ВОПРОСЫ к госэкзамену бакалавров

ВОПРОСЫ
К ГОСЭКЗАМЕНУ ДЛЯ БАКАЛАВРОВ
Основы оптики
Вопросы:
1. Основные понятия геометрической оптики. Основные законы и инварианты.
2. Линейное, угловое, продольное увеличение. Кардинальные точки и отрезки.
3. Основные соотношения идеальных оптических систем (формула увеличений, отрезков,
Ньютона, Гаусса, инвариант Лагранжа-Гельмгольца).
4. Преобразование координат лучей оптической системой. Расчет нулевых лучей через
оптическую систему.
5. Реальные лучи. Непрохождение лучей через поверхность.
6. Ограничения пучков лучей. Апертурная и полевая диафрагма. Виньетирование.
7. Формы представления аберраций (поперечная, продольная, волновая). Взаимосвязь
аберраций.
8. Характеристики структуры изображения. Функция рассеяния точки. Оптическая
передаточная функция. Гармонический периодический объект.
9. Дифракционная структура изображения. Безаберационная ОПФ. Безаберрационная
ФРТ.
10. Критерии качества оптического изображения. Разрешающая способность по Релею.
Разрешающая способность по Фуко.
11. Основы фотометрии. Визуальная фотометрия. Импульсная фотометрия. Основные
понятия о спектрофотометрии.
12. Отражение и преломление света на границе двух сред. Формулы Френеля.
13. Основные характеристики двухлучевой и многолучевой интерференционной картины.
Интерференционные приборы.
14. Линейные поляризаторы (принципы их построения: дихроизм, двулучепреломление,
отражение, рассеяние). Способы анализа поляризованного света.
15. Оптическая анизотропия (естественная и искусственная) и оптическая активность.
Эффект Керра, эффект Фарадея.
16. Осциллятор и его свойства (зависимость излучаемой мощности от угла, от длины
волны, форма индикатрисы излучения). Гармонический и ангармонический
осциллятор (основные различия и особенности).
17. Рэлеевское рассеяние и его особенности. Спектральная зависимость рассеяния.
18. Происхождение атомных и молекулярных спектров. Типы молекулярного движения и
виды спектров.
19. Основы голографии. Уравнения Габора. Виды голограмм. Метод Ю.Н. Денисюка.
Литература:
1. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. и др. Теория оптических систем. М.:
Машиностроение, 1984.
2. Русинов М.М. и др. Вычислительная оптика. Справочник. Л.: Машиностроение,
1984
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.
4. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.
5. Бутиков Е.И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986.
6. Прикладная физическая оптика /Под. ред. В.А.Москалева С.-Пб.: Политехника,
1995
7. Золотарев В. М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Справочник. Оптические
постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984.
2
8. Сборник задач по теории оптических систем. /Л.Н.Андреев, А.П.Грамматин и др.
М.: Машиностроение, 1987.
9. Ландсберг Г.С. Оптика. М.:Наука, 1976
10. Дичберн Р. Физическая оптика. М.: Наука, 1965.
11. Поль Р.В. Оптика и атомная физика. М.: Наука, 1966
Оптические измерения
Вопросы:
1. Классификация измерений по различным признакам.
2. Классификация оптических измерений по способу кодирования измерительной
информации. Примеры.
3. Метрологические термины и определения: виды измерений, методы измерений, средства
измерений.
4. Основные характеристики метода измерений.
5. Функциональная схема измерительного оптического прибора (установки). Пример.
6. Случайная погрешность наведения. Определение. Единицы измерения. Примеры.
7. Случайная погрешность наведения. Влияющие параметры. Пример.
8. Измерение показателей преломления стекла на рефрактометрах.
9. Измерение толщин оптических деталей.
10. Измерение радиусов кривизны оптических деталей контактными методами. Метод пробных
стекол, метод колец Ньютона, сферометр.
11. Измерение радиусов кривизны бесконтактными методами. Автоколлимационный
микроскоп, автоколлимационная зрительная труба, теневой метод.
12. Измерение показателей преломления и толщин покрытий на микроинтерферометре.
13. Измерение толщин пленок на двойном микроскопе Линника.
14. Измерение углов клиньев интерференционными методами.
15. Измерение углов клиньев на автоколлиматоре.
16. Измерение углов призм на гониометре.
