ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА ЛЕКЦИЯ 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА ЛЕКЦИЯ№ 1

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА Дисциплина базируется на знаниях обучающимися теоретических основ современной оптики, основных законов распространения света и формирования изображений, свойств оптического излучения и его взаимодействия с веществом, приобретенных при изучении дисциплин "Физика" и "Основы оптики". Задачами преподавания дисциплины, связанными с ее содержанием, являются: • сформировать у студентов необходимый объем знаний об элементной базе оптических систем; • ознакомить обучающихся c основными характеристиками, типами и моделями оптических систем; • обеспечить получение студентами знаний основных принципов построения и функционирования базовых типов оптических систем; • ознакомить обучающихся с основами компьютерного расчета и проектирования оптических систем; • обеспечить приобретение студентами практических навыков начального синтеза, габаритного расчета, исходного выбора оптических схем и применения типовых методов компьютерного анализа и оптимизации оптических систем различных классов.

ТРЕБОВАНИЯ Студент считается освоившим содержание дисциплины, если он: • знает элементную базу оптических систем, их основные типы, назначение и работу в составе системы; • знает теорию и принципы действия базовых типов оптических систем; • знает общую методологию и основные этапы компьютерного проектирования оптических систем; • умеет оценить влияние каждого элемента оптической системы на формирование изображения и может предложить его оптимальную реализацию; • владеет основными методами проведения габаритных, энергетических и предварительных аберрационных расчетов оптических систем; • может определить требуемые характеристики оптической системы, исходя из поставленной задачи, и оценить их предельные значения; • умеет определять характеристики отдельных компонентов оптических систем и по ним подбирать ближайшие к требуемым компоненты; • имеет представление об основных пакетах автоматизированного проектирования оптики; • умеет применять отдельные пакеты прикладных программ для анализа и оптимизации оптических систем

ОЦЕНКА ЗНАНИЙ Оценка по предмету складывается из: Работа на лекциях и практиках – 40 баллов 1 ДЗ – 5 баллов 1 КР – 10 баллов Итоговый коллоквиум – 30 баллов Итоговая оценка: «отлично» – 91 -100 баллов «хорошо» - 76 -90 баллов «удовлетворительно» – 61 -75 баллов

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА • Прикладная оптика: учебное пособие для вузов/ Л. Г. Бебчук [и др. ] ; ред. Н. П. Заказнов. - Изд. 2 -е, стер. . - СПб. : Лань, 2007. • Оптика: учебное пособие для вузов/ Е. И. Бутиков. - Изд. 2 -е, перераб. и доп. . - СПб. : БХВ-Петербург: Невский Диалект, 2003. • Оптика: учебное пособие для вузов/ Г. С. Ландсберг. - Изд. 6 -е, стер. . - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003 или 2006

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА • Прикладная оптика: учебное пособие для вузов/ ред. А. С. Дубовик. - М. : Недра, 1982. • Прикладная оптика и оптические измерения: учебное пособие для сред. спец. учеб. завед. / Н. П. Гвоздева, К. И. Коркина. - М. : Машиностроение, 1976.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Вводная лекция Основные положения геометрической оптики Качество изображения, аберрации Линзы Зеркала, дифракционные решетки Пластины, призмы Крепление оптических деталей (КР № 1) Телескопические системы Оптические материалы Параметры оптических материалов Производство оптических деталей Чертежи оптических деталей Оптические приборы Оптические системы для лазеров (КР № 2) Итоговый коллоквиум

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ • • Прикладная оптика и ее роль в науке и технике Шкала э/м волн Классификация оптических приборов Требования к оптическим приборам

ВВЕДЕНИЕ ОПТИКА (греч. optikē - наука о зрительных восприятиях, от optos - видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

ВВЕДЕНИЕ • Геометрическая оптика Исходит из эмпирических законов распространения света и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Наибольшее значение геометрическая оптика (с частичным привлечением волновой оптики) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

ВВЕДЕНИЕ • Физическая оптика – наука, рассматривающая вопросы, связанные с природой света и световых явлений. • Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической оптики - волновой оптике.

ВВЕДЕНИЕ • Физиологическая оптика - наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия. • Строение глаза • Свойства глаза • Зрительные функции

ВВЕДЕНИЕ Прикладная оптика – это комплекс теоретических и прикладных дисциплин, изучающих: • общие законы и принципы оптики; • оптическое изображение; • основы, методы и технологии проектирования контроля, аттестации и юстировки оптических систем и оптических приборов.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 1. Компьютерное проектирование оптических систем Цель – получение конструктивных и технологических параметров оптических систем требуемого качества Синтез – Анализ – Оптимизация Пакеты программ: Zemax, Code. V, Synopsys, OSLO, Light. Tools, Trace. Pro, OPAL-PC и т. д.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 2. Конструирование оптических приборов Цель – разработка оптического прибора в целом (от функциональной схемы до деталей и узлов) Задачи: • исследование общей теории проектирования оптических приборов; • анализ технического задания и постановка задачи; • разработка функциональной схемы оптического прибора; • конструирование различных деталей и узлов; • оценка технологичности конструкторских решений.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 3. Автоматизация проектирования оптических приборов Цель – разработка ПО для построения единой технологической цепочки CAE/CAD/CAM/ Задачи: • разработка специализированных программных приложений; • трехмерное моделирование конструкции оптических приборов; • обеспечить обмен и передачу данных с применением различных пакетов программ.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 4. Компьютерное моделирование формирования оптического изображения и оптических явлений Цель – моделирование работы оптического прибора или физического явления на основе математических методов Задачи: • моделирование формирования изображения различными изображающими системами; • моделирование оптических явлений и процессов.

