Òptica Aplicada
Codi: 100183 Crèdits: 6| Titulació | Tipus | Curs |
|---|---|---|
| 2500097 Física | OT | 4 |
Professor/a de contacte
- Nom:
- Juan Ignacio Pedro Campos Coloma
- Correu electrònic:
- juan.campos@uab.cat
Equip docent
- Irene Estevez Caride
- Angel Lizana Tutusaus
Idiomes dels grups
Podeu consultar aquesta informació al final del document.
Prerequisits
Aquesta assignatura no té prerequisits però s'aconsella que l'estudiant hagi cursat les assignatures d'Òptica i Laboratori d'Òptica.
És també aconsellable que l'alumnat repassi els conceptes generals d'electromagnetisme i de matemàtiques que hagi après en aquestes assignatures en els cursos anteriors.
Objectius
Com a objectius més concrets de l'assignatura podem esmentar l'aprenentatge de la formulació de la difracció basant-se en l'aplicació de la transformada de Fourier i la seva utilitat en el processament òptic de la informació.
L'objectiu de les pràctiques de simulació numèrica i de les pràctiques de laboratori és complementar l'aprenentatge dels conceptes de les classes teòriques.
Pel que fa a la contribució d'aquesta assignatura a la formació professional de l'alumnat es destaca la capacitat de raonar de manera crítica i millorar la capacitat de treball en equip. Pel que fa a les eines experimentals, és de les poques assignatures optatives en què l'estudiant s'enfronta a un treball al laboratori i a l'elaboració posterior d'un informe el que comporta a millorar la seva capacitat d'elaborar dades.
Competències
- Actuar amb responsabilitat ètica i amb respecte pels drets i deures fonamentals, la diversitat i els valors democràtics.
- Actuar en l'àmbit de coneixement propi valorant l'impacte social, econòmic i mediambiental.
- Aplicar els principis fonamentals a l'estudi qualitatiu i quantitatiu de les diferents àrees particulars de la física
- Comunicar eficaçment informació complexa de manera clara i concisa, ja sigui oralment, per escrit o mitjançant TIC, i en presència de públic, tant a públics especialitzats com generals
- Conèixer les bases d'alguns temes avançats incloent desenvolupaments actuals en la frontera de la física sobre els quals poder-se formar posteriorment amb més profunditat
- Fer treballs acadèmics de manera independent usant bibliografia (especialment en anglès), bases de dades i col·laborant amb altres professionals
- Formular i abordar problemes físics identificant els principis més rellevants i utilitzant aproximacions, si fos necessari, per arribar a una solució que ha de ser presentada explicitant hipòtesis i aproximacions
- Introduir canvis en els mètodes i els processos de l'àmbit de coneixement per donar respostes innovadores a les necessitats i demandes de la societat.
- Planejar i realitzar, utilitzant els mètodes apropiats, un estudi o recerca teòrica i interpretar i presentar-ne els resultats
- Planejar i realitzar, utilitzant els mètodes apropiats, un estudi, mesura o recerca experimental i interpretar i presentar-ne els resultats
- Raonar críticament, tenir capacitat analítica, fer servir correctament el llenguatge tècnic i elaborar arguments lògics
- Treballar autònomament, tenir iniciativa pròpia, ser capaç d'organitzar-se per assolir uns resultats i planejar i executar un projecte
- Treballar en grup, assumint responsabilitats compartides e interaccionant professional i constructivament amb altres amb absolut respecte als seus drets.
- Utilitzar les matemàtiques per descriure el món físic, seleccionant les eines apropiades, construint models adequats, interpretant resultats i comparant críticament amb l'experimentació i l'observació
Resultats d'aprenentatge
- Analitzar el resultat que produirà en la imatge final la utilització de filtres en el domini de Fourier.
- Analitzar la formació d'imatges per un sistema òptic utilitzant les aproximacions adequades.
