WikiDer > Оптика

Оптика включает изучение разброс света.

Оптика это филиал физика который изучает поведение и свойства свет, включая его взаимодействие с иметь значение и строительство инструменты которые используют или обнаруживать Это.^[1] Оптика обычно описывает поведение видимый, ультрафиолетовый, и инфракрасный свет. Потому что свет - это электромагнитная волна, другие формы электромагнитное излучение Такие как Рентгеновские лучи, микроволны, и радиоволны проявляют аналогичные свойства.^[1]

Большинство оптических явлений можно объяснить с помощью классический электромагнитный описание света. Однако полное электромагнитное описание света часто трудно применить на практике. Практическая оптика обычно делается на упрощенных моделях. Самый распространенный из них, геометрическая оптика, рассматривает свет как набор лучи которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. Физическая оптика представляет собой более полную модель света, которая включает волна эффекты, такие как дифракция и вмешательство что не может быть учтено в геометрической оптике. Исторически первой была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в теории электромагнетизма в 19 веке привел к открытию того, что световые волны на самом деле были электромагнитным излучением.

Некоторые явления зависят от того факта, что свет имеет и волнообразные и частицеподобные свойства. Для объяснения этих эффектов требуется квантовая механика. При рассмотрении свойств света, подобных частицам, свет моделируется как набор частиц, называемых "фотоны". Квантовая оптика занимается применением квантовой механики к оптическим системам.

Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включая астрономия, разные инженерное дело поля, фотография, и лекарство (особенно офтальмология и оптометрия). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и повседневных объектах, включая зеркала, линзы, телескопы, микроскопы, лазеры, и волоконная оптика.

История

Линза Нимруда

Оптика началась с разработки линз компанией древние египтяне и Месопотамцы. Самые ранние известные линзы, сделанные из полированного хрусталя, часто кварц, датируются 2000 годом до н.э. Крит (Археологический музей Ираклиона, Греция). Линзы от Родос датируются около 700 г. до н.э., как и Ассирийский линзы, такие как Линза Нимруда.^[2] В древние римляне и Греки наполненные водой стеклянные шары для изготовления линз. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения древними Греческий и Индийский философов и развитие геометрическая оптика в Греко-римский мир. Слово оптика исходит из древнегреческий слово ὀπτική (optikē), что означает «внешний вид, внешний вид».^[3]

Греческая философия оптики распалась на две противоположные теории о том, как работает зрение. теория интромиссии и теория эмиссии.^[4] Подход интромиссии рассматривал зрение как исходящее от объектов, отбрасывающих копии самих себя (так называемые эйдола), которые были захвачены глазом. Со многими пропагаторами, включая Демокрит, Эпикур, Аристотель и их последователей, эта теория, кажется, имеет некоторый контакт с современными теориями о том, что такое зрение на самом деле, но она оставалась лишь предположением, не имеющим какого-либо экспериментального основания.

Платон впервые сформулировал теорию излучения, идею о том, что визуальное восприятие осуществляется лучами, испускаемыми глазами. Он также прокомментировал паритет разворот зеркал в Тимей.^[5] Несколько сотен лет спустя Евклид (4–3 вв. До н.э.) написал трактат под названием Оптика где он связал видение с геометрия, создавая геометрическая оптика.^[6] Он основывал свою работу на теории эмиссии Платона, в которой он описал математические правила перспектива и описал эффекты преломление качественно, хотя он сомневался, что луч света из глаза может мгновенно зажигать звезды каждый раз, когда кто-то моргает.^[7] Евклид сформулировал принцип кратчайшей траектории света и рассмотрел множественные отражения на плоских и сферических зеркалах.Птолемейв своем трактате Оптика, придерживался теории зрения: лучи (или поток) из глаза образовывали конус, вершина которого находилась внутри глаза, а основание определяло поле зрения. Лучи были чувствительными и передавали разуму наблюдателя информацию о расстоянии и ориентации поверхностей. Он резюмировал большую часть Евклида и продолжил описывать способ измерения угол преломления, хотя он не заметил эмпирической связи между ним и углом падения.^[8] Плутарх (1-2 века нашей эры) описал множественные отражения на сферических зеркалах и обсудил создание увеличенных и уменьшенных изображений, как реальных, так и мнимых, в том числе случай хиральность изображений.

Альхазен (Ибн аль-Хайтам), «отец оптики»^[9]

Воспроизведение страницы Ибн Сахлрукопись, показывающая его знание закон преломления.

Вовремя Средний возраст, Греческие идеи об оптике были возрождены и расширены писателями в Мусульманский мир. Одним из первых из них был Аль-Кинди (ок. 801–873), который писал о достоинствах аристотелевских и евклидовых идей оптики, отдавая предпочтение теории излучения, поскольку она может лучше количественно определять оптические явления.^[10] В 984 г. Персидский математик Ибн Саль написал трактат «О горящих зеркалах и линзах», правильно описав закон преломления, эквивалентный закону Снеллиуса.^[11] Он использовал этот закон для вычисления оптимальных форм линз и изогнутые зеркала. В начале 11 века Альхазен (Ибн аль-Хайтам) написал Книга оптики (Китаб аль-маназир), в которой он исследовал отражение и преломление и предложил новую систему объяснения зрения и света, основанную на наблюдении и эксперименте.^{[12][13][14][15][16]} Он отверг «эмиссионную теорию» оптики Птолемея, когда ее лучи испускаются глазом, и вместо этого выдвинул идею о том, что свет отражается во всех направлениях по прямым линиям от всех точек наблюдаемых объектов, а затем попадает в глаз, хотя он не смог правильно объяснить, как глаз захватывает лучи.^[17] Работа Альхазена в основном игнорировалась в арабском мире, но она была анонимно переведена на латынь около 1200 г. н.э., а затем обобщена и расширена польским монахом. Witelo^[18] сделать его стандартным текстом по оптике в Европе на следующие 400 лет.^[19]

В 13 веке в средневековой Европе английский епископ Роберт Гроссетест писал по широкому кругу научных тем и обсуждал свет с четырех разных точек зрения: эпистемология света, метафизика или же космогония света, этиология или физика света, и богословие света,^[20] основываясь на произведениях Аристотеля и платонизма. Самый известный ученик Гроссетеста, Роджер Бэкон, написал работы, цитирующие широкий спектр недавно переведенных оптических и философских работ, в том числе работы Альхазена, Аристотеля, Авиценна, Аверроэс, Евклид, аль-Кинди, Птолемей, Тидеус и Константин Африканский. Бэкон умел использовать части стеклянных сфер в качестве увеличительные стекла чтобы продемонстрировать, что свет отражается от объектов, а не исходит от них.

