© E.G.G. DFA III-ESI 2006/07UNIVERSIDAD DE SEVILLA

12º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

TEMA 0TEMA 0IntroducciIntroduccióón a la n a la ÓÓpticaptica

© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción a la Óptica)

Prof. Dr. E. Gómez GonzálezDepartamento de Física Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla

Curso 2008/09Transparencias de Clase

Fundamentos de Fundamentos de ÓÓpticaptica

2© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Ecuaciones de Maxwell

Cargas MaterialesmagnéticosCorrientes

Electrostática Magnetostática

Electromagnetismo

Campo EM

Solución Ondulatoria

Ondas planas

La Óptica y el Electromagnetismo

Rayo- Frente de Onda

[17]

Frecuencia

Tma. Fourier

3© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

ÓPTICA GEOMÉTRICA

Óptica CUÁNTICAÓptica ELECTROMAGNÉTICA

Óptica ONDULATORIA

APLICACIONES

La Óptica y sus aplicaciones

Instrumentos Ópticos• microscopios• telescopios• cámara fotográfica• ampliadora, proyector, …

Fibra Óptica• comunicaciones ópticas

[Óptica GRIN][Óptica Adaptativa]

El ojo humano yel proceso de visión• límites• defectos• correcciones: lentes• [color – filtros]

• fuentes de luz convencionales• láser• [interacción luz-materia] → [Óptica No Lineal]

• polarización• cristal líquido: LCD• [efectos electro/

magnetoópticos]

• interferencia• difracción• holografía• almacenamiento

magnetoóptico• …

• imagen digital: CCD, CMOS• visualización: TFT, plasma• videoproyección: DLP, LCOS

• radiometría• fotometría• sensores ópticos

Epígrafes entre corchetes [] no incluidos en la asignatura.

4© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

La Óptica y la Ingeniería

Un Sistema de Visión:elementos y

características principales

IngenieríaÓptica

IngenieríaEléctrica /Electrónica

Ingenieríade software

Interface

Ordenador

Procesadode imagen

Resultados(información)

• Distancia focal• Apertura (f/#)• Tamaño• Tecnología• Respuesta• Resolución

Iluminación

Lentes

SensorCámara

objeto

• Longitud de onda• Dirección• Estructura

• Brillo• Contraste• Homogeneidad• Campo de visión• Profundidad de foco• Exposición

• Conexión• Protocolo• Señales

5© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Algunas referencias históricas

1600

DCAC

1700

1800

1850

1900

1950

2000

1000

2000 Construcción de las Pirámides y Stonehenge:observaciones astronómicas

Platón, Aristóteles, Euclides: luz y visiónPtolomeo: óptica y la ley de la reflexión

Kepler: telescopio refractorCopérnico, Galileo: astronomíaBacon: óptica y visiónAlhazén: el ojo humano

Bradley: velocidad de la luzHuyghens: teoría ondulatoriaVan Loeuwenhoek, Hooke: microscopioNewton: teoría óptica básicaSnell: ley de la refracción

Daguerre: fotografíaBrewster, Foucault: polarización, velocidad de la luzYoung, Fresnel: teoría de la difracciónHershel: energía infrarrojaHall, Dolland: doblete acromático

Planck, Wien: radiaciónHertz, Stefan, Boltzmann: termodinámicaKelvin, Faraday, Maxwell: ondas electromagnéticasFizeau, Kirchoff, Bunsen: espectroscopía

diseño óptico por ordenadorTownes: láserRutherford, Bohr: óptica cuánticaRayleigh, Michelson, Einstein: propiedades de la luz

¡¡ escala temporal“no lineal” !!

6© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

El rango rango óópticoptico del espectro electromagnético (DIN 5031)

ultravioleta (UVA):1 nm → 400 nmVISIBLE (VIS): 400 nm → 780 nminfrarrojo (IR): 780 nm → 1 mm

[17] [1][8]

7© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Infrarrojo (IR):

Es el segmento del espectro electromagnético comprendido entre la luz visible y las microondas. Sus longitudes de onda abarcan desde unos 780 nm(0.78 μm) hasta 1 mm. Es emitido principalmente por superficies calientes. La piel humana puede sentirlo pero con una resolución muy reducida.

Se divide en tres subfranjas: infrarrojo cercano (near IR), desde 0.78 μm hasta 3 μm, infrarrojo térmico (thermal IR), desde 3 μm hasta 10 μm, e infrarrojo lejano (far IR), desde 10 μm hasta 1 mm. El infrarrojo cercano puede detectarse con fotocélulas o fotodiodos. Las otras subfranjas se detectan mediante bolómetros, termopares o termopilas.

La radiación IR es muy utilizada para el estudio de la tierra y los sistemas biológicos mediante sistemas de detección remota (remote sensing).

