física - Óptica - visão geral sobre Óptica

8/14/2019 Fsica - ptica - Viso Geral sobre ptica

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Viso Geral sobre ptica

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Palestra de Reviso p - 1


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O que luz?

Luz uma forma de energia eletromagntica detectada atravs de seus efeitos, ex.aquecimento de objetos iluminados, converso de luz para corrente, presso mecnica(Fora de Maxwell), etc.

A energia da luz conduzida atravs de partculas ftons- comportamento balstico, ex. sombras.

A energia da luz conduzida atravs de ondas.- comportamento de onda, ex. interferncia, difrao

Mecanismos de quantificao reconciliam os dois pontos de vista, atravs da declaraode dualidade onda/partcula.

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Propriedades da partcula de luz

Foton = partcula elementar da luz

Massa = 0Velocidade c= 3 x 108 m/s

De acordo com a Relatividade Especial, uma partcula de massa de lente viajando a

velocidade da luz, ainda pode transportar o momento!

Energia E=hv ======= Relacionado natureza dual em partcula & onda da luz.

h= constante de Planck= 6,6262 x 10-34 J seg.v a frequncia de oscilao temporal das ondas de luz.

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Propriedades da onda de luz

= extenso da onda (perodoespacial)

k= 2/nmero de onda

: frequncia temporal

= 2frequncia angular

E: campo eltrico

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Dualidade onda/partcula para luz

Fton = partcula elementar da luz

Massa = 0Velocidade c = 3x108 m/s

Energia E=hv (se mantm no vcuo somente)

h = constante de Planck= 6,6262x1034 J seg.

v = frequncia (sec-1 )= extenso de onda (m)

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Luz na matria

Velocidade c = 3x108 m/s Velocidade c/n

n: ndice refrativo (ou ndice de refrao)Coeficiente de absoro = 0 Coeficiente de absoro a

Coeficiente de queda de energia, aps distnciaL: e2aL

Ex. o vidro tem n = 1,5, fibra de vidro tem a = 0,25dB/Km=0,0288/KmLuz na matria

Luz no vcuo [inserir figura] light in matter = luz na matria

Velocidade c = 3x108 m/s Velocidade c/n

n: ndice refrativo (ou ndice de refrao)Coeficiente de absoro = 0 Coeficiente de absoro a

Coeficiente de queda de energia, aps distnciaL: e2aL

Ex. o vidro tem n = 1,5, fibra de vidro tem a = 0,25dB/Km=0,0288/Km

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Classificao de Materiais

Dieltrico- tipicamente isoladores eltricos (ex. vidro, plstico)- coeficiente de baixa absoro- ndice refrativo arbitrrio

Metais- condutividade grande coeficiente de absoro

Varias excees e casos especiais (ex. dieltrico artificial) ndice de absoro e refrao so relacionados atravs da Relao de Kramers-Kronig

(imposta pela casualidade)

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Viso geral das fontes de luz

No Laser Laser

Trmica: policromtica, espacialmenteincoerente (ex.: lmpada eltrica) Onda contnua (ou cw): estritamentemonocromtica, espacialmente coerente (ex.:HeNe, Ar+, diodos laser)

Descarga de gs: monocromtica,espacialmente incoerente (ex.: lmpada deNa)

Em pulso: quase monocromtica,espacialmente coerente (ex.: Q-switched,mode-locked)~nsec para poucos fse~psec para poucos fsecdurao do pulso

Diodos de emisso de luz (LEDs):

monocromtico, espacialmente incoerente.

Mono/policromtico = uni/multicolor

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Luz monocromtica espacialmente coerente

boa, sinuside regular , v bem definidos boa aproximao do laser HeNe estabilizado a maioria dos outros laseres cw (onda contnua) de difcil aproximao fontes de laseres em pulso & no laseres precisam de descrio mais complexa.

Incoerente: formato de onda irregular, aleatria.

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O conceito de um raio monocromtico

Em meio homogneo, a luz se propagaem caminhos retilneos.

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O conceito de um raio monocromtico

Em meio homogneo, a luz se propagaem caminhos retilneos

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O conceito de um raio policromtico

Em meio homogneo, a luz se propaga em caminhos retilneos.