Первые носимые очки были изобретены в Италии около 1286 года.^[21]Это было началом оптической индустрии шлифовки и полировки линз для этих «очков», впервые в Венеции и Флоренции в тринадцатом веке.^[22] а позже - в центрах изготовления очков в Нидерландах и Германии.^[23] Создатели очков создали улучшенные типы линз для коррекции зрения, основанные больше на эмпирических знаниях, полученных при наблюдении за эффектами линз, а не на элементарной оптической теории того времени (теории, которая по большей части не могла даже адекватно объяснить, как работают очки. ).^[24][25] Это практическое развитие, мастерство и эксперименты с линзами привели непосредственно к изобретению соединения. оптический микроскоп около 1595 г., а рефракторный телескоп в 1608 году, оба из них появились в центрах изготовления очков в Нидерландах.^[26][27]

Первый трактат об оптике Иоганн Кеплер, Объявление Vitellionem paralipomen quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

В начале 17 века Иоганн Кеплер в своих трудах расширил геометрическую оптику, охватывая линзы, отражение плоскими и изогнутыми зеркалами, принципы камеры-обскуры, закон обратных квадратов, регулирующий интенсивность света, и оптические объяснения астрономических явлений, таких как лунный и солнечные затмения и астрономический параллакс. Он также смог правильно определить роль сетчатка как фактический орган, записывающий изображения, наконец получив возможность с научной точки зрения количественно оценить эффекты различных типов линз, которые производители очков наблюдали за предыдущие 300 лет.^[28] После изобретения телескопа Кеплер изложил теоретические основы того, как они работают, и описал улучшенную версию, известную как Кеплеровский телескоп, используя две выпуклые линзы для увеличения увеличения.^[29]

Обложка первого издания книги Ньютона. Opticks (1704)

Оптическая теория прогрессировала в середине 17 века с трактаты написано философом Рене Декарт, который объяснил множество оптических явлений, включая отражение и преломление, предполагая, что свет излучается объектами, которые его производят.^[30] Это существенно отличалось от древнегреческой эмиссионной теории. В конце 1660-х - начале 1670-х гг. Исаак Ньютон расширил идеи Декарта до корпускулярная теория света, известное определение, что белый свет представляет собой смесь цветов, которую можно разделить на составляющие с помощью призма. В 1690 г. Кристиан Гюйгенс предложил теория волн для света на основе предложений, сделанных Роберт Гук в 1664. Сам Гук публично критиковал теории света Ньютона, и вражда между ними длилась до самой смерти Гука. В 1704 году Ньютон опубликовал Opticks и в то время, отчасти из-за его успехов в других областях физики, его обычно считали победителем в дебатах о природе света.^[30]

Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда Томас Янг и Огюстен-Жан Френель проводил эксперименты на вмешательство света, твердо установившего волновую природу света. Знаменитый двойной щелевой эксперимент показал, что свет следует за принцип суперпозиции, что является волнообразным свойством, не предсказываемым теорией корпускул Ньютона. Эта работа привела к теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике.^[31] Волновая оптика была успешно унифицирована с электромагнитная теория к Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х гг.^[32]

Следующее развитие оптической теории произошло в 1899 г., когда Макс Планк правильно смоделирован излучение черного тела предполагая, что обмен энергией между светом и материей происходит только в дискретных количествах, он назвал кванты.^[33] В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрический эффект это твердо установило квантование самого света.^[34][35] В 1913 г. Нильс Бор показали, что атомы могут излучать только дискретное количество энергии, что объяснило дискретные линии, видимые на выброс и спектры поглощения.^[36] Понимание взаимодействия между светом и материей, которое последовало из этих разработок, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для разработка квантовой механики в целом. Конечная кульминация, теория квантовая электродинамика, объясняет всю оптику и электромагнитные процессы в целом как результат обмена реальными и виртуальный фотоны.^[37] Квантовая оптика приобрела практическое значение с изобретением мазер в 1953 г. и лазера в 1960 г.^[38]

Следуя за работой Поль Дирак в квантовая теория поля, Георгий Сударшан, Рой Дж. Глаубер, и Леонард Мандель применил квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более подробное понимание фотодетектирования и статистика света.

Классическая оптика

Классическая оптика делится на два основных раздела: геометрическую (или лучевую) оптику и физическую (или волновую) оптику. В геометрической оптике считается, что свет распространяется по прямым линиям, а в физической оптике свет рассматривается как электромагнитная волна.

Геометрическую оптику можно рассматривать как приближение к физической оптике, которое применяется, когда длина волны используемого света намного меньше, чем размер оптических элементов в моделируемой системе.

Геометрическая оптика

Геометрия отражения и преломления световых лучей

Геометрическая оптика, или же лучевая оптика, описывает распространение света в терминах «лучей», которые движутся по прямым линиям и чьи пути регулируются законами отражения и преломления на границах раздела между различными средами.^[39] Эти законы были открыты эмпирически еще в 984 году нашей эры.^[11] и с тех пор до наших дней использовались при разработке оптических компонентов и инструментов. Их можно резюмировать следующим образом:

Когда луч света попадает на границу между двумя прозрачными материалами, он разделяется на отраженный и преломленный луч.

Закон отражения гласит, что отраженный луч лежит в плоскости падения, а угол отражения равен углу падения.

Закон преломления гласит, что преломленный луч лежит в плоскости падения, а синус угла преломления, деленный на синус угла падения, является постоянной величиной:

${displaystyle {frac {sin {heta _ {1}}} {sin {heta _ {2}}}} = n}$,

куда п является константой для любых двух материалов и заданного цвета света. Если первый материал - воздух или вакуум, п это показатель преломления из второго материала.

