ÓPTICA: Relación de Contenidos Evaluables
Esta Relación de Contenidos Evaluables (RCE) se presenta con el fin de facilitar el estudio de los contenidos de Óptica de la asignatura de Campos Electromagnéticos. Así, en la parte de Óptica de los exámenes se plantearán
• teoría: cuestiones (definiciones, enunciados, propiedades, …) directamente extraídas de esta Relación.
Para su preparación se sugiere el uso de las Transparencias de Clase, los Resúmenes de Teoría y la consulta, en los puntos específicos en que se precise, de la Guía de Conceptos Básicos de Óptica Geométrica y la Guía de Conceptos Básicos de Radiometría y Fotometría de la asignatura.
• resolución de aplicaciones: como las que se indican en esta Relación.
i) De cálculo: A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto.
ii) Interpretación de características: identificar las características ópticas más importantes de diversos dispositivos (cámaras digitales, pantallas, telescopios, lupas, prismáticos, …) en catálogos comerciales.
Es importante recordar que en las Transparencias de Clase de cada Tema se incluyen Problemas y Ejercicios resueltos y detallados, correspondientes a todas las Aplicaciones indicadas en esta Relación.
Relación de Contenidos Evaluables de cada Tema:
Tema 0: Introducción a la Óptica
- elementos y características principales de un sistema de visión y su relación con la ingeniería - definición, en longitudes de onda y frecuencias, del rango óptico del espectro electromagnético
- ultravioleta (y sus franjas) - visible (y colores percibidos) - infrarrojo (y sus franjas)
- principales propiedades y aplicaciones de los rangos ultravioleta, visible e infrarrojo del espectro
- definición de camino óptico, enunciado del Principio de Fermat y la ecuación eikonal - definición de índice de refracción
- enunciado y consecuencias de las leyes básicas de la Óptica Geométrica (OG):
- características de la propagación de la luz en medios homogéneos - ley de Snell y sus aplicaciones a la reflexión y la refracción
- definición de ángulo crítico y reflexión total
- explicación de los fenómenos de profundidad aparente
- características de la propagación de la luz en medios inhomogéneos - explicación del color azul/rojizo del cielo diurno/al atardecer
- definición de los elementos y magnitudes principales de un sistema óptico (SO) - definición de la aproximación paraxial
- clasificación de los SO según su función y según su geometría - definición, elementos y propiedades de un dioptrio esférico
- definición, elementos y tipos de lentes convergentes y divergentes
- determinación de la posición, orientación y tamaño de la imagen formada en una lente delgada - analíticamente (mediante la ecuación de la lente y la ecuación del fabricante de lentes) - mediante el trazado de rayos auxiliares
- ideas básicas de la interpretación de un SO desde la formulación matricial de la OG - definiciones de los parámetros principales de los sistemas de lentes:
- distancia focal, diámetro efectivo y número de diafragma (número-f ó f/#) - apertura numérica
- profundidad de campo - campo de visión
- transferencia de energía
- definición de las principales aberraciones (esférica, cromática, coma, astigmatismo) y sus correcciones - definición de diafragma de apertura y pupilas de entrada y salida. Relación con el aumento.
- el ojo humano:
- elementos principales. Definiciones de acomodación y puntos próximo y remoto - características básicas de los modelos simplificado y de Listing
- definiciones de los principales defectos de visión: miopía, hipermetropía, presbicia y astigmatismo - diagrama de rayos y cálculo de las lentes correctoras para miopía e hipermetropía
- elementos y ecuaciones de los espejos planos y curvos
- determinación de la posición, orientación y tamaño de la imagen formada en un espejo - analíticamente
- mediante el trazado de rayos auxiliares
- explicación de la formación de imágenes en un espejo (plano) retrovisor de automóvil
- principales aplicaciones de los espejos parabólicos (axiales y off-axis), elipsoidales y cilíndricos - definición de dispersión y caracterización de la dispersión en un prisma:
- explicación de los fenómenos de arco iris primario y secundario - diagrama de rayos y ángulo de mínima desviación
- definiciones de refractividad, dispersión principal y número de Abbe - principales aplicaciones de los prismas retrorreflectores y pentaprismas - definición y principales características de las lentes de Fresnel
- cámaras fotográficas:
- características principales de los elementos básicos: lente, diafragma, obturador
- relación entre la exposición, apertura de diafragma y velocidad de obturación. Escala de f/#.
