Fundamentos Ópticos de La Ingeniería - Apuntes - Temas 1 - 4 PDF

Preview

Summary

Download Fundamentos Ópticos de La Ingeniería - Apuntes - Temas 1 - 4 PDF

Description

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Tema 1 – Óptica Geométrica -

Óptica geométrica (Óptica paraxial): Determine the path of energy through different mediums Object dimensions much greater than wavelength

-

Refractive Index: n = c/v (c = speed in vaccum) (v = velocity in medium)

-

Characterize the medium materials Ray of light: Characterize the light

Derivar Raíz: [1/(2 x Contenido Raíz)] x Derivada de la Variable Fermat Principle: -

Ray of light takes the path of shortest time (Time → Minimum) Ray stays in medium with more velocity for more time

Reflection: Incident angle = Reflection angle Law of reflection:

Total Internal Reflection:

Refraction: -

Snell’s Law:

Critical Angle:

Espejos:

1

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Paraxial Mirrors

Thin Lenses

2

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Optical Systems -

Object space: The whole space where can be found real or virtual objects Image space: The whole space where can be found real or virtual images

-

Focal planes of the system: Planes (Object and Image) normals to the axis, where the parallel incident rays converges Focal points of the systems: Point of the optical axis where converge the rays that come of the infinite parallel to the optical axis

-

-

Principal Planes: One is the image of the other, normal to the axis, and the lateral magnification +1 Principal points: Are the interception of the principal planes with the optical axis H and H’, which can be real or virtual

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Los ojos -

Cristalino → Lente convergente biconvexa Bastones → Sensibles a la luz tenue Conos → Sensibles al color Fóvea → Mayor número de conos Músculos ciliares → Disminuir distancia focal En un ojo descansado, el foco imagen está en la retina

-

Miopía: Exceso de convergencia → Necesita lente divergente Hipermetropía: Defecto de convergencia → Necesita lente convergente

-

Aumento visual de un instrumento subjetivo →

-

Ocular: Formar imágenes virtuales Objetivo: Formar imágenes reales y mayores Lupa

Microscopio

Anteojo Astronómico

4

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Tema 2 – Wave Optics Wave: Disturbance or oscillation that travels through space and matter, accompanied by a transfer of energy -

Mechanical waves → Require a material medium Electromagnetic waves → Material medium is not needed

-

Transverse waves → When disturbance creates oscillations perpendicular to the propagation Longitudinal waves → Oscillations are parallel to the direction of propagation

-

Wave equation →

Basic wave → Phase ↑

Phase velocity →

-

Group velocity →

ω ≈ ω’ k ≈ k’

Dispersive relation

-

Waves take the geometrical form of wavefronts Waves propagate perpendicular to the wave fronts

-

Vision → Result of the signal transmitted to the brain using the detectors places in the retina Human eyes are sensible for wavelength from 400 to 700 nm Light year →

-

Huygen’s principle: Every point to which a luminous disturbance becomes a source of a spherical wave. The sum of these secondary waves determines the form of the wave at any subsequent time

5

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería -

Fermat’s principle: The path taken between two points by a ray of light is the path that can be traversed in the least time (principle of minimum time)

-

Beam splitter → Crucial in the interferometers

-

Fuente monocromática: Emite luz con una única frecuencia

Interferencia en películas delgadas

Difracción -

d >> ƛ → Difracción poco notoria d ≈ ƛ → Difracción apreciable

Fraunhofer -

Rayos incidentes → Paralelos Diagrama de difracción → Se observa en puntos muy alejados del obstáculo

Fresnel -

Rayos incidentes → Originados por una fuente puntual Diagrama de difracción → Se observa en puntos muy cerca del obstáculo Los mínimos no tienen exactamente I = 0

6

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Difracción de Fraunhofer

Abertura circular →

Criterio de Resolución de Rayleigh

7

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Redes de Difracción Poder de resolución ↓

-

Máximos más grandes y espaciados

Aplicaciones -

DTV del Cemento Portland, Cenizas y Zeolita

-

La red de difracción es la base de los monocromadores: Podemos quedarnos con una ƛ rotando la red y seleccionando una rango pequeño de ángulos mediante una rendija

-

Espectrómetros: Permiten medir el espectro de luz emitido por una fuente Resolución Espectral: Diferencia mínima de ƛ que se puede medir

Aplicaciones – Difracción -

Procesos de crecimientos de cristales Estudios celulares Caracterización de granos de arena

Fibra Óptica -

Conductores Guía de ondas de luz: Guiarse la luz con lentes o espejos basados en la RTI Reflexión total interna

8

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería -

Apertura numérica de la fibra →

Ondas-lentes -

Lente como objeto difractante ↓

9

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Tema 3 – Electromagnetic Optics -

Onda eléctrica →

-

Onda magnética →

-

E y B perpendiculares, en fase, y misma velocidad y frecuencia

-

Polarización sólo en ondas transversales Plano de polarización → Plano en el cual oscila el campo eléctrico