Законы отражения и преломления можно вывести из Принцип Ферма в котором говорится, что путь, пройденный лучом света между двумя точками, - это путь, который можно пройти за наименьшее время.^[40]

Приближения

Геометрическую оптику часто упрощают, делая параксиальное приближение, или «приближение малых углов». Затем математическое поведение становится линейным, что позволяет описывать оптические компоненты и системы простыми матрицами. Это приводит к методам Гауссова оптика и параксиальный трассировка лучей, которые используются для определения основных свойств оптических систем, таких как приблизительные изображение и позиции объекта и увеличения.^[41]

Размышления

Схема зеркального отражения

Отражения можно разделить на два типа: зеркальное отражение и диффузное отражение. Зеркальное отражение описывает блеск поверхностей, таких как зеркала, которые отражают свет простым и предсказуемым образом. Это позволяет создавать отраженные изображения, которые могут быть связаны с фактическим (настоящий) или экстраполированный (виртуальный) расположение в космосе. Диффузное отражение описывает не глянцевые материалы, такие как бумага или камень. Отражения от этих поверхностей можно описать только статистически, с точным распределением отраженного света в зависимости от микроскопической структуры материала. Многие диффузные отражатели описаны или могут быть аппроксимированы следующим образом: Закон косинусов Ламберта, который описывает поверхности с равными яркость если смотреть под любым углом. Глянцевые поверхности могут давать как зеркальное, так и диффузное отражение.

При зеркальном отражении направление отраженного луча определяется углом, под которым падающий луч образует нормальная поверхность, линия, перпендикулярная поверхности в точке попадания луча. Падающий, отраженный лучи и нормаль лежат в одной плоскости, а угол между отраженным лучом и нормалью к поверхности такой же, как и между падающим лучом и нормалью.^[42] Это известно как Закон отражения.

За плоские зеркала, закон отражения подразумевает, что изображения объектов находятся в вертикальном положении и на том же расстоянии за зеркалом, что и объекты перед зеркалом. Размер изображения такой же, как и размер объекта. Закон также подразумевает, что зеркальные изображения являются инвертированной четностью, что мы воспринимаем как инверсию влево-вправо. Изображения, сформированные в результате отражения в двух (или любом четном количестве) зеркал, не инвертируются по четности. Угловые отражатели производят отраженные лучи, которые возвращаются в том направлении, откуда пришли падающие лучи.^[42] Это называется световозвращение.

Зеркала с искривленными поверхностями можно моделировать с помощью трассировки лучей и использования закона отражения в каждой точке поверхности. За зеркала с параболическими поверхностями, параллельные лучи, падающие на зеркало, производят отраженные лучи, которые сходятся на общем фокус. Другие изогнутые поверхности также могут фокусировать свет, но с аберрациями из-за расходящейся формы, вызывающей размытие фокуса в пространстве. В частности, сферические зеркала демонстрируют сферическая аберрация. Изогнутые зеркала могут формировать изображения с увеличением больше или меньше единицы, а увеличение может быть отрицательным, указывая на то, что изображение перевернуто. Вертикальное изображение, образованное отражением в зеркале, всегда виртуально, в то время как перевернутое изображение реально и может проецироваться на экран.^[42]

Преломления

Иллюстрация закона Снеллиуса для случая n₁ <п₂, например, интерфейс воздух / вода

Преломление возникает, когда свет проходит через область пространства с изменяющимся показателем преломления; этот принцип позволяет использовать линзы и фокусировать свет. Простейший случай рефракции возникает, когда есть интерфейс между однородной средой с показателем преломления ${displaystyle n_ {1}}$ и другая среда с показателем преломления ${displaystyle n_ {2}}$. В таких ситуациях Закон Снеллиуса описывает результирующее отклонение светового луча:

${displaystyle n_ {1} sin heta _ {1} = n_ {2} sin heta _ {2}}$

куда ${displaystyle heta _ {1}}$ и ${displaystyle heta _ {2}}$ - углы между нормалью (к границе раздела) и падающей и преломленной волнами соответственно.^[42]

Показатель преломления среды связан со скоростью, v, света в этой среде на

${displaystyle n = c / v}$,

куда c это скорость света в вакууме.

Закон Снеллиуса можно использовать для прогнозирования отклонения световых лучей при их прохождении через линейные среды, если известны показатели преломления и геометрия среды. Например, распространение света через призму приводит к тому, что луч света отклоняется в зависимости от формы и ориентации призмы. В большинстве материалов показатель преломления зависит от частоты света. Принимая это во внимание, закон Снеллиуса может быть использован для предсказания того, как призма будет рассеивать свет по спектру. Известно, что открытие этого явления при прохождении света через призму приписывают Исааку Ньютону.^[42]

Некоторые среды имеют коэффициент преломления, который постепенно меняется в зависимости от положения, и поэтому световые лучи в среде искривлены. Этот эффект отвечает за миражи в жаркие дни: изменение показателя преломления воздуха с высотой заставляет световые лучи изгибаться, создавая видимость зеркальных отражений вдалеке (как если бы на поверхности водоема). Оптические материалы с переменным показателем преломления называются материалами с градиентным показателем преломления (GRIN). Из таких материалов делают градиентная оптика.^[43]

Закон Снеллиуса предсказывает, что для световых лучей, идущих от материала с высоким показателем преломления к материалу с низким показателем преломления, нет ${displaystyle heta _ {2}}$ когда ${displaystyle heta _ {1}}$ большой. В этом случае передача не происходит; весь свет отражается. Это явление называется полное внутреннее отражение и позволяет использовать волоконно-оптическую технологию. Когда свет проходит по оптическому волокну, он подвергается полному внутреннему отражению, что позволяет практически не терять свет по длине кабеля.^[42]

Линзы

Схема трассировки лучей собирающей линзы.

Устройство, которое производит сходящиеся или расходящиеся световые лучи из-за преломления, известно как линза. Линзы характеризуются своим фокусное расстояние: собирающая линза имеет положительное фокусное расстояние, а расходящаяся линза - отрицательное фокусное расстояние. Меньшее фокусное расстояние указывает на то, что объектив имеет более сильный эффект схождения или расхождения. Фокусное расстояние простой линзы в воздухе определяется как уравнение производителя линз.^[44]

Трассировку лучей можно использовать, чтобы показать, как линзы формируют изображения. Для тонкая линза в воздухе положение изображения определяется простым уравнением

${displaystyle {frac {1} {S_ {1}}} + {frac {1} {S_ {2}}} = {frac {1} {f}}}$,

куда ${displaystyle S_ {1}}$ расстояние от объекта до линзы, ${displaystyle S_ {2}}$ - расстояние от линзы до изображения, а ${displaystyle f}$ - фокусное расстояние объектива. в подписать соглашение Используемые здесь расстояния между объектом и изображением положительны, если объект и изображение находятся на противоположных сторонах линзы.^[44]

Входящие параллельные лучи фокусируются собирающей линзой в пятно на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы, на дальней стороне линзы. Это называется задней фокусной точкой объектива. Лучи от объекта на конечном расстоянии фокусируются дальше от линзы, чем фокусное расстояние; чем ближе объект к объективу, тем дальше изображение от объектива.

