Вопросы для госэкзамена по направлению 230201 «Информационные системы и технологии»

1. ОСНОВЫ ОПТИКИ

   1. Физическая оптика

      1. Оптический диапазон электро-магнитных волн. Ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный (ближний, средний и дальний) диапазоны спектра в длинах волн. Фотометрия: энергетические и световые величины и единицы измерения, связь между ними.

Оптический диапазон 780-380 нм, частота 429-750 ТГц

Спектр видимого света делится по цветам:

Фиолетовый свет 380-440 нм

Синий свет 440-485

Голубой свет 485-500

Зелёный свет 500-565

Жёлтый свет 565-590

Оранжевый свет 590-625

Красный свет 625-740

Ультрафиолетовый спектр 10-380 нм. Ближний 200-380, дальний(вакуумный) 10-200 нм

Инфракрасный спектр 0,74-2000 мкм. Коротковолновая область 0,74-2,5 мкм. Средневолновая область 2,5-50 мкм. Длинноволновая область 50-2000 мкм.

Фотометрия. Поток мощности излучения: [Вт]. Сила излучения: [Вт/стер]. Световой поток: [лм]. Световая эффективность: [лм*Вт^-1]. Спектральная световая эффективность: . Яркость светового потока: [кд*м^-2]. Освещенность: [лк]

2. Прохождение излучения через толщину среды: закон Бугера-Ламберта-Бера. Рассеяние излучения. Диффузное и направленное отражение излучения. Закон Ламберта. Индикатрисы рассеяния, излучения и отражения. Ламбертовская поверхность.

Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой: . где — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения.

Рассеяние света — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока. Пусть ω и ω’ – частоты падающего и рассеянного света. Тогда: ω=ω’ – упругое рассеяние; ω≠ω’ – неупругое рассеяние; ω<ω’ – антистоксово рассеяние; ω>ω’ – стоксово рассеяние. Виды рассеяния, свойственные для света: Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах, размером много меньше длины волны. Рассеяние Ми — упругое рассеяние на крупных частицах. Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна — неупругое рассеяние на колебаниях решётки. Рассеяние Рамана — неупругое рассеяние на атомных колебаниях в молекуле. Рассеяние Тиндаля — упругое рассеяние света неоднородными средами.

Диффузное отражение света. При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны. По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.

Зеркальное отражение. Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред.

Закон Ламберта — физический закон, согласно которому яркость L рассеивающей свет (диффузной) поверхности одинакова во всех направлениях. Закон был сформулирован в 1760 году И. Ламбертом. В настоящее время рассматривается как закон идеального рассеяния света, удобный для теоретических исследований. Однако он находит применение и для приближённых фотометрических и светотехнических расчётов.

Также по закону Ламберта имеем, что светимость M и яркость L прямо пропорциональны: M = kL.

Переходя к энергетическим величинам, можно установить, что согласно закону Ламберта количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dS1 в направлении элемента dS2, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали, dQn на величину пространственного угла dω и cos φ, составленного направлением излучения с нормалью:

Имеется также простая зависимость между силой света, излучаемого плоской рассеивающей площадкой dS в каком-либо направлении, от угла α между этим направлением и перпендикуляром к dS:

Последнее выражение означает, что сила света плоской поверхности максимальна (I0) по перпендикуляру к ней и, убывая с увеличением α, становится равной нулю в касательных к поверхности направлениях.

Лишь немногие реальные тела рассеивают свет без значительных отступлений от закона Ламберта (даже в видимой области спектра). К ним относятся матовые поверхности гипса, окиси магния, сернокислого бария и др.; из мутных сред — некоторые типы облаков и молочных стекол; среди самосветящихся излучателей — абсолютно чёрное тело, порошкообразные люминофоры. Сильное отклонение от закона Ламберта наблюдается для полированных поверхностей, так как для них лучеиспускание при угле будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Индикатрисы отражения: а) ортотропной(диффузной или ламбертовской) б) с зеркальным отражением в) с обратным отражением г) смешанной.

Ламбертовский излучатель света. Ламбертовский излучатель обычно называют также ламбертовской или равномерно рассеивающей поверхностью. Особенностью такой математически идеализированной поверхности является характер зависимости силы света от направления его излучения (по отношению нормали к поверхности). Эта зависимость подчиняется так называемому закону косинуса, согласно которому сила света, излучаемого с единицы поверхности, пропорциональна косинусу угла, заключенного между направлением излучения и нормалью к поверхности.