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 5. Обработка оптических изображений Цель – коррекция изображений: уменьшение дефокусировки, устранение смазанного изображения, коррекция слишком больших или коротких экспозиций, устранение шума. Задачи: • анализ качества по данным контроля (интерферограммы, гартманограммы и т. д. ) • извлечение дополнительной информации • дистанционный анализ изображений

НАПРАВЛЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ 6. Компьютерное управление оптическими приборами и процессами Цель – повышение точности перемещений в пространстве и точности управления временными процессами Задачи: • управление приборами оптической астрономии, космическими объектами; • автоматизация оптических экспериментов и измерений; • автоматизация сборки и юстировки оптических приборов; • контроль систем за пределами видимой области спектра.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Оптические приборы - приборы, действие которых основано на использовании электромагнитной энергии

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ По виду приемника лучистой энергии: 1. Визуальные - приемник глаз. К ним относятся: всевозможные наблюдательные приборы, приборы прицеливания и наводки, приборы для измерения линейных, угловых размеров и других величин, все виды микроскопов и луп. 2. Приборы, в которых приемником лучистой энергии служат химические реагенты (фотоэмульсии), люминесцирующие вещества, электронные приборы (фото- и киноаппараты, спектрографы, электронно-оптические системы), проекционные, осветительные и сигнальные приборов и др.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ По принципу расположения предмета и формируемого изображения: • • • Микроскопы; Телескопы; Фотоаппараты; Проекционные приборы; Осветительные устройства

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Микроскопы Предмет находится на близком расстоянии, изображение – на бесконечности. Микроскопы расширяют возможности зрения при наблюдении близких, но очень мелких объектов

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Телескопы Предмет удален, изображение – на бесконечности. Подзорная труба, бинокль, телескоп расширяют возможности зрения при наблюдении удаленных объектов

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Фотоаппараты Предмет удален, изображение – на близком расстоянии. Фотоаппараты и видеокамеры предназначены для формирования и записи изображения на приемнике изображения (фото- и кинопленка, ПЗСматрица)

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Проекционные приборы Предмет и изображение на близком расстоянии Приборы служат для изменения масштаба и переноса изображения.

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ • Осветительные приборы Создание определенных условий освещения и создания специальных световых эффектов

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ • Обеспечение надлежащего качества оптической системы. 1) выбор наилучших параметров оптической системы; 2) высокая степень коррекции при расчете и назначение оптимальных допусков на детали и узлы; 3) применение соответствующих отражающих, просветляющих, светоделительных и других покрытий оптических деталей; 4) применение необходимых средств для уменьшения вредного рассеянного света внутри прибора (бленды, диафрагмы, светопоглощающие отделки деталей, поляризационные светофильтры); 5) надежное крепление (при отсутствии деформации) оптических деталей и обеспечение необходимых юстировок; 6) учет и компенсация влияния температуры на оптические свойства приборов. • Конструкция должна обеспечивать при всех условиях эксплуатации, включая температурные колебания, заданный предел разрешения (разрешающую способность).

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ • Обеспечение требуемой точности механизмов прибора. 1) выбором оптимальной кинематической схемы (в передаче движения участвует малое число звеньев и использованы наиболее точные виды передач, возможна компенсация ошибок); 2) назначением надлежащих допусков на элементы кинематики в соответствии с расчетом механизма на точность; 3) правильным выбором материалов (с учетом температурной компенсации); 4) необходимой жесткостью деталей; 5) минимальным трением в подвижных сопряжениях; 6) назначением классов чистоты обработки, термообработки рабочих поверхностей подвижных деталей, которые обеспечивали бы требуемые точности и износоустойчивость.

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ • Надежность прибора в эксплуатации 1) прочностью и устойчивостью крепления деталей, узлов и всего прибора. 2) надлежащим выбором материалов и обработки трущихся деталей, обеспечением их смазки, применением направляющих (подшипников) с малым трением; 3) достаточной герметизацией полостей прибора, в которых расположены оптические детали, применением надежных сальников, надежных уплотнений и стойких уплотнительных замазок для наружных деталей (крышек, защитных стекол и т. п. ). 4) применением коррозионностойких материалов, стойких от налетов и разрушений оптических стекол и надежных защитных покрытий механических и оптических деталей; 5) применением токопроводящих (обогревающих) покрытий наружных оптических деталей; 6) прочностью и надежностью средств укладки, хранения и транспортировки.

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ • Удобство в эксплуатации. 1) удобным расположением окуляров, наличием наглазников и налобников, защищающих от попадания постороннего света в глаз наблюдателя и создающими малую утомляемость при работе. 2) удобным расположением шкал и их хорошей видимостью; 3) удобным расположением и формой рукояток управления, легкостью и плавностью их движения и четкой фиксацией в нужных положениях; 4) наличием стеклоочистителей «дворников» и обогрева защитных стекол (при необходимости); 5) удобством установки сменных частей (например, сменных объективов, кассет и т. д. ); 6) возможностью удобной и легкой замены быстро изнашиваемых частей; 7) малым весом и удобством переноски приборов, удобством укладки и выемки из футляра. • Очень важное значение имеет красивый внешний вид (форма) прибора. Окраска должна быть красивой и способствовать меньшей утомляемости работающего.

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ • Технологичность конструкции 1) применением материалов и форм деталей, допускающих наиболее прогрессивные виды обработки (литье под давлением, точное литье, горячая и холодная штамповка, обработка на автоматах и револьверных станках, групповые методы обработки); 2) назначением соответствующих допусков; 3) возможно большим применением нормализованных, унифицированных и заимствованных деталей, а также стандартных покупных изделий.