В случае расходящихся линз падающие параллельные лучи расходятся после прохождения через линзу таким образом, что кажется, что они исходят из точки на расстоянии одного фокусного расстояния перед линзой. Это передняя фокусная точка объектива. Лучи от объекта на конечном расстоянии связаны с виртуальным изображением, которое находится ближе к линзе, чем точка фокусировки, и на той же стороне линзы, что и объект. Чем ближе объект к объективу, тем ближе виртуальное изображение к объективу. Как и в случае с зеркалами, вертикальные изображения, создаваемые одним объективом, являются виртуальными, а перевернутые - реальными.^[42]

Линзы страдают от аберрации которые искажают изображения. Монохроматические аберрации возникают из-за того, что геометрия линзы не позволяет идеально направлять лучи от каждой точки объекта в одну точку изображения, в то время как Хроматическая аберрация возникает из-за того, что показатель преломления линзы зависит от длины волны света.^[42]

Изображения черных букв в тонкой выпуклой линзе фокусного расстояния ж показаны красным. Выбранные лучи показаны для букв E, я и K синим, зеленым и оранжевым цветом соответственно. Обратите внимание, что E (в 2ж) имеет реальное и перевернутое изображение равного размера; я (в ж) имеет свой образ на бесконечности; и K (в ж/ 2) имеет двойное виртуальное вертикальное изображение.

Физическая оптика

В физической оптике считается, что свет распространяется как волна. Эта модель предсказывает такие явления, как интерференция и дифракция, которые не объясняются геометрической оптикой. В скорость света волны в воздуха приблизительно 3,0 × 10⁸ м / с (точно 299 792 458 м / с в вакуум). В длина волны длина волны видимого света варьируется от 400 до 700 нм, но термин «свет» также часто применяется к инфракрасному (0,7–300 мкм) и ультрафиолетовому излучению (10–400 нм).

Волновую модель можно использовать для прогнозирования поведения оптической системы, не требуя объяснения того, что «колеблется» в какой среде. До середины XIX века большинство физиков верило в «эфирную» среду, в которой распространяется световое возмущение.^[45] Существование электромагнитных волн было предсказано в 1865 г. Уравнения Максвелла. Эти волны распространяются со скоростью света и имеют различные электрические и магнитные поля, ортогональные друг другу, а также направлению распространения волн.^[46] Световые волны сейчас обычно рассматриваются как электромагнитные волны, за исключением случаев, когда квантово-механические эффекты нужно учитывать.

Моделирование и проектирование оптических систем с использованием физической оптики

Для анализа и проектирования оптических систем доступно множество упрощенных приближений. Большинство из них используют один скаляр величина, чтобы представить электрическое поле световой волны, а не использовать вектор модель с ортогональными электрическими и магнитными векторами.^[47]В Гюйгенс – Френель уравнение - одна из таких моделей. Это было получено эмпирическим путем Френелем в 1815 году на основе гипотезы Гюйгенса о том, что каждая точка волнового фронта порождает вторичный сферический волновой фронт, который Френель объединил с принципом суперпозиция волн.В Уравнение дифракции Кирхгофа, которое выводится с использованием уравнений Максвелла, ставит уравнение Гюйгенса-Френеля на более прочную физическую основу. Примеры применения принципа Гюйгенса – Френеля можно найти в статьях по дифракции и дифракции. Фраунгофера дифракция.

Более строгие модели, включающие моделирование как электрического, так и магнитного полей световой волны, требуются при работе с материалами, электрические и магнитные свойства которых влияют на взаимодействие света с материалом. Например, поведение световой волны, взаимодействующей с металлической поверхностью, сильно отличается от того, что происходит, когда она взаимодействует с диэлектрическим материалом. Векторная модель также должна использоваться для моделирования поляризованного света.

Численное моделирование такие методы, как метод конечных элементов, то метод граничных элементов и линейный матричный метод может использоваться для моделирования распространения света в системах, которые не могут быть решены аналитически. Такие модели требуют вычислений и обычно используются только для решения мелкомасштабных задач, требующих точности, превышающей ту, которая может быть достигнута с помощью аналитических решений.^[48]

Все результаты геометрической оптики можно восстановить, используя методы Фурье-оптика которые применяют многие из тех же математических и аналитических методов, которые использовались в акустическая инженерия и обработка сигналов.

Распространение гауссова луча представляет собой простую параксиальную модель физической оптики для распространения когерентного излучения, такого как лазерные лучи. Этот метод частично учитывает дифракцию, позволяя точно рассчитать скорость, с которой лазерный луч расширяется с расстоянием, и минимальный размер, до которого луч может быть сфокусирован. Таким образом, распространение гауссова луча устраняет разрыв между геометрической и физической оптикой.^[49]

Суперпозиция и интерференция

В отсутствие нелинейный Эффекты, принцип суперпозиции может быть использован для предсказания формы взаимодействующих форм сигналов путем простого добавления помех.^[50] Это взаимодействие волн для создания результирующего рисунка обычно называется «интерференцией» и может приводить к различным результатам. Если две волны одинаковой длины волны и частоты в фаза, гребни и впадины волн совпадают. Это приводит к конструктивное вмешательство и увеличение амплитуды волны, что для света связано с осветлением формы волны в этом месте. В качестве альтернативы, если две волны одинаковой длины волны и частоты не совпадают по фазе, гребни волн будут совпадать с впадинами волн и наоборот. Это приводит к деструктивное вмешательство и уменьшение амплитуды волны, что для света связано с затемнением формы волны в этом месте. См. Ниже иллюстрацию этого эффекта.^[50]

комбинированный форма волны
волна 1
волна 2
	Две волны в фазе	Две волны на 180 ° наружу фазы

При разливе масла или топлива из-за интерференции тонких пленок образуются красочные узоры.