- clasificación de los objetivos según su distancia focal
- relación entre la distancia focal, la distancia al objeto y el tamaño de la imagen - relación entre la apertura y la profundidad de campo
- instrumentos ópticos más comunes:
- lupa: diagrama de rayos, definición de potencia de aumento (A x) y tipos
- telescopios: tipos (refractor / reflector) y elementos (lente o espejo objetivo y lente ocular) - diagrama de rayos simplificado de un telescopio refractor (tipo Kepler) y de uno reflector (tipo Newton)
- interpretación de las especificaciones (A x B) - binoculares:
- interpretación de las especificaciones (A x B)
- relación de las pupilas de entrada y salida con el aumento
- microscopios: principales características de sus elementos (objetivo y ocular) - sistemas de proyección: elementos y características básicas
- propagación de la luz en fibras ópticas (FO):
- diagrama de rayos en la entrada y en el interior de la FO
- definiciones de diferencia relativa de índices, ángulo (cono) de aceptación y su relación con la apertura numérica
- propiedades de las fibras salto y gradiente de índice. Materiales y dimensiones características - definición de modos de vibración y frecuencia normalizada
- definición y características de la dispersión modal y el ensanchamiento de pulso - características de la propagación monomodo y multimodo
- definiciones de ensanchamiento de pulso, retardo por unidad de longitud y frecuencia máxima de transmisión.
- ideas básicas de los mecanismos de pérdidas y atenuación: absorción, dispersión y difusión - definición y unidades del coeficiente de atenuación
- características principales de las fibras “grado óptico” y “grado comunicaciones”
Aplicaciones de Cálculo: (A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto). Todas están detalladas y resueltas numéricamente en Ejemplos incluidos en las transparencias de clase.
Aplicación 2-1: Obtener el ángulo crítico para una interfase entre dos medios de índices de refracción conocidos. Calcular la profundidad aparente con la que se ve, desde el exterior, un objeto sumergido en un medio más denso.
Aplicación 2-2: i) Determinar los focos de un dioptrio esférico de geometría e índice de refracción dados. ii) determinar la posición y tamaño de la imagen formada por un dioptrio esférico.
Aplicación 2-3: i) Determinar los focos de una lente delgada de geometría e índice de refracción dados. ii) Determinar analítica y gráficamente la posición, orientación y tamaño de la imagen formada por lentes delgadas convergentes y divergentes.
Aplicación 2-4: Calcular los elementos principales del modelo de Listing del ojo. Realizar los diagramas de rayos y cálculo de las lentes correctoras para miopía e hipermetropía
Aplicación 2-5: Interpretar las especificaciones de una lupa, un telescopio y unos binoculares.
Seleccionar unos binoculares adecuados para observación astronómica.
Aplicación 2-6: Para una fibra óptica dada, i) determinar la apertura numérica y el ángulo de aceptación. ii) Para una longitud de onda dada, calcular la frecuencia normalizada, la condición de propagación monomodo y el número de modos. iii) Determinar el ensanchamiento de pulso, el retardo por unidad de longitud y la frecuencia máxima de transmisión. iv) Determinar el coeficiente de atenuación y las pérdidas para una longitud dada.
- definiciones de conceptos básicos de teoría ondulatoria y su correspondencia con el rango óptico del espectro: amplitud / intensidad, frecuencia / longitud de onda, fase / frente de ondas, velocidad de fase / velocidad de grupo, relación de dispersión / medios dispersivos y no dispersivos
- enunciado del Principio de Huyghens - definición del vector de Poynting
- relación entre el promedio temporal del vector de Poynting, la densidad de energía por unidad de superficie (irradiancia) en el frente de ondas y los campos eléctrico y magnético de la onda
- relación entre la frecuencia/longitud de onda de un fotón y su energía y cantidad de movimiento
- relación entre la potencia luminosa de una fuente y el número de fotones emitidos por unidad de tiempo - definición de la presión de radiación y su relación con la irradiancia de un haz luminoso
- definición de plano de polarización de la luz y tipos de polarización: luz natural y dextrógira/levógira - propiedades básicas de los materiales polarizadores
- fundamentos de la medida de la polarización y ley de Malus
- ideas básicas sobre reflexión y transmisión en una interfase plana:
- modos TE y TM
- cambio de fase por reflexión
- significado de los coeficientes y los factores de reflexión/refracción - definición de ángulo de Brewster
- ideas básicas de interferencia
- condiciones para que se produzca y sea constructiva/destructiva - principios del experimento de Young
- fundamentos de interferencia en películas delgadas - ideas básicas de difracción
- definición y condiciones para que se produzca
- definiciones de las condiciones de difracción de Fresnel y de Fraunhofer
- definición del límite (poder) de resolución (criterio de Rayleigh) y disco de Airy
- expresión del límite de resolución de un instrumento óptico y del ojo humano en forma espacial y en forma angular (véase la Aplicación 2-7)
- definición de potencia de resolución y su relación con el ángulo de aceptación - definición y características de una red de difracción
- ideas básicas del procesado óptico de información:
- componentes de un sistema de óptica de Fourier: plano objeto, plano de difracción (Fourier) y plano imagen
- fundamentos del filtrado óptico mediante aplicación de máscaras
Aplicaciones de Cálculo: (A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto). Todas están detalladas y resueltas numéricamente en Ejemplos incluidos en las transparencias de clase.