- Aplicar l'equació d'ones a la descripció dels fenòmens de difracció.
- Aplicar la teoria de sistemes lineals a sistemes òptics formadors d'imatge.
- Comunicar eficaçment informació complexa de manera clara i concisa, ja sigui oralment, per escrit o mitjançant TIC, i en presència de públic, tant a públics especialitzats com generals.
- Construir un sistema de processament òptic d'imatges.
- Descriure el processament de senyals en el domini de Fourier.
- Descriure els principis de l'holografia i la seva aplicació a la generació d'elements difractius.
- Descriure l'emmotllament de fronts d'ona mitjançant elements difractius basats en holografia.
- Descriure la caracterització dels sistemes lineals i invariants mitjançant la resposta impulsional i la funció de transferència.
- Descriure una ona mitjançant l'espectre angular d'ones planes i la seva aplicació a la propagació d'ones.
- Explicar el codi deontològic, explícit o implícit, de l'àmbit de coneixement propi.
- Fer treballs acadèmics de manera independent usant bibliografia (especialment en anglès), bases de dades i col·laborant amb altres professionals.
- Identificar les implicacions socials, econòmiques i mediambientals de les activitats academicoprofessionals de l'àmbit de coneixement propi.
- Identificar situacions que necessiten un canvi o millora.
- Plantejar problemes de difracció de feixos de llum per obertures, utilitzant les aproximacions necessàries depenent de les dimensions.
- Programar un processament d'imatges en el domini de Fourier.
- Raonar críticament, tenir capacitat analítica, usar correctament el llenguatge tècnic i elaborar arguments lògics.
- Simular, mitjançant un programa per ordinador, la propagació d'ones.
- Treballar autònomament, tenir iniciativa pròpia, ser capaç d'organitzar-se per assolir uns resultats i planejar i executar un projecte.
- Treballar en grup, assumir responsabilitats compartides i interaccionar professionalment i de manera constructiva amb altres persones amb un respecte absolut als seus drets.
- Utilitzar la convolució per descriure sistemes lineals invariants.
- Utilitzar la transformada de Fourier de funcions espacials en dues dimensions.
Continguts
I - Fonaments.
1.- Anàlisi de Fourier en dues dimensions. Sistemes lineals i invariants.
2.- Teoria escalar de la difracció. Teorema de Kirchhoff.
3.- Difracció per una obertura rectangular. Difracció per una obertura circular. Difracció per una xarxa.
II - Formació d'imatge.
4.- Anàlisi de sistemes formadors d'imatge.
5.- Il·luminació incoherent. Funció de transferència.
6.- Il·luminació coherent.
III - Processament Òptic de la imatge.
7.- Processament òptic coherent.
8.- Filtrat espacial: Filtres complexos. Reconeixements d'imatges, millora de la imatge.
IV - Holografia.
9.- Fonaments, registre, reconstrucció.
10.- Relacions entre objecte i imatge.
11.- Holografia de volum. Hologrames per reflexió. Holografia en color. Holografia d'arc de Sant Martí.
12.- Interferometria hologràfica: per doble exposició, en temps real i d'objectes vibrants.
13.- Altres aplicacions.
PRÀCTIQUES DE LABORATORI:
1.- Difracció de Fraunhofer.
2.- Filtrat de freqüències espacials.
3.- Holografia.