Поскольку принцип Гюйгенса-Френеля гласит, что каждая точка волнового фронта связана с созданием нового возмущения, волновой фронт может конструктивно или деструктивно вмешиваться в сам себя в разных местах, создавая яркие и темные полосы в регулярных и предсказуемых образцах.^[50] Интерферометрия наука об измерении этих закономерностей, обычно как средство точного определения расстояний или угловые разрешения.^[51] В Интерферометр Майкельсона был известным инструментом, который использовал эффекты интерференции для точного измерения скорости света.^[52]

Появление тонкие пленки и покрытия напрямую зависит от интерференционных эффектов. Антибликовые покрытия используйте деструктивную интерференцию, чтобы уменьшить отражательную способность покрываемых поверхностей, и можно использовать для минимизации бликов и нежелательных отражений. Самый простой случай - это одинарный слой толщиной в одну четверть длины волны падающего света. В этом случае отраженная волна от верхней части пленки и отраженная волна от границы раздела пленка / материал сдвинуты по фазе ровно на 180 °, вызывая деструктивную интерференцию. Волны не совпадают по фазе только для одной длины волны, которая обычно выбирается так, чтобы она находилась около центра видимого спектра, около 550 нм. Более сложные конструкции, использующие несколько слоев, могут обеспечить низкий коэффициент отражения в широком диапазоне или чрезвычайно низкий коэффициент отражения на одной длине волны.

Конструктивная интерференция в тонких пленках может создавать сильное отражение света в диапазоне длин волн, который может быть узким или широким в зависимости от конструкции покрытия. Эти фильмы используются для создания диэлектрические зеркала, интерференционные фильтры, отражатели тепла, и фильтры для цветоделения в цветной телевизор камеры. Этот эффект интерференции также является причиной появления красочных радужных узоров на нефтяных пятнах.^[50]

Дифракционное и оптическое разрешение

Дифракция на двух щелях, разделенных расстоянием ${displaystyle d}$. Яркие полосы появляются вдоль линий, где черные линии пересекаются с черными линиями, а белые линии пересекаются с белыми линиями. Эти полосы разделены углом ${displaystyle heta}$ и пронумерованы как заказ ${displaystyle n}$.

Дифракция - это процесс, при котором чаще всего наблюдается интерференция света. Эффект был впервые описан в 1665 г. Франческо Мария Гримальди, который также ввел термин из латинского различать, «разбить на части».^[53][54] Позже в том же столетии Роберт Гук и Исаак Ньютон также описали явление, которое теперь известно как дифракция в Кольца Ньютона^[55] пока Джеймс Грегори записал свои наблюдения дифракционных картин от птичьих перьев.^[56]

Первая физическая оптическая модель дифракции, основанная на принципе Гюйгенса – Френеля, была разработана в 1803 году Томасом Янгом в его экспериментах по интерференции с интерференционными картинами двух близко расположенных щелей. Янг показал, что его результаты можно объяснить только в том случае, если две щели действовали как два уникальных источника волн, а не корпускул.^[57] В 1815 и 1818 годах Огюстен-Жан Френель твердо установил математику того, как интерференция волн может объяснять дифракцию.^[44]

В простейших физических моделях дифракции используются уравнения, которые описывают угловое разделение светлых и темных полос из-за света определенной длины волны (λ). В общем случае уравнение принимает вид

${displaystyle mlambda = dsin heta}$

куда ${displaystyle d}$ - расстояние между двумя источниками волнового фронта (в случае экспериментов Юнга это было две щели), ${displaystyle heta}$ угловое расстояние между центральной полосой и ${displaystyle m}$полосой порядка, где центральный максимум равен ${displaystyle m = 0}$.^[58]

Это уравнение немного изменено, чтобы учесть различные ситуации, такие как дифракция через один зазор, дифракция через несколько щелей или дифракция через дифракционная решетка который содержит большое количество прорезей с одинаковым интервалом.^[58] Более сложные модели дифракции требуют работы с математикой Френель или дифракция Фраунгофера.^[59]

дифракция рентгеновских лучей использует тот факт, что атомы в кристалл иметь регулярный интервал на расстоянии порядка одного ангстрем. Чтобы увидеть дифракционные картины, через кристалл пропускают рентгеновские лучи с длинами волн, близкими к этому интервалу. Поскольку кристаллы являются трехмерными объектами, а не двумерными решетками, соответствующая дифракционная картина изменяется в двух направлениях в соответствии с Отражение Брэгга, с соответствующими яркими пятнами, возникающими в уникальные узоры и ${displaystyle d}$ вдвое больше расстояния между атомами.^[58]

Эффекты дифракции ограничивают способность оптического детектора оптически разрешить отдельные источники света. Обычно свет, проходящий через отверстие испытают дифракцию и лучшие изображения, которые могут быть созданы (как описано в дифракционная оптика) выглядят как центральное пятно с окружающими его яркими кольцами, разделенными темными нулями; этот шаблон известен как Воздушный узор, а центральная яркая доля в виде Диск Эйри.^[44] Размер такого диска определяется выражением

${displaystyle sin heta = 1,22 {frac {lambda} {D}}}$

куда θ - угловое разрешение, λ длина волны света, а D это диаметр апертуры объектива. Если угловое разделение двух точек значительно меньше углового радиуса диска Эйри, то две точки не могут быть разрешены на изображении, но если их угловое разделение намного больше, чем это, формируются отдельные изображения двух точек, и они поэтому можно решить. Рэлей определил несколько произвольный "Критерий Рэлея«две точки, угловое разделение которых равно радиусу диска Эйри (измеренному до первого нуля, то есть до первого места, где не виден свет), можно считать разрешенными. Видно, что чем больше диаметр объектив или его апертура, тем выше разрешение.^[58] Интерферометрияс его способностью имитировать чрезвычайно большую апертуру базовой линии, обеспечивает максимально возможное угловое разрешение.^[51]

Для астрономических изображений атмосфера не позволяет достичь оптимального разрешения в видимом спектре из-за атмосферных рассеяние и дисперсия, которая заставляет звезды мерцать. Астрономы называют этот эффект качеством астрономическое видение. Методы, известные как адаптивная оптика были использованы для устранения атмосферных искажений изображений и достижения результатов, приближающихся к дифракционному пределу.^[60]

Дисперсия и рассеяние

Концептуальная анимация рассеивания света через призму. Свет высокой частоты (синий) отклоняется больше всего, а свет низкой частоты (красный) меньше всего.