17. Измерение увеличения зрительных труб по зрачкам.
18. Измерение фокусных расстояний прямым методом и на фококоллиматоре.
19. Измерение разрешающей способности оптических систем.
Тесты:
1. В каких единицах измеряется выходная апертура коллиматора?
в миллиметрах
в обратных миллиметрах
безразмерна
в радианах
в градусах, минутах, секундах
2. В каких единицах измеряется входная апертура микроскопа?
в миллиметрах
в обратных миллиметрах
безразмерна
в радианах
в градусах, минутах, секундах
3. В каких единицах измеряется обобщенное увеличение микроскопа?
в миллиметрах
в обратных миллиметрах
безразмерно
3
4. В каких единицах измеряется обобщенное увеличение оптической
фотоэлектрического устройства наведения на удаленные объекты?
в миллиметрах
в обратных миллиметрах
безразмерно
системы
5.Чувствительность ПРИБОРА измеряется
в числе длин волн
в канонических единицах
в единицах измеряемой величины
в единицах непосредственно измеряемых координат
6. Чувствительность НАВЕДЕНИЯ измеряется (указать все правильные ответы)
в числе длин волн
в канонических единицах
в единицах непосредственно измеряемых координат
7. Какая величина случайной погрешности наведения в волновой мере характерна для
простых визуальных методов поперечного наведения?
0,125
0,05
0,25
0,01
8. Какая величина случайной погрешности наведения в волновой мере характерна для
простого метода продольного наведения – визуальной фокусировке по резкости?
0,5
0,125
0,25
0,1
9.Чем отличается интерферометр от измерительного прибора, работающего по
изображению?
наличием фотоприемника
наличием тестового объекта
наличием разделителя пучков и соединяющего пучки устройства
наличием эталона
наличием установочного устройства
10. Какой минимальный контраст интерференционной картины допустим при визуальном
считывании?
0,02
0,2
0,01
0,5
11. Какова величина случайной погрешности считывания интерференционной картины в
долях полосы при визуальном считывании?
0,5
0,1
0,01
4
1,0
12. Какую задачу решает продольное перемещение окуляра относительно сетки? Указать
все правильные ответы.
фокусировки всей системы
диоптрийной подвижки окуляра
установки окуляра на резкое изображение сетки
установки системы на резкое изображение объекта
компенсации аметропии глаза
13. Какую задачу решает продольное перемещение окуляра вместе с сеткой в зрительной
трубе или другом приборе, работающем с глазом? Указать все правильные ответы.
фокусировки всей системы
диоптрийной подвижки окуляра
установки окуляра на резкое изображение сетки
установки системы на резкое изображение объекта
компенсации аметропии глаза
Литература:
1. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.:Высшая школа, 1981.
2. Креопалова Г.В, Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.:
Машиностроение, 1989.
3. Селиванов М.Н., Фридман А.Э. и др. Качество измерений. Метрологическая
справочная книга. М. : Машиностроение, 1987.
4. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. М.: Наука, 1985.
Прикладная оптика
Вопросы:
1. Отражение от плоского зеркала. Отражение от двух плоских зеркал.
2. Плоскопараллельная пластинка.
3. Призмы с крышей.
4. Отражательные призмы.
5. Сферические зеркала.
6. Апланатические точки сферической поверхности.
7. Монохроматические аберрации тонкой линзы.
8. Хроматические аберрации тонкой линзы.
9. Основные характеристики проекционных систем.
10. Строение глаза. Острота зрения. Аккомодация. Адаптация. Коррекция недостатков
зрения.
11. Работа прибора совместно с глазом. Видимое увеличение.
12. Видимое увеличение лупы.
13. Полезное увеличение микроскопа. Глубина резкости микроскопа.
14. Телескопическая система Кеплера. Система Галилея.
15. Объективы телескопических систем. Окуляры телескопических систем.
16. Устройство сложных зрительных труб.
17. Разрешающая способность телескопических систем.
18. Основные характеристики фотографических объективов.
19. Характеристики качества изображения фотографических объективов.
Задачи:
5
1. Определить угловое поле в пространстве изображений сложного микроскопа,
составленного из объектива с увеличением  об, оборачивающей системы с увеличением
об.с и окуляра с видимым увеличением Гок, если линейное поле в пространстве
предметов 2y = 3 мм,  об = 8 , об.с. = 1, Г ок = 15.