4.- Pràctiques en MATLAB
Activitats formatives i Metodologia
| Títol | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|
| Tipus: Dirigides | |||
| Pràctiques de Laboratori | 12 | 0,48 | 2, 1, 4, 3, 5, 6, 12, 15, 14, 22, 18, 23, 21 |
| Pràctiques de Simulació Numèrica | 6 | 0,24 | 2, 1, 4, 3, 5, 12, 15, 14, 17, 19, 22, 18, 23, 20, 21, 13 |
| classes teòriques | 30 | 1,2 | 2, 1, 4, 3, 7, 11, 9, 10, 8, 12, 15, 14, 16, 22, 18, 23 |
| Tipus: Autònomes | |||
| Elaboració d'informes i programes de les pràctiques de simulació numèrica | 16 | 0,64 | 2, 1, 4, 3, 5, 15, 14, 17, 19, 22, 23, 20, 13 |
| Elaboració d'informes i qüestionaris de laboratori | 22 | 0,88 | 2, 1, 4, 5, 6, 7, 11, 9, 10, 8, 12, 15, 14, 16, 19, 22, 18, 23, 20, 21, 13 |
| Lectura i estudi de teoria | 39 | 1,56 | 2, 1, 4, 3, 7, 11, 9, 10, 8, 12, 15, 14, 16, 22, 18, 23, 20 |
| Resolució de problemes proposats | 18 | 0,72 | 2, 1, 4, 12, 15, 14, 16, 22, 18, 23, 20, 13 |
Classes teòriques:
El professor imparteix els coneixements bàsics de l'assignatura, procurant que quedin clars els conceptes així com la formulació matemàtica dels mateixos. Encara que l'estudiant aparentment no tingui una participació molt activa en aquest tipus de docència, cal promoure al màxim la seva contribució afavorint l'expressió de les seves idees i dubtes, tant a la mateixa classe com fora de l'aula.
Les classes teòriques són així mateix el fonament teòric que permet a l'estudiant realitzar les pràctiques experimentals.
Pràctiques de laboratori
Les pràctiques de laboratori són molt importants ja que permeten aplicar els coneixements teòrics al món físic real i comprendre millor la base teòrica de la matèria. D'altra banda, els estudiants adquireixen habilitats en la realització de treballs experimentals, utilització de material de laboratori i processat de resultats experimentals. En el cas d'aquesta matèria, els/les alumnes aprendran a capturar imatges amb càmeres CCD i convertidors analògic-digitals, emmagatzemar i processar aquestes dades. També s'utilitzaran diversos elements molt usuals en els laboratoris d'òptica, com ara lents, miralls, fonts de llum (làser, etc.). Així mateix utilitzaran el laboratori de fotografia per revelar els hologrames.
En resum, aquestes pràctiques permetran a l'estudiant adquirir destreses en metodologia experimental i aprendre tècniques que li seran útils en la seva futura vida professional.
Com s'ha comentat en els continguts, aquest curs no es podran realitzar les pràctiques de laboratori 1 (difracció) i 2 (processament digital d'imatges). En el seu lloc l'estudiant desenvoluparà dos applets de simulació que implementin els conceptes desenvolupats en aquestes pràctiques.
Simulacions numèriques per ordinador
En aquestes pràctiques es realitzaran les simulacions numèriques dels conceptes desenvolupats en teoria i dels fenòmens visualitzats en les pràctiques delaboratorio. Com a programa informàtic s'utilitzarà MATLAB, per la seva semblança amb el llenguatge C après en una altra assignatura, i la seva fàcil utilització per a visualitzar imatges.
Així doncs, aquestes pràctiques compleixen diverses finalitats:
D'una banda la consolidació dels conceptes apresos en teoria, en poder programar les equacions estudiades canviant els paràmetres pertinents i visualitzar els resultats en forma d'imatges
D'altra banda s'aprèn a programar en un llenguatge versàtil i a implementar mètodes de processat digital d'imatges. D'aquesta manera es poden veure les analogies entre el processat òptic i el processament digital de senyals.
Durant les sessions a les aules d'ordinadors l'estudiant anirà realitzant els exercicis proposats pel professorat i que prèviament se'ls ha lliurat en uns guions. D'aquesta manera anirà adquirint els coneixements per poder realitzar els exercicis d'avaluació.