Процессы преломления происходят в пределе физической оптики, где длина волны света аналогична другим расстояниям, как своего рода рассеяние. Самый простой тип рассеяния - это Томсоновское рассеяние что происходит, когда электромагнитные волны отклоняются отдельными частицами. В пределе томсоновского рассеяния, в котором очевидна волнообразная природа света, свет рассеивается независимо от частоты, в отличие от Комптоновское рассеяние который зависит от частоты и строго квантово-механический процесс, связанный с природой света как частиц. В статистическом смысле упругое рассеяние света множеством частиц, размер которых намного меньше длины волны света, представляет собой процесс, известный как Рэлеевское рассеяние в то время как аналогичный процесс рассеяния на частицах, которые имеют одинаковую или большую длину волны, известен как Рассеяние Ми с Эффект Тиндаля обычно наблюдаемый результат. Небольшая часть рассеяния света атомами или молекулами может подвергаться Рамановское рассеяние, при этом частота изменяется из-за возбуждения атомов и молекул. Рассеяние Бриллюэна возникает, когда частота света меняется из-за локальных изменений со временем и движений плотного материала.^[61]

Дисперсия возникает, когда разные частоты света имеют разные фазовые скорости, из-за свойств материала (материальная дисперсия) или геометрии оптический волновод (волноводная дисперсия). Наиболее известная форма дисперсии - это уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны, которое наблюдается в большинстве прозрачных материалов. Это называется «нормальной дисперсией». Это происходит во всех диэлектрические материалыв диапазонах длин волн, в которых материал не поглощает свет.^[62] В диапазонах длин волн, где среда имеет значительное поглощение, показатель преломления может увеличиваться с увеличением длины волны. Это называется «аномальной дисперсией».^[42][62]

Разделение цветов призмой - пример нормального рассеивания. На поверхности призмы закон Снеллиуса предсказывает, что свет, падающий под углом θ к нормали, будет преломляться под углом arcsin (sin (θ) / п). Таким образом, синий свет с его более высоким показателем преломления изгибается сильнее, чем красный свет, что приводит к хорошо известному радуга шаблон.^[42]

Дисперсия: две синусоиды, распространяющиеся с разными скоростями, образуют движущуюся интерференционную картину. Красная точка перемещается вместе с фазовая скорость, а зеленые точки распространяются вместе с групповая скорость. В этом случае фазовая скорость в два раза больше групповой скорости. Красная точка обгоняет две зеленые точки при движении слева направо от фигуры. Фактически, отдельные волны (которые распространяются с фазовой скоростью) покидают волновой пакет (который движется с групповой скоростью).

Дисперсия материала часто характеризуется Число Аббе, который дает простую меру дисперсии на основе показателя преломления на трех конкретных длинах волн. Волноводная дисперсия зависит от постоянная распространения.^[44] Оба вида дисперсии вызывают изменения в групповых характеристиках волны, характеристиках волнового пакета, которые изменяются с той же частотой, что и амплитуда электромагнитной волны. «Дисперсия групповой скорости» проявляется как расширение сигнальной «огибающей» излучения и может быть количественно определена с помощью параметра задержки групповой дисперсии:

${displaystyle D = {frac {1} {v_ {g} ^ {2}}} {frac {dv_ {g}} {dlambda}}}$

куда ${displaystyle v_ {g}}$ - групповая скорость.^[63] Для однородной среды групповая скорость равна

${displaystyle v_ {g} = cleft (n-lambda {frac {dn} {dlambda}} ight) ^ {- 1}}$

куда п - показатель преломления и c это скорость света в вакууме.^[64] Это дает более простую форму для параметра задержки дисперсии:

${displaystyle D = - {frac {lambda} {c}}, {frac {d ^ {2} n} {dlambda ^ {2}}}.}$

Если D меньше нуля, среда считается имеющей положительная дисперсия или нормальная дисперсия. Если D больше нуля, среда имеет отрицательная дисперсия. Если световой импульс распространяется через нормально диспергирующую среду, в результате более высокочастотные компоненты замедляются сильнее, чем низкочастотные компоненты. Таким образом, пульс становится положительно щебетал, или же щебечет, частота которых увеличивается со временем. Это приводит к тому, что спектр, исходящий от призмы, выглядит так, чтобы красный свет был наименее преломленным, а синий / фиолетовый свет - наиболее преломленным. И наоборот, если импульс проходит через среду с аномальной (отрицательной) дисперсией, высокочастотные компоненты распространяются быстрее, чем нижние, и импульс становится отрицательно щебетал, или же чириканье, частота которых уменьшается со временем.^[65]

Результатом разброса групповой скорости, положительного или отрицательного, в конечном итоге является расширение импульса во времени. Это делает управление дисперсией чрезвычайно важным в системах оптической связи, основанных на оптические волокна, поскольку, если дисперсия слишком высока, группа импульсов, представляющих информацию, будет расширяться во времени и сливаться, что делает невозможным извлечение сигнала.^[63]

Поляризация

Поляризация - это общее свойство волн, которое описывает ориентацию их колебаний. За поперечные волны как и многие электромагнитные волны, он описывает ориентацию колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Колебания могут быть ориентированы в одном направлении (линейная поляризация), либо направление колебаний может вращаться по мере распространения волны (круговой или же эллиптическая поляризация). Волны с круговой поляризацией могут вращаться вправо или влево в направлении движения, и какое из этих двух вращений присутствует в волне, называется волной. хиральность.^[66]

Типичный способ рассмотрения поляризации - отслеживать ориентацию электрического поля. вектор по мере распространения электромагнитной волны. Вектор электрического поля плоской волны можно условно разделить на два перпендикулярных составные части маркированный Икс и у (с z с указанием направления движения). Форма, очерченная в плоскости x-y вектором электрического поля, представляет собой Фигура Лиссажу это описывает состояние поляризации.^[44] На следующих рисунках показаны некоторые примеры эволюции вектора электрического поля (синий) во времени (вертикальные оси) в определенной точке пространства, а также его Икс и у компоненты (красный / левый и зеленый / правый), и путь, прослеживаемый вектором в плоскости (фиолетовый): такая же эволюция будет происходить, если смотреть на электрическое поле в определенный момент времени при эволюции точки в пространстве вдоль направления противоположно размножению.

