражённой волны, — амплитуда преломлённой волны. В оптическом диапазоне частот с хорошей точностью и выражения упрощаются до указанных после стрелок[1].

Углы падения и преломления для связаны между собой законом Снеллиуса

Отношение называется относительным показателем преломления двух сред.

Коэффициент отражения

Коэффициент пропускания

Обратите внимание, коэффициент пропускания не равен , так как волны одинаковой амплитуды в разных средах несут разную энергию.

p-Поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения.

где , и — амплитуды волны, которая падает на границу раздела, отражённой волны и преломлённой волны, соответственно, а выражения после стрелок вновь соответствуют случаю [1].

Коэффициент отражения

Коэффициент пропускания

Нормальное падение

В важном частном случае нормального падения света исчезает разница в коэффициентах отражения и пропускания для p- и s-поляризованных волн. Для нормального падения

19. Структура органа зрения. Оптическая и световоспринимаюшая система глаза.

Физиологическая оптика - это наука о зрительных ощущениях, которые возникают в организме человека в результате работы органа зрения. Орган зрения состоит из двух глаз, зрительных нервов и зрительного центра коры головного мозга.

1 : задняя камера; 2: зубчатый край; 3: ресничная мышца; 4: ресничный поясок; 5: Шлеммов канал; 6: зрачок; 7: передняя камера; 8: роговица; 9: радужная оболочка; 10: кора хрусталика; 11: ядро хрусталика; 12: цилиарный отросток; 13: конъюнктива; 14: нижняя косая мышца; 15: нижняя прямая мышца; 16: медиальная прямая мышца; 17: артерии и вены сетчатки; 18: слепое пятно (сосочек зрительного нерва); 19: твердая мозговая оболочка; 20: центральная артерия сетчатки; 21: центральная вена сетчатки; 22: зрительный нерв; 23: вортикозная вена; 24: влагалище глазного яблока; 25: жёлтое пятно; 26: центральная ямка; 27: склера; 28: сосудистая оболочка глаза; 29: верхняя прямая мышца; 30: сетчатка.

Сетчатка имеет слоистое строение. Микроскопически в ней выделяют 10 слоёв. Самый наружный слой является свето-(цвето-)воспринимающим, он обращен к сосудистой оболочке (вовнутрь) и состоит из нейроэпителиальных клеток — палочек и колбочек, воспринимающих свет и цвета (у человека световоспринимающая поверхность сетчатки очень мала — 0,4-0,05 мм, следующие слои образованы проводящими нервное раздражение клетками и нервными волокнами). Свет входит в глаз через (светопроводящие и светопреломляющие среды) роговицу, проходит последовательно сквозь жидкость передней (и задней) камеры, хрусталик и стекловидное тело, пройдя через всю толщу сетчатки, попадает на отростки светочувствительных клеток — палочек и колбочек. В них протекают фотохимические процессы, обеспечивающие цветовое зрение. Сетчатка позвоночных анатомически «вывернута наизнанку», поэтому фоторецепторы расположены в задней части глазного яблока (конфигурацией «задом нарерёд»).

Возбуждение сетчатки определяется ее освещенностью.

L – яркость предмета

τ – коэффициент пропускания

Азр – площадь зрачка

ℓ – длина глаза

Яркость – величина объективная, ее можно измерить яркомером, а светлота – субъективная.

Стандартные условия среды наблюдения:

; α = 2-4 градуса ; белое поле адаптации ; t => 5 min