Ultravioleta (UV):

Es el segmento del espectro electromagnético correspondiente a la radiación emitida cuando los electrones exteriores de los átomos excitados regresan a su estado de energía fundamental, siendo su longitud de onda demasiado corta como para ser percibida por el ojo humano. Los fotones UV tienen energías típicas de varios eV, suficiente como para romper muchos enlaces atómicos. Por tanto, se trata de una radiación químicamente activa, en sentido destructivo, y muy dañina. La energía UV presente en el espectro de emisión del sol es absorbida en el ozono presente en la capa exterior de la atmósfera terrestre (estratosfera), que protege a la tierra. Esta absorción explica por qué la temperatura de la estratosfera aumenta con la altura.

Las longitudes de onda UV abarcan desde 1 nm hasta unos 400 nm, estando sus frecuencias en el rango entre 0.3·1018 Hz (= 0.3 EHz) y 0.75·1015 Hz

(= 0.75 PHz) y las energías de sus fotones al rango desde 1.24 keV hasta 3 eV. Se subdividen en franjas A, B y C. Es interesante observar que el límite de alta frecuencia del espectro de emisión del sol es cercano a 10 PHz (siendo la energía de estos fotones del orden de 40 eV), por lo que, aún en número reducido, estos fotones tan energéticos son muy dañinos si alcanzan la superficie de la tierra, por su capacidad de romper enlaces químicos.

La radiación UV se detecta, principalmente, mediante fotocélulas o mediante productos (químicos) fotográficos, como sales (haluros) de plata. Muchas sustancias presentan fenómenos de fluorescencia cuando son irradiados con luz UV.

Espectro Visible (VIS):

Es el segmento del espectro electromagnético al que es sensible el ojo humano (en condiciones normales). Corresponde a las longitudes de onda desde unos 400 nm hasta unos 780 nm. Sus frecuencias corresponden al rango desde 750 THz (7.5·1014 Hz) hasta 430 THz (4.3·1014 Hz) y, en consecuencia, a fotones con energías desde 3.1 eV hasta 1.8 eV. Es interesante notar cómo este rango incluye luz con un cierto poder destructivo a nivel molecular (zona adyacente al rango UV), que explica por qué algunas sustancias se decoloran rápidamente cuando están expuestas a la luz solar directa.

La principal fuente de radiación visible es el sol, una gran masa radiante a una temperatura (de color) de 5780 K, aunque la mayor parte de su energía corresponde al IR y únicamente en torno a un 20% al rango visible. Los cuerpos calientes alcanzan el umbral de visibilidad en torno a unos 1000 K (750 ºC) y el máximo de la curva de radiación emitida entra en la zona visible del espectro a unos 4000 K.

La radiación visible se emite cuando los átomos exteriores excitados o ionizados vuelven a su estado fundamental de energía “por etapas” correspondientes a su estructura de niveles energéticos, ya que si la transición fuera directa la energía emitida correspondería al rango UV. El conocimiento y la medida de los valores exactos de las longitudes de onda correspondientes a cada (etapa de cada) transición son la base de las técnicas de análisis espectral y sus múltiples aplicaciones al análisis y caracterización de sustancias.

8© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Formalismos de la Óptica:para luz visible, pero también

IR, microondas, radar …

[8] [8]

[8]

[20]

[20]

Explicación del “efecto invernadero”.

9© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Frentes de onda (Σ) y rayos (trayectorias ortogonales)

Rayos:• trayectorias ortogonales a los frentes de onda• trayectorias de propagación de la energía• determinación: Principio de Fermat: camino óptico extremal

Luz: onda electromagnéticapropagándose (en un medio caracterizado por ε y μ ≈ μo)

con velocidad “c”que, en el vacío (εo, μo), resulta ser c ≈ 3·108 m/s

λ<<

Conservación de la energía: R + T + A = 100%

1cε μ

=

i) camino óptico (optical path length, OPL) desdeun punto origen (A) hasta un punto destino (B)

medio homogéneo( )B

ABA

OPL L n s ds OPL n s= = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ =∫

( )0

trayectorias son rectas

d dr sn ds n nds ds

si n cte

δ⎛ ⎞

= →∇ = ⎜ ⎟⎝ ⎠

= →

∫

R

T

A

ii) ecuación eikonal

[4]

[19]

Cuando la luz incide en un medio, tienen lugarlos siguientes fenómenos:

10© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 0 – Introducción …)

Caracterización óptica del medio: índice de refracción• caracterizamos el medio por la velocidad de propagación de

la luz en él: v → n

• si → medio inhomogéneo

• si → medio anisótropo

• si → medio homogéneo e isótropo

1 1

o o

cc v nvε μ ε μ

= → = → =

Índice n v (km/s)1.0 299.7921.3 230.6091.5 199.8611.7 176.3481.9 157.785

Dispersión:n = n(λ)

[4]

[7]

[17]

• las propiedades del medio dependen de la λ→ definir una λo como referencia

• relación de Cauchy:

( )rnn =

( )rrnn ,=

cten =

( ) 2λλ BAn +=

A, B constantes del medio

En un medio ópticamente más denso, lavelocidad de la luz es menor y n es mayor.