Линейный

Круговой

Эллиптическая поляризация

На крайнем левом рисунке выше компоненты x и y световой волны синфазны. В этом случае соотношение их сил постоянно, поэтому направление электрического вектора (векторная сумма этих двух компонентов) постоянно. Поскольку кончик вектора очерчивает одну линию на плоскости, этот частный случай называется линейной поляризацией. Направление этой линии зависит от относительных амплитуд двух компонентов.^[66]

На среднем рисунке две ортогональные составляющие имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 90 °. В этом случае один компонент равен нулю, когда другой компонент имеет максимальную или минимальную амплитуду. Есть два возможных фазовых соотношения, которые удовлетворяют этому требованию: Икс компонент может быть на 90 ° впереди у компонента или может быть на 90 ° позади у компонент. В этом частном случае электрический вектор очерчивает круг в плоскости, поэтому такая поляризация называется круговой поляризацией. Направление вращения в круге зависит от того, какое из двух фазовых соотношений существует и соответствует правая круговая поляризация и левая круговая поляризация.^[44]

Во всех других случаях, когда два компонента либо не имеют одинаковых амплитуд и / или их разность фаз не равна нулю и не кратна 90 °, поляризация называется эллиптической поляризацией, потому что электрический вектор отслеживает эллипс в самолете ( эллипс поляризации). Это показано на рисунке выше справа. Подробная математика поляризации выполняется с использованием Исчисление Джонса и характеризуется Параметры Стокса.^[44]

Изменение поляризации

Среды с разными показателями преломления для разных режимов поляризации называются двулучепреломляющий.^[66] Хорошо известные проявления этого эффекта проявляются в оптических волновые пластины/ замедлители (линейные режимы) и в Вращение Фарадея/оптическое вращение (круговые режимы).^[44] Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, плоские волны будут выходить из материала со значительно другим направлением распространения из-за рефракции. Например, так обстоит дело с макроскопическими кристаллами кальцит, которые представляют зрителю два смещенных ортогонально поляризованных изображения всего, что просматривается через них. Именно этот эффект явился первым открытием поляризации. Эразм Бартолинус в 1669. Кроме того, сдвиг фазы и, следовательно, изменение состояния поляризации обычно зависит от частоты, что в сочетании с дихроизм, часто дает яркие цвета и эффекты, похожие на радугу. В минералогия, такие свойства, известные как плеохроизм, часто используются для идентификации минералов с помощью поляризационных микроскопов. Кроме того, многие пластмассы, которые обычно не обладают двойным лучепреломлением, становятся таковыми при воздействии механическое напряжение, явление, лежащее в основе фотоупругость.^[66] Методы без двойного лучепреломления для поворота линейной поляризации световых лучей включают использование призматических вращатели поляризации которые используют полное внутреннее отражение в призме, разработанной для эффективной коллинеарной передачи.^[67]

Поляризатор, изменяющий ориентацию линейно поляризованного света.
В этой картине, θ₁ – θ₀ = θ_я.

Среды, уменьшающие амплитуду определенных мод поляризации, называются дихроичный, с устройствами, которые блокируют почти все излучение в одном режиме, известном как поляризационные фильтры или просто "поляризаторы". Закон Малуса, названный в честь Этьен-Луи Малюс, говорит, что когда идеальный поляризатор помещен в линейно поляризованный луч света, интенсивность я, проходящего света дается

${displaystyle I = I_ {0} cos ^ {2} heta _ {i} quad,}$

куда

я₀ - начальная интенсивность,

и θ_я - угол между начальным направлением поляризации света и осью поляризатора.^[66]

Луч неполяризованного света можно представить как содержащий однородную смесь линейных поляризаций под всеми возможными углами. Поскольку среднее значение ${displaystyle cos ^ {2} heta}$ равен 1/2, коэффициент передачи становится

${displaystyle {frac {I} {I_ {0}}} = {frac {1} {2}} quad}$

На практике часть света теряется в поляризаторе, и фактическое пропускание неполяризованного света будет несколько ниже, чем это, около 38% для поляризаторов типа Polaroid, но значительно выше (> 49,9%) для некоторых типов двулучепреломляющих призм.^[44]

Помимо двойного лучепреломления и дихроизма в протяженных средах, эффекты поляризации могут также возникать на (отражающей) границе между двумя материалами с разным показателем преломления. Эти эффекты лечатся Уравнения Френеля. Часть волны передается, а часть отражается, причем соотношение зависит от угла падения и угла преломления. Таким образом, физическая оптика восстанавливает Угол Брюстера.^[44] Когда свет отражается от тонкая пленка на поверхности интерференция между отражениями от поверхностей пленки может вызвать поляризацию отраженного и проходящего света.

Естественный свет

Эффекты поляризационный фильтр на небе на фотографии. Левый снимок сделан без поляризатора. Для правого изображения фильтр был настроен так, чтобы исключить определенную поляризацию рассеянного синего света неба.

Большинство источников электромагнитного излучения содержат большое количество атомов или молекул, излучающих свет. Ориентация электрических полей, создаваемых этими излучателями, не может быть коррелированный, и в этом случае говорят, что свет неполяризованный. Если есть частичная корреляция между излучателями, свет частично поляризованный. Если поляризация согласована по всему спектру источника, частично поляризованный свет можно описать как суперпозицию полностью неполяризованного компонента и полностью поляризованного. Затем можно описать свет в терминах степень поляризации, и параметры эллипса поляризации.^[44]

Свет, отраженный блестящими прозрачными материалами, частично или полностью поляризован, за исключением случаев, когда свет направлен перпендикулярно поверхности. Именно этот эффект позволил математику Этьен-Луи Малюсу провести измерения, которые позволили ему разработать первые математические модели поляризованного света. Поляризация возникает, когда свет рассеивается в атмосфера. Рассеянный свет обеспечивает яркость и четкость цвета. небеса. Этой частичной поляризацией рассеянного света можно воспользоваться, используя поляризационные фильтры для затемнения неба в фотографии. Оптическая поляризация имеет принципиальное значение в химия из-за круговой дихроизм и оптическое вращение ("круговое двулучепреломление") выставлены оптически активный (хиральный) молекулы.^[44]

Современная оптика

Современная оптика охватывает области оптики и техники, ставшие популярными в 20 веке. Эти области оптики обычно связаны с электромагнитными или квантовыми свойствами света, но включают и другие темы. Основное подразделение современной оптики, квантовая оптика, имеет дело конкретно с квантово-механическими свойствами света. Квантовая оптика не только теоретическая; некоторые современные устройства, такие как лазеры, имеют принципы работы, которые зависят от квантовой механики. Детекторы света, такие как фотоумножители и канетроны, реагировать на отдельные фотоны. Электронный датчики изображения, Такие как ПЗС-матрицы, выставка дробовой шум соответствующие статистике отдельных фотонных событий. Светодиоды и фотоэлектрические элементыТоже нельзя понять без квантовой механики. При изучении этих устройств квантовая оптика часто пересекается с квантовая электроника.^[68]