Aplicación 2-1: Dado un haz luminoso de longitud de onda conocida en un medio, calcular su longitud de onda y frecuencia en otros medios.
Aplicación 2-2: Dada la expresión analítica de una onda electromagnética, identificar las variables ondulatorias y viceversa (conocidas las variables, escribir la expresión analítica del campo).
Aplicación 2-3: Dada una fuente de luz de potencia y longitud de onda conocida, suponiendo que se puede considerar como una fuente puntual y la emisión es isótropa, calcular la irradiancia sobre una superficie esférica situada a una distancia “d”. Calcular la amplitud de los campos eléctrico y magnético
Aplicación 2-4: Dada una fuente de luz láser de potencia conocida, que emite un haz cilíndrico (en el eje z) de diámetro “D”, calcular la irradiancia en una sección del haz luminoso (despreciando la divergencia angular). Calcular los campos eléctrico y magnético (amplitud y expresión analítica completa, suponiendo polarización en el plano vertical “yz”).
Aplicación 2-5: Dada una fuente monocromática de potencia luminosa y longitud de onda conocidas, calcular la energía de cada fotón emitido, la energía total emitida por la fuente durante un intervalo de tiempo, la energía emitida por la fuente por unidad de tiempo y el número de fotones emitidos por la fuente por unidad de tiempo.
Aplicación 2-6: Calcular el espesor de recubrimiento antirreflectante (realizado con un material de índice de refracción conocido) adecuado para una longitud de onda dada.
Aplicación 2-7: Calcular el límite de resolución angular (según el criterio de Rayleigh) correspondiente a una apertura circular de diámetro “D” situada a una distancia “d” del plano de observación, cuando es iluminada con luz monocromática de longitud de onda λ. Expresar este límite en forma de resolución espacial mediante el cálculo del radio y el diámetro del patrón de difracción formado (disco de Airy).
Aplicación 2-8: Teniendo en cuenta la Aplicación 2-7 anterior, calcular el límite de resolución espacial (diámetro del disco de Airy) de un sistema óptico de diámetro efectivo “D” y distancia focal “f”.
Expresar este diámetro en función del número de diafragma (número-f) del sistema. Expresar la potencia de resolución (PR) del sistema en relación con su ángulo de aceptación.
Tema 3: Fuentes de luz y emisión láser - definiciones de
- estado estable y metaestable - emisión espontánea y estimulada - inversión de población
- fundamentos del mecanismo de emisión de luz de un tubo fluorescente y de una bombilla de filamento - fundamentos del mecanismo de emisión de luz láser
- características más importantes de los 3 elementos de un sistema láser:
- sustancia activa
- mecanismo de aporte energético - cavidad resonante
- definición de modos de funcionamiento continuo y pulsado
- características principales de la luz láser: monocromática, colimada y coherente - características y aplicaciones más importantes de los 3 tipos de láser más comunes:
- láser de medio sólido (rubí) - láser de gas (He-Ne)
- láser de semiconductor
- fundamentos del funcionamiento de los sistemas ópticos de almacenamiento de información:
- por cambio de reflectividad (CD “convencional”) - por cambio de fase (disco regrabable magneto-óptico) - tipos de riesgo asociados al uso de láseres
- criterios de clasificación de los láseres (para las medidas de seguridad)
- características más importantes de cada una de las 4 Clases de láser (según su potencial de riesgo) - definición de la exposición máxima permisible (MPE) y de la zona de daño nominal (NHZ)
- características más importantes de los dispositivos de protección ocular
Aplicaciones de Cálculo: (A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto). Todas están detalladas y resueltas numéricamente en Ejemplos incluidos en las transparencias de clase.
Aplicación 3-1: Realizar la Aplicación 2-3. Comparar la irradiancia obtenida con la irradiancia media del sol a nivel del mar.
Aplicación 3-2: Realizar la Aplicación 2-4. Comparar la irradiancia obtenida con la irradiancia media del sol a nivel del mar.