2. Звезда шестой звездной величины, ещё обнаруживаемой невооруженным глазом,
создаёт на его входном зрачке освещённость Е = 108 лк. Каким увеличением должен
обладать оптический телескоп, чтобы обеспечить наблюдение звезды двенадцатой
звёздной величины, блеск которой оценивается освещённостью на входном зрачке
телескопа величиной Е = 1012 лк. Потерями в атмосфере и телескопе пренебречь.
3. Наблюдение с помощью бинокля 840 ведётся за предметами, расположенными
на расстоянии 3 км от наблюдателя. Определить линейный предел разрешения на объекте,
если угловой предел разрешения глаза  = 3'.
4. Определить необходимое относительное отверстие объектива, применяемого
для фотосъемки с  = 2х, позволяющее получить такую же освещенность в плоскости
изображения, какая была при съемке с  = 0,5х при относительном отверстии D : f  =
= 1 : 20. Увеличение в зрачках р = 1, f = 50 мм.
5. Лазер мощностью Фе с углом расходимости 2 создаёт облученность Ее на
объекте, расположенном на расстоянии р от лазера. Каким увеличением должна обладать
телескопическая система, устанавливаемая после лазера, чтобы увеличить облученность
объекта в 16 раз? Энергетическими потерями пренебречь. Какого типа телескопическую
систему необходимо применять с лазерами высокой мощности?
6. Зрительная труба с увеличением Гт = -3,5 при наблюдении бесконечно
удалённых предметов имеет длину 100 мм. Определить фокусное расстояние объектива,
окуляра и расстояние, на которое нужно переместить окуляр, чтобы наблюдать резкое
изображение предмета, находящегося на расстоянии 5 м. Компоненты считать тонкими.
7. Какими примерно характеристиками (задний отрезок, фокусное расстяние)
должна обладать оптическая система, предназначенная для фокусировки лазера в пятно
размером 10 мкм на расстоянии 1 м? Из лазера выходит пучок диаметром 6 мм, длина
волны излучения — 0,6 мкм. Какой должна быть конструкция этой оптической системы?
8. Объектив, имеющий относительное отверстие 1:4, стоит в телевизионной камере,
использующей ПЗС-матрицу, размеры ячеек которой 10х10 мкм. Чему равен допуск на
точность фокусировки объектива
(допуск на расстояние от объектива до ПЗСматрицы)?
9. Для плоскости объекта на расстоянии 400 мм от объектива с fоб = 100 мм при
относительном отверстии 1:5 была получена освещенность Е в центре изображения.
Рассчитать, при каком относительном отверстии освещенность останется неизменной,
если плоскость объекта перенести на расстояние 800 мм от объектива.
10. Возможно ли наблюдение невооруженным глазом шкалы визуального прибора
с величиной интервала  = 0,06 мм? Каким станет видимый интервал между штрихами
шкалы, если применить для её рассматривания окуляр с f  = 10 мм?
6
11. Микрообъектив имеет линейное увеличение об = 100 при диаметре
изображения 2y' = 12 мм. При каком диаметре изображения на экране будет обеспечено
видимое увеличение Г = 1000Х для наблюдателя, находящегося на расстоянии 0,5 м от
экрана телевизора?
12. Тело лампы накаливания размером 2,82 мм проектируется на экран линзой со
световым диаметром 30 мм. Расстояние экрана от линзы составляет 5000 мм. Полный
световой поток лампы 250 лм. Определить освещённость изображения. Потерями света в
линзе пренебречь.
Литература:
1. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. М.:
Машиностроение,1992.
2. Бебчук Л.Г. и др. Прикладная оптика. М. : Машиностроение, 1988.
3. Прикладная оптика / Дубовик А.С., Апенко М.И., Дурейко Г.В. и др. М.: Недра,
1982.
4. Апенко М.И. .Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике,
М.: Недра, 1987.
5. Вычислительная оптика / Русинов М.М. и др. Справочник. Л.: Машиностроение,
1984.
Источники и приемники оптического излучения
Вопросы:
1. Cвязь световых и энергетических фотометрических величин: определения и формулы
величин Xv, K, K(), V(), Kmax; формула связи Xv  Хе.
2. Эквивалентные температуры: радиационная температура.