Специальные области исследования оптики включают изучение того, как свет взаимодействует с конкретными материалами, как в кристальная оптика и метаматериалы. Другие исследования посвящены феноменологии электромагнитных волн, как в особая оптика, оптика без визуализации, нелинейная оптика, статистическая оптика и радиометрия. Кроме того, компьютерные инженеры проявили интерес к интегрированная оптика, машинное зрение, и фотонные вычисления как возможные компоненты компьютеров «следующего поколения».^[69]

Сегодня чистая наука об оптике называется оптической наукой или оптическая физика чтобы отличить его от прикладных оптических наук, которые называются оптическая инженерия. Основные области оптической инженерии включают: светотехника, фотоника, и оптоэлектроника с практическими приложениями, такими как дизайн линзы, изготовление и тестирование оптических компонентов, и обработка изображений. Некоторые из этих областей пересекаются с нечеткими границами между предметными терминами, которые означают немного разные вещи в разных частях мира и в разных областях промышленности. Профессиональное сообщество исследователей в области нелинейной оптики сформировалось за последние несколько десятилетий благодаря достижениям в лазерных технологиях.^[70]

Лазеры

Такие эксперименты, как этот с мощным лазеры являются частью современных оптических исследований.

Лазер - это устройство, которое излучает свет (электромагнитное излучение) посредством процесса, называемого стимулированное излучение. Период, термин лазер является акроним за Усиление света с помощью индуцированного излучения.^[71] Лазерный свет обычно пространственно последовательный, что означает, что свет либо излучается в узком, пучок с низкой расходимостью, или может быть преобразован в единицу с помощью оптических компонентов, таких как линзы. Поскольку микроволновый эквивалент лазера, мазер, были разработаны первые устройства, излучающие микроволновые и радио частоты обычно называют мазеры.^[72]

VLTЗвезда с лазерным наведением.^[73]

Первый рабочий лазер был продемонстрирован 16 мая 1960 г. Теодор Майман в Исследовательские лаборатории Хьюза.^[74] Когда они были впервые изобретены, их называли «решением, ищущим проблему».^[75] С тех пор лазеры стали многомиллиардной отраслью, находящей применение в тысячах самых разнообразных приложений. Первым применением лазеров, видимым в повседневной жизни населения, был супермаркет. штрих-код сканер, представленный в 1974 году.^[76] В лазерный диск Плеер, представленный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом, включающим лазер, но компакт-диск player был первым устройством, оснащенным лазером, которое стало по-настоящему распространенным в домах потребителей, начиная с 1982 года.^[77] Эти оптическое хранилище устройства используют полупроводниковый лазер шириной менее миллиметра для сканирования поверхности диска для поиска данных. Волоконно-оптическая связь полагается на лазеры для передачи больших объемов информации со скоростью света. Другие распространенные применения лазеров включают: лазерные принтеры и лазерные указки. Лазеры используются в медицине в таких областях, как бескровная операция, лазерная хирургия глаза, и лазерная микродиссекция и в военных приложениях, таких как системы противоракетной обороны, электрооптические средства противодействия (EOCM), и лидар. Лазеры также используются в голограммы, пузырьграммы, лазерные световые шоу, и лазерное удаление волос.^[78]

Эффект Капицы – Дирака

В Эффект Капицы – Дирака заставляет лучи частиц дифрагировать в результате встречи со стоячей волной света. Свет можно использовать для позиционирования материи с помощью различных явлений (см. оптический пинцет).

Приложения

Оптика - это часть повседневной жизни. Повсеместное распространение визуальные системы в биологии указывает на центральную роль оптики как науки одного из пять чувств. Многим людям выгодно очки или же контактные линзы, и оптика является неотъемлемой частью функционирования многих потребительских товаров, включая камеры. Радуги и миражи - примеры оптических явлений. Оптическая связь обеспечивает основу как для Интернет и современный телефония.

Человеческий глаз

Модель человеческого глаза. В этой статье упоминаются следующие функции: 1. стекловидное тело 3. ресничная мышца, 6. ученица, 7. передняя камера, 8. роговица, 10. кора хрусталика, 22. Зрительный нерв, 26. ямка, 30. сетчатка

Человеческий глаз функционирует, фокусируя свет на слое фоторецепторные клетки называется сетчаткой, которая образует внутреннюю оболочку задней части глаза. Фокусировка достигается с помощью серии прозрачных материалов. Свет, попадающий в глаз, сначала проходит через роговицу, которая обеспечивает большую часть оптической силы глаза. Затем свет проходит через жидкость сразу за роговицей - передняя камера, затем проходит через ученица. Затем свет проходит через линза, который фокусирует свет дальше и позволяет регулировать фокус. Затем свет проходит через основной объем жидкости в глазу - стекловидное тело, и достигает сетчатки. Клетки сетчатки выстилают заднюю часть глаза, за исключением места выхода зрительного нерва; это приводит к слепая зона.

Есть два типа фоторецепторных клеток, палочки и колбочки, которые чувствительны к различным аспектам света.^[79] Стержневые клетки чувствительны к интенсивности света в широком диапазоне частот, поэтому отвечают за черно-белое зрение. Клетки-палочки не присутствуют в ямке, области сетчатки, ответственной за центральное зрение, и не так чувствительны, как клетки колбочек, к пространственным и временным изменениям света. Однако в сетчатке имеется в двадцать раз больше стержневых клеток, чем колбочек, поскольку стержневые клетки расположены на более широкой площади. Из-за более широкого распространения стержни отвечают за периферийное зрение.^[80]

Колбочки, напротив, менее чувствительны к общей интенсивности света, но бывают трех разновидностей, которые чувствительны к разным частотным диапазонам и, таким образом, используются для восприятия света. цвет и фотопическое зрение. Конусные клетки сильно сконцентрированы в ямке и обладают высокой остротой зрения, что означает, что они имеют лучшее пространственное разрешение, чем палочковые клетки. Поскольку колбочки не так чувствительны к тусклому свету, как стержневые, большинство ночное видение ограничивается стержневыми ячейками. Аналогичным образом, поскольку клетки колбочек находятся в ямке, центральное зрение (включая зрение, необходимое для чтения, работы с мелкими деталями, например шитья или тщательного изучения объектов) осуществляется клетками колбочек.^[80]

Ресничные мышцы вокруг хрусталика позволяют регулировать фокусировку глаза. Этот процесс известен как проживание. В ближайшая точка и дальняя точка определить ближайшее и самое дальнее расстояние от глаза, на котором объект может быть сфокусирован. Для человека с нормальным зрением дальняя точка находится в бесконечности