Aquest curs reforçarem aquesta part. A més de les sessions a les aules informàtiques, durant les classes presencials implementarem els diferents continguts del curs. Aprendrem a realitzar applets en Matlab i finalment, l'estudiant desenvoluparà dos applets que simulen aquestes pràctiques de laboratori: difracció i processament d'imatges
Per a l'avaluació, lliuraran els programes i un breu informe presentant els resultats obtinguts en cada un dels exercicis d'avaluació proposats.
Elaboració d'informes i qüestionaris de laboratori
Els/Les alumnes reben uns guions que els serviran de guia per a realitzar les pràctiques experimentals. Les pràctiques es realitzen en grups de 2 o 3 alumnes supervisats pel professorat de laboratori. En finalitzar les pràctiques emplenen un qüestionari de forma individual sobre alguns conceptes bàsics que han après en el seu treball experimental. D'altra banda, elaboren en grup un informe molt detallat d'una de les pràctiques de laboratori. Finalment, per a l'avaluació de l'informe es complementa l'informe amb una presentació i discussió oral breu dels resultats més rellevants davant del professorat
Nota: es reservaran 15 minuts d'una classe, dins del calendari establert pel centre/titulació, per a la complementació per part de l'alumnat de les enquestes d'avaluació de l'actuació del professorat i d'avaluació de l'assignatura/mòdul.
Avaluació
Activitats d'avaluació continuada
| Títol | Pes | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|---|
| Examen final (prova escrita) | 50% | 3 | 0,12 | 2, 1, 4, 3, 5, 7, 11, 9, 10, 8, 16, 22, 18, 23, 20 |
| Pràctiques de laboratori | 30% | 1 | 0,04 | 2, 1, 4, 3, 5, 6, 12, 15, 14, 16, 17, 19, 22, 18, 23, 20, 21, 13 |
| Pràctiques de simulació numèrica per ordinador | 20% | 0 | 0 | 2, 1, 4, 3, 5, 12, 16, 17, 19, 22, 18, 23, 20, 13 |
| Recuperacion Examen final | 50% | 3 | 0,12 | 2, 1, 4, 3, 5, 7, 11, 9, 10, 8, 16, 22, 18, 23, 20 |
L'avaluació de l'assignatura es durà a terme mitjançant les següents ponderacions:
Examen final (prova escrita): 50%
Simulacions numèriques per ordinador: 20%
o Lliurament de programes
o Breu informe presentant els resultats obtinguts en cada un dels exercicis d'avaluació proposats
Pràctiques de laboratori:
o Qüestionaris (holografia): 3%
o Applets: 7%
o Informe de la pràctica (holografia o applets): 12.5%
o Presentació i discussió oral de l'informe: 7.5%
Avaluació mitjançant prova escrita:
S'avaluaran els coneixements adquirits per l'estudiant a partir de les classes teòriques i de les pràctiques realitzades al laboratori. Per a això es formularan qüestions de caràcter teòric i també qüestions relacionades amb les pràctiques de laboratori. Les/Els alumnes podran portar un breu formulari que lliuraran amb l'examen.
Aquesta prova escrita es pot recuperar. Examen de recuperació: per poder optar a l'examen de recuperació dels i de les alumnes s'han d'haver avaluat d'almenys de 2/3 de la nota total.
Avaluació de les pràctiques de laboratori:
L'assistència a les pràctiques de laboratori és obligatòria i hauran de realitzar-se en les dates que s'anunciaran en començar el curs. També és obligatori el lliurament dels qüestionaris i de l'informe de pràctiques. La inassistència no justificada (amb informe mèdic) a les pràctiques impedirà aprovar l'assignatura.
Avaluació deles simulacions numèriques per ordinador:
L'assistència a les sessions de simulacions numèriques per ordinador és obligatòria i hauran de realitzar-se en les dates ques'anunciaran encomençar el curs. També és obligatori el lliurament dels programes i d'un breu informe presentant els resultats obtinguts en cada un dels exercicis d'avaluació proposats. La inassistència no justificada (amb informe mèdic) a aquestes sessions impedirà aprovar l'assignatura.