Aplicación 3-3: Identificar las características más importantes de un dispositivo de emisión láser a partir de su etiqueta de clasificación de seguridad.
Tema 4: Radiometría y Fotometría
- definición de cuerpo negro y características de la curva de emisión (leyes de Stefan-Boltzmann y Wien) - definiciones de las magnitudes radiométricas y fotométricas y sus unidades:
- energía radiante
- flujo radiante / luminoso - intensidad radiante / luminoso - emitancia
- irradiancia / iluminancia - radiancia / luminancia
- definición de eficacia luminosa para la visión fotópica y escotópica - características de un emisor/difusor lambertiano
- parámetros característicos de los sensores ópticos y sus unidades:
- relación señal-ruido (SNR) y factores que la afectan - potencia de ruido equivalente (NEP)
- detectividad específica (D*)
- definición de temperatura de color y de iluminantes patrón - fundamentos del proceso de “balance de blancos” de una cámara
- definición de la exposición de una imagen e ideas básicas sobre los factores que la afectan:
- brillo
- sensibilidad de la película / sensor - número de diafragma (número-f) - duración de la exposición
- manejo de la ecuación de cálculo algebraico de la exposición
Aplicaciones de Cálculo: (A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto). Todas están detalladas y resueltas numéricamente en Ejemplos incluidos en las transparencias de clase.
Aplicación 4-1: Dado un sensor de detectividad específica y área sensible conocidas sobre el que incide un haz luminoso de irradiancia conocida, calcular el NEP y la relación señal-ruido en función del ancho de banda de la señal incidente.
Aplicación 4-2: Dada una fuente luminosa isótropa, de potencia y longitud de onda conocidas, situada a una cierta distancia de una superficie (no necesariamente en la dirección de la normal),
- calcular la intensidad luminosa y la irradiancia sobre la superficie
- calcular la luminancia (por reflexión) de la superficie (supuesta lambertiana)
- suponiendo que esa superficie se observa con un sistema óptico (lente y fotodetector) - calcular la intensidad luminosa desde la superficie en una dirección arbitraria
- calcular el ángulo sólido subtendido por la lente y el flujo incidente en el fotodetector - calcular la energía de un fotón de la luz incidente (conociendo su longitud de onda)
- calcular el número de fotones que inciden sobre el fotodetector por unidad de tiempo - estimar la relación señal-ruido en el fotodetector
Aplicación 4-3: Dadas varias fuentes luminosas de longitudes de onda y potencias conocidas, calcular el flujo radiante y el flujo luminoso del haz resultante.
Aplicación 4-4: Conociendo la sensibilidad del detector/película, estimar los valores de apertura del diafragma y velocidad de obturación adecuados para la realización de fotografías de i) paisaje y ii) evento deportivo.
Tema 5: Fundamentos y aplicaciones de tecnologías ópticas de imagen
- fundamentos del mecanismo de registro de imagen de una cámara de video analógica
- fundamentos del mecanismo de visualización de imagen en un monitor de tubo de rayos catódicos - fundamentos del mecanismo de captación de imagen de una cámara digital
- esquema de componentes
- diferencias con cámaras analógicas
- características básicas de los sensores digitales de imagen:
- tamaño y formato
- tecnologías (CCD, CMOS, …): curva de respuesta espectral - definición de los parámetros básicos de una cámara digital:
- aumento primario - aumento del sistema - campo de visión - distancia de trabajo
- resolución de la cámara y de la imagen y sus unidades espaciales y frecuenciales - número máximo de píxeles
- profundidad de campo
- contraste y función de transferencia de modulación (MTF) - definición de paralaje
- características principales de las lentes telecéntricas - características básicas de los principales tipos de cámaras:
- cámaras de 1 chip - monocromo
- color (con red de Bayer)
- cámaras de 1 chip con rueda de filtros - cámaras de 3 chips
- definición de los factores básicos que afectan a la calidad de la imagen:
- corriente oscura - “campo de estrellas”
- ruido fotónico
- “rebosamiento”
- efecto Moiré
- principios de funcionamiento de los dispositivos de cristal líquido (LCD) y sus principales aplicaciones:
visores y materiales foto-/electro-/termo-crómicos
- principios de funcionamiento de las pantallas y proyectores basados en tecnologías - LCD
- TFT-LCD - plasma
- microespejos (DLP, DMP, …)
Aplicaciones de Cálculo: (A realizar siguiendo el orden de los pasos indicados en cada caso y con el formulario adjunto). Todas están detalladas y resueltas numéricamente en Ejemplos incluidos en las transparencias de clase.
Aplicación 5-1: Evaluar la resolución de una cámara digital y de la imagen captada.