3. Эквивалентные температуры: яркостная температура.
4. Основные параметры источников излучения: энергетические параметры (T, ', Tс, I, L,
Ф, Qимп), спектральные параметры (0,5, ), временные параметры (fмод.max, tимп),
пространственные параметры (), электрические параметры (Uр, Pпотр).
5. 7. Основные характеристики источников излучения: энергетические характеристики
(L(I)), спектральные характеристики (Ф()), пространственные характеристики
(I(,), L(,)), электрические характеристики (I(U)), временные характеристики
(L(fмод)).
6. Принцип действия, схема включения, основные параметры и характеристики
полупроводниковых излучающих диодов.
7. Принцип действия, устройство, основные параметры и характеристики газовых
лазеров.
8. Принцип действия, устройство, основные параметры и характеристики твердотельных
лазеров.
9. Принцип действия, устройство, основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров.
10. Параметры оптически прозрачных сред: n, , , , , r'.
11. Закон Бугера.
12. Классификация приемников оптического излучения.
13. Основные
параметры
приемников
оптического
излучения:
параметры
чувствительности (S, SU, SI, SФ, SE, Sинт, S), параметры спектральных характеристик
(',").
7
14. Основные параметры приемников оптического излучения: параметры шумовых и
пороговых характеристик (Фп, Фп1, Фп*, D, D*), параметры частотных и временных
характеристик (tуст.0,37, fо).
15. Основные характеристики приемников оптического излучения: спектральные
характеристики (Sотн()), частотные и временные характеристики (Sотн(f)),
характеристики зависимости параметров от мощности излучения (Iф(Ф)), вольтовые
характеристики (I(U)), пространственные характеристики (S(,))).
16. Пересчет параметров приемников оптического излучения: из световых величин в
энергетические; из параметров для излучения одного источника в параметры для
излучения другого источника.
17. Принцип действия приемников оптического излучения на внешнем фотоэффекте.
18. Принцип действия приемников оптического излучения на внутреннем фотоэффекте.
Задачи:
1. Вычислить поток излучения на участке от 0,45 до 0,75 мкм, если спектральная
плотность потока излучения постоянна и равна 1,5 Вт/мкм.
2. Найти спектральную плотность энергетической яркости серого тела, излучающего
по закону Ламберта, с температурой 3900 К и коэффициентом теплового излучения 0,8 на
длине волны 2 мкм. Постоянная второго закона Вина С' = 1,31510-5 Вт/(м3К5) =
= 1,31510-15 Вт/(см2мкмК5); постоянная закона смещения (Вина) С = 28,9810-4 мК =
= 2898 мкмК; ординаты универсальной изотермы: y(2,7) = 0,187; y(2,6) = 0,208.
3. Фотоумножитель ФЭУ-28
имеет удельный порог чувствительности
-13
1/2
7,310 Вт/(Гц см) для излучения черного тела с температурой 2360 К. Найти удельный
порог чувствительности фотоумножителя в световых фотометрических величинах.
Максимальная спектральная световая эффективность монохроматического излучения
Кmax = 683 лм/Вт; коэффициент полезного действия глаза г(2360) = 8,510-3.
4. Найти энергетическую яркость черного тела с энергетической светимостью
3,8106 Вт/м2.
5. Найти спектральную плотность энергетической яркости серого тела, излучающего
по закону Ламберта, с температурой 3900 К и коэффициентом теплового излучения 0,8 на
длине волны 0,5 мкм. Постоянная второго закона Вина С' = 1,31510-5 Вт/(м3К5) =
= 1,31510-15 Вт/(см2мкмК5); постоянная закона смещения (Вина) С = 28,9810-4 мК =
= 2898 мкмК; ординаты универсальной изотермы: y(0,67) = 0,638; y(0,74) = 0,783.
6. Найти энергетическую светимость черного тела с температурой 2856 К.
Постоянная Стефана-Больцмана  = 5,6710-8 Вт/(м2К4).
7. Черное тело с температурой 2856 К имеет энергетическую яркость
1,2106 Вт/(м2ср). Найти яркость черного тела. Максимальная спектральная световая
эффективность Kmax = 683 лм/Вт; к.п.д. глаза для излучения черного тела с температурой
2856 К г(2856) = 2,4310-2.
8.
