Введение

Дисциплина «Основы оптики» посвящена изучению законов распространения и преобразования светового поля, то есть электромагнитного поля в оптическом диапазоне частот. «Основы оптики» охватывают настолько обширный и глубокий по содержанию материал, что по праву считаются фундаментальной дисциплиной, являющейся неотъемлемой компонентой оптического образования.

Изучение всех вопросов данной дисциплины важно как для усвоения базовых понятий, активно используемых в других более специальных дисциплинах, так и для получения достаточно полного представления об основных научных концепциях современной оптики.

Электронный учебно-методический комплекс содержит в себе изложение теоретического материала в виде конспекта лекций, методические указания к выполнению лабораторных работ и практических занятий, а также аттестующие и обучающие тесты.

Конспект лекций содержит в себе несколько уровней изложения:

• уровень «конспект лекций» содержит базовое изложение материала в виде конспекта лекций, читаемых по данной дисциплине;
• уровень «основные определения и соотношения» содержит краткое изложение материала, включающий в себя основные определения, соотношения и рисунки без их вывода и подробного комментария; этот уровень можно использовать в качестве справочного пособия, когда теоретический материал уже достаточно хорошо изучен;
• уровень «дополнительные главы» содержит дополнительный материал по некоторым разделам, который не обязателен в рамках данной дисциплины, но желателен для более полного освоения курса «Основы оптики».

Вся дисциплина «Основы оптики» состоит из двух больших частей – геометрической и физической оптики. В данном конспекте лекций рассматривается геометрическая оптика – наука о законах распространения света в оптических системах и формировании оптического изображения. Изложение материала базируется на классической электродинамике и уравнениях Максвелла. В данном пособии рассматриваются только линейные явления в оптике, а взаимодействие света с препятствиями рассматривается только в виде амплитудно-фазовых превращений. Явления перехода одного вида энергии в другой обсуждаются лишь в связи с регистрацией интенсивности света. Квантовомеханические явления также не рассматриваются, а дифракционные процессы излагаются в рамках классической теории дифракции Релея-Зоммерфельда.

Геометрическую оптику, в свою очередь, можно разделить на три раздела: «Световые волны и их свойства», «Геометрическая оптика. Идеальные оптические системы», «Реальные оптические системы. Качество оптического изображения».

В разделе «Световые волны и их свойства» (главы 1, 2, 3) рассматриваются общие физические понятия, относящиеся к световому полю. В главе 1 на основе уравнений Максвелла рассмотрен вывод волнового уравнения для комплексной амплитуды поля – уравнения Гельмгольца. В главе 2 рассматриваются энергетические характеристики светового поля, которые разделяются на собственно энергетические и световые. Векторные свойства света подробно расматриваются при описании прохождения светового поля через границу двух сред (глава 3).

Раздел «Геометрическая оптика. Идеальные оптические системы» (главы 4, 5, 6) посвящен изучению законов геометрической оптики и идеальных оптических систем. Законы геометрической оптики, рассматриваемые в главе 4, вытекают из основного положения этой дисциплины – приближения коротких длин волн, при котором длина волны считается пренебрежимо малой величиной по сравнению с неоднородностями среды и самого поля. Теория идеальных оптических систем (глава 5) излагается вначале в классической форме Ньютона-Гаусса, а затем с использованием матричного аппарата и соответствующих понятий матриц преобразования координат нулевых лучей (глава 6).

Раздел «Реальные оптические системы. Качество оптического изображения» (главы 7, 8, 9) охватывает понятие реальных лучей, ограничение пучков лучей в оптических системах, систему обобщенных (канонических) характеристик (глава 7), а также аберрации, их типы и порядки (глава 8). В главе 9 рассматриваются критерии и характеристики качества изображения безаберрационных оптических систем, теоретические пределы разрешения, влияние аберраций на характеристики качества и разрешение, а также понятие дифракционно-ограниченных и геометрически-ограниченных оптических систем.

К каждой главе учебно-методического комплекса имеется обучающий тест, позволяющий студентам проверить полученные знания, а к каждому разделу имеется аттестующий тест. Обучающий тест можно пройти в любое время и с любого компьютера, а аттестующий тест проводится в специально выделенное время в присутствии преподавателя, и является необходимым для получения допуска к экзамену.

В практических занятиях подробно рассматривается решение типовых задач, и приводятся задачи для самостоятельной проработки. Контрольные работы реализованы в виде аттестующих тестов, которые проводятся в присутствии преподавателя в специально выделенное время. Выполнение домашних заданий по практическим занятиям возможно в виде электронного практикума, который позволяет выдавать и принимать домашние задания студентов в электронном виде.

В методических указаниях к выполнению лабораторных работ приводятся задание для работы, подробное описание и пример выполнения лабораторной работы и выполнения отчета, индивидуальные задания и перечень вопросов для защиты лабораторной работы. Защита лабораторной работы возможна также в виде прохождения обучающего теста.