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O Princpio de Fermat

((tambm conhecido como Princpio de Fermat)

Consequncias: lei da reflexo, lei da refrao

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A lei da reflexo

a) Considere a fonte virtual Pao invs de P

b) Caminho alternativo POP maior do que POP

c) Desta forma, a luz segue ocaminho simtrico POP

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A lei da refrao

n sen = nsen Lei da Refrao de Snell

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Reflexo Interna Total (TIR)

n > nse torna imaginrio quando

feixe refratado desaparece, toda a energia refletida

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Prismas

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Disperso

ndice refrativo n funo da extenso de onda

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Reflexo Interna Total Frustrada (FTIR)

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Sensor de Impresso Digital

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Guia de onda ptica

Verso plana: ptica integrada Verso cilindricamente simtrica: fibra ptica Permite a criao de chips de luz e cabos de luz, respectivamente onde a luz

guiada em volta com poucas restries Pesquisa de material tem produzido vidros com perdas muito baixas (< 0,25 dB/Km) Base para telecomunicaes pticas e algumas formaes de imagem (ex. endoscpios)

e sistemas sensores (ex. presso)

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Refrao em uma superfcie esfrica

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Formao de imagem de um ponto de origem

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Modelo para uma lente fina

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Modelo para uma lente fina

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Tipos de lentes

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Princpio de Huygens

Cada ponto na frente de onda age comouma fonte secundria de luz emitindouma onda esfrica.

A frente de onda aps uma brevedistncia de propagao o resultado dasuperimposio de todas aquelas

pequenas ondas esfricas.

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Por qu sistemas de formao de imagem sonecessrios

Cada ponto em um objeto dispersa a iluminao incidente em uma onda esfrica, deacordo com o Princpio de Huygens

A poucas micra de distncia da superfcie do objeto, os raios que emanam de todos ospontos do objeto se tornam embaados, tirando o aspecto local dos detalhes do objeto.

Para recolocar o aspecto local dos detalhes do objeto, um mtodo deve ser encontradopara atribuir novamente (foco) de todos os raios que emanaram de um objeto deponto simples para outro ponto no espao (a imagem)

A ltima funo o tpico da disciplina Formao de Imagem ptica

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Condio de formao da imagem: traado por raio

O ponto da imagem est localizado na interseo comum de todos os raios que emanama partir do ponto do objeto correspondente.

Os dois raios passam atravs dos dois pontos focais e o raio chefe pode ser diretamentetraado por raio.

A imagem real invertida e pode serampliada ou reduzida.

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O feixe de raio que emana do sistema divergente; a imagem virtual est localizada nainterseo dos raios anteriores estendidos.

A imagem virtual ereta e est ampliada Ao usar uma lente negativa, a imagem sempre virtual, ereta e reduzida.

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Objeto inclinado: a condio de Scheimpflug

O plano do objeto e o plano da imagem se cruzam no plano da lente fina.

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Formao de imagem baseada em lente

Olho humano Cmera fotogrfica Lente de aumento Microscpio Telescpio

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O olho humano

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Defeitos dos olhos e suas correes

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A cmera fotogrfica

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A lente de aumento

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O microscpio composto

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O telescpio

(instrumento afocal = lente de aumento angular)

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A cmera Pinhole

A cmera pinhole permite somente que um raio por ponto de objeto alcance o espao daimagem uma imagem formada (isto , cada ponto no espao da imagemcorresponde a um ponto simples do espao do objeto).

Infelizmente, a maior parte da luz desperdiada neste instrumento Alm disto, a luz difrata caso ela tenha que passar atravs de pequenos orifcios

(pinhole) conforme veremos posteriormente; a difrao introduz artefatos que ainda notemos ferramentas para quantificar.

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Campo de Viso (FoV)

FoV = ngulo em que o raio chefe a partir de um objeto, pode subtender emdireo de um sistema de formao de imagem.

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Abertura numrica

: metade do ngulo subtendido pelo sistema de formao de imagem de um objeto axial.

Abertura numrica(NA) = n sen

Velocidade (f/#) = (NA)Pronunciado nmero f, ex. f/8 significa (f/#) = 8

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Resoluo

A que distncia devem estar dois objetos em pontos distintos

antes que suas imagens deixem de ser distinguveis?

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Funo de Ponto Difuso

O extenso finita do PSF causa borres na ima em

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Resoluo limitada de difrao

intensidade

da

luz

(unidadesarbitrrias)

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Natureza de onda da luz

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Grade de difrao

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Disperso de grade

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Frmula da Difrao de Fresnel

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O sistema 4F

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O sistema 4F

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O sistema 4F com diafragma FP

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O sistema 4F com diafragma FP

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Formao de imagem coerente x incoerente

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Aberraes: geomtricas

Origem das aberraes: no linearidade da lei de Snell (n sen = constante, enquantoque a relao linear deveria ter sido n = constante)

Aberraes fazem com que os sistemas prticos se saiam pior do que a difraolimitada.

Aberraes so melhor tratadas com o uso de programa de design ptico (Code V, Oslo,Zemax), sistemas aprimorados geralmente resolvem 3-5 (~1,5-2,5 m visvel).

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Aberraes: onda

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