Avaluació Única
L’alumnat que s’hagi acollit a la modalitat d’avaluació única haurà de realitzar una prova final que consistirà en un examen de teoria on haurà de respondre a una sèrie de qüestions curtes. Seguidament haurà de fer una prova de problemes on haurà de resoldre una sèrie d’exercicis semblants als que s’han treballat a les sessions de problemes. Quan hagi finalitzat, lliurarà l'informe de la pràctica individual i diversos codis en matlab. Aquestes proves es duran a terme al mateix dia, hora i lloc que les proves del examen final.
La qualificació de l’estudiant serà la mitjana ponderada de les quatre activitats anteriors, on l’examen de teoria suposarà el 25% de la nota, l’examen de problemes el 15% i els informes de pràctiques de laboratori el 30% i el de simulació numèrica el 30%.
Si la nota de la prova final no arriba al 4 o si la nota final de l'assignatura no arriba a 5, l’estudiant té una altra oportunitat de superar l’assignatura mitjançant l’examen de recuperació que es celebrarà el dia de l'examen de recuperació de la modalitat d'avaluació continuada. En aquesta prova es podrà recuperar el 40% de la nota corresponent a la teoria i els problemes. La part de pràctiques no és recuperable.
Bibliografia
- J.W. Goodman: Introduction to Fourier Optics. 2017, 4th edition W. H. Freeman and Company.
- O.K. Ersoy: Diffraction, Fourier Optics and Imaging. John Wiley & Sons, Inc (2007)
- D. Voelz: Computational Fourier Optics. A Matlab Tutorial. SPIE Press (2011)
- J.D. Schmidt: Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in Matlab. SPIE Press (2010)
- S.H. Lee (editor): Optical Information Processing (Fundamentals), Springer-Verlag, Berlín 1981.
- D. Casasent (editor): Optical Data Processing (Aplications), Springer-Verlag, Berlín 1978.
- A. Marechal et M. Françon: Diffraction. Structure des Images. Rev d’Òptique 1960 ( y en Masson et cie.)
- W.T. Cathey: Optical Information Processing and Holography. Krieger Publishers, Melbourne (USA).
- J.D. Gaskill: Linear Systems, Fourier Transforms and Optics. John Wiley, New York, 1978.
- A. Vanderlugt: Optical Signal Processing. John Wiley, New York, 1992.
- M. Françon: Holografía. Paraninfo, 1977
- R.J. Collier, C.B. Burckhardt y L.H. Lin: Optical Holography. Academic Press, New York, 1971.
- B. Javidi y J. Horner: Real-time Optical Information Processing, Academic Press, 1994.
- P. Hariharan: Optical Holography. Cambridge University Press. 1984.
- P. Hariharan: Optical Interferometry. Academic Press. 1985.
- Mº Luisa Calvo (Coordinadora): Óptica avanzada. Ariel, 2002 (Capítulo 4, Procesado óptico de la información, por J. Campos y M.J. Yzuel y Apéndice B, Propiedades de laTransformada de Fourier, por J. Campos y M.J. Yzuel).
Llibres Generals:
- M.Born y E. Wolf: Principles of Optics, Seven (expanded) edition. Cambridge University Press (2005)
- J.Casas: Óptica. Librería Genera, Zaragoza (1995)
- Millán, M.S., Óptica Geométrica, Editorial Ariel. Barcelona 2004.
Programari
S'utilitzarà Matlab per a les pràctiques per ordinador
Llista d'idiomes
| Nom | Grup | Idioma | Semestre | Torn |
|---|---|---|---|---|
| (PLAB) Pràctiques de laboratori | 1 | Català | primer quadrimestre | tarda |
| (PLAB) Pràctiques de laboratori | 2 | Espanyol | primer quadrimestre | tarda |
| (TE) Teoria | 1 | Espanyol | primer quadrimestre | tarda |