Для
кремниевого
фотодиода
ФД-28КП,
имеющего
спектральную
чувствительность, равную 1,5 А/Вт на длине волны 0,63 мкм, рассчитать максимальную
спектральную чувствительность. Относительная спектральная чувствительность
фотодиода на длине волны 0,63 мкм S.отн(0,63) = 0,7.
8
9. Для кремниевого фотодиода ФД-28КП пересчитать спектральную
чувствительность, равную 3,5 мА/лм на длине волны 0,63 мкм, в энергетические
фотометрические величины. Максимальная спектральная световая эффективность
монохроматического излучения Кmax = 683 лм/Вт; относительная спектральная световая
эффективность монохроматического излучения на длине волны 0,63 мкм V(0,63) = 0,631.
10. На каком расстоянии видна простым глазом в космосе лампа накаливания с
яркостью 50 Мкд/м2 и с площадью тела накала 2 см2? Пороговая освещённость для глаза
Еv.п.гл = 0,025 мклк.
Тесты:
1. Температура черного тела, при которой один из параметров его излучения
совпадает с аналогичным параметром излучения реального объекта при истинной
температуре.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Радиационная температура.
Цветовая температура.
Эквивалентная температура.
Яркостная температура.
2. ТM - это температура черного тела, при которой его энергетическая светимость
равна энергетической светимости исследуемого объекта при истинной температуре.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Радиационная температура.
Цветовая температура.
Эквивалентная температура.
Яркостная температура.
3. ТL - это температура черного тела, при которой его спектральная плотность
энергетической яркости на заданной длине волны равна спектральной плотности
энергетической яркости исследуемого объекта при истинной температуре на той же длине
волны.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Радиационная температура.
Цветовая температура.
Эквивалентная температура.
Яркостная температура.
4. ТC - это температура черного тела, при которой спектральный состав его
излучения одинаков со спектральным составом излучения исследуемого объекта при
истинной температуре.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Радиационная температура.
Цветовая температура.
Эквивалентная температура.
Яркостная температура.
5. К - величина, численно равная световому потоку, соответствующему единичному
потоку излучения.
Укажите, определение какого понятия приведено.
9
Относительная спектральная световая эффективность монохроматического
излучения.
Световая эффективность излучения.
Спектральная световая эффективность монохроматического излучения.
Энергетическая фотометрическая величина.
6. К() - величина, численно равная спектральной плотности светового потока,
соответствующей единичной спектральной плотности потока излучения на данной длине
волны.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Относительная спектральная световая эффективность монохроматического
излучения.
Световая эффективность излучения.
Спектральная световая эффективность монохроматического излучения.
Световая фотометрическая величина.
7. V() - отношение спектральной световой эффективности монохроматического
излучения к ее максимальному значению Кmax .
Укажите, определение какого понятия приведено.
Относительная спектральная световая эффективность монохроматического
излучения.
Световая эффективность излучения.
Спектральная световая эффективность монохроматического излучения.
Световая фотометрическая величина.
8. Xv - фотометрическая величина, служащая для количественной оценки реакции
глаза на излучение и определяемая с учетом чувствительности глаза к различным длинам
волн.
Укажите, определение какого понятия приведено.
Коэффициент полезного действия глаза (коэффициент использования глазом
излучения источника).
Световая фотометрическая величина.
Световая эффективность излучения.
Спектральная световая эффективность монохроматического излучения.
9. Укажите приемники оптического излучения, относящиеся к тепловым.
Термоэлемент.
Болометр.
Оптико-акустический приемник.
Фотоэлемент.
Фоторезистор.
10. Укажите приемники оптического излучения, действующие
фотоэффекта.
Термоэлемент.
Пироэлектрический приемник излучения (ППИ).
Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС).
Фотоэлемент.
Фоторезистор.
на
основе
10
Литература:
1. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. - СПб.:
Папирус, 2002. - 650 с.
2. Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники излучения / Уч. пособие. – СПб.: СПбГУ
ИТМО, 2004. – 395 с.
3. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических
специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991.
4. Ишанин Г.Г., Коняхин И.А., Мусяков В.Л. Сборник задач по курсу “Источники и
приемники излучения”. - СПб.: ИТМО, 1998.
5. Ишанин Г.Г., Мальцева Н.К., Мусяков В.Л. Источники и приемники излучения /
Пособие по решению задач. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006.