1. Polarización Lineal

2. Polarización Circular

Circularmente Polarizada

10

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

3. Polarización Elíptica δ < π → Giro Derecha δ > π → Giro Izquierda

1. Métodos de Polarización: Scattering -

Absorción e irradiación Dispersión de luz polarizada al incidir la luz natural en un centro dispersor

2. Métodos de Polarización: Dicroísmo -

-

Luz natural atraviesa un material dicróico (filtros polarizadores), donde las vibraciones eléctricas horizontales son completamente absorbidas, y las eléctricas verticales parcialmente Luz linealmente polarizada

Ley de Malus -

Se aplica a todo sistema de 2 polarizadores cuyos ejes formen un ángulo entre sí

11

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

3. Métodos de Polarización: Reflexión

4. Métodos de Polarización: Birrefringencia -

La velocidad de la onda electromagnética no es la misma en todas las direcciones El índice de refracción varía dependiendo de la dirección dentro del material La imagen del rayo ordinario está fija, mientras que la imagen del extraordinario cambia de posición al rotar el cristal (eje óptico) Linealmente polarizados

12

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Retardadores -

Permiten modificar el estado de la polarización de la luz

Lámina de Cuarto de Onda

Vectores de Jones Polarización Lineal

Polarización Circular

Polarización Elíptica

Lámina de Media Onda

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Matrices de Jones -

Sólo para luz totalmente polarizada

Aplicaciones -

Polarímetros: Permiten estudiar las sustancias que cambian el plano de la polarización de la luz

-

Actividad óptica → Propiedad de rotar el plano de polarización El plano de polarización incrementa cuando la luz va atravesando el material

14

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería -

Grabación y lectura de CD y DVD Monitor LCD

-

Efecto Faraday: Propiedad para rotar el plano de oscilación de la luz, linealmente polarizada, cuando se aplica un campo magnético en la dirección de propagación

Fibra óptica

Medios Confinados- Go

15

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Tipos de fibras: -

Índice Abrupto Índice Gradual

Aplicaciones fibra óptica

16

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Tema 4 – Radiometría y Fotometría Luz y energía radiante -

La luz es energía radiante (‘Q’ se mide en Joules) Luz visible para el ojo humano: 380 – 780 nm Incandescencia (tipo de radiación asociado con la temperatura) o radiación de temperatura: Cuerpo que no esté a 0K irradia energía Luminiscencia: Tipo de radiación independiente de la temperatura

-

Reflexión especular: Superficie lisa Reflexión compuesta: Superficie irregular Reflexión difusa (todas direcciones): Superficie como nieve, paredes, etc. Reflexión mixta (entre especular y difusa): Superficie como metal

-

Transmisión regular: En cuerpos transparentes Transmisión difusa (diferentes direcciones): En cuerpos translúcidos Trasmisión mixta (entre regular y difusa): Transmisión no total

Radiometría, magnitudes básicas -

Radiometría: Ciencia relacionada con la medida de la radiación electromagnética Ángulo sólido: Espacio formada por los puntos de cada una de las semirrectas que definen las direcciones espaciales

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería

Curvas de sensibilidad espectral -

-

Fotometría: Restringe el rango visible del espectro y tiene en cuenta la respuesta del ojo humano Sensibilidad espectral (eficiencia luminosa): La respuesta espectral (‘V(ƛ)’, con valores entre 0 y 1) es curva Permite determinar la sensación luminosa que produce el flujo radiante espectral en el sistema visual humano Flujo luminoso (‘ɸl’, medido en lúmenes (lm)): Medida de la sensación de luminosidad que produce un flujo radiante espectral en el sistema visual humano

Visión fotópica → Luz de día Visión escotópica → Luz nocturna

Magnitudes fotométricas

18

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Primera Ley de Lambert:

Segunda Ley de Lambert:

Fuentes de Radiación -

Cuerpo negro: Objeto que absorbe y emite toda la radiación del espectro electromagnético

Función de Planck:

19

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería Ley de Rayleigh-Jean:

-

Ley de Stefan-Boltzman:

Emisividad (Ƹ): Medida de la capacidad de un cuerpo para irradiar energía Reflectividad (ρ): Relación de la potencia reflejada y la potencia incidente Ley de Kirchhoff: Relación entre la emisividad y la reflexión se expresa así:

Aplicación de la Ley de Stefan-Boltzmann:

Receptores de Radiación D → Detectividad

NEP → Noise Equivalent Power

D* → Detectividad Específica

SNR → Relación Señal-Ruido

-

Termometría de infrarrojo: Medida de bajas temperaturas Pirometría óptica: Medida sin contacto de altas temperaturas Bolómetros: Medida de la cantidad total de radiación electromagnética emitida por una fuente

Caracterización espectral y espacial de fuentes luminosas -

Espectrorradiómetro: Saber cómo está distribuida la potencia radiada entre las longitudes de onda

20

Fundamentos Ópticos de la Ingeniería -

Distribución luminosa: Conjunto de la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones

Goniofotómetro: Determinar la intensidad luminosa de una fuente de la luz en todas las direcciones del espacio con relación a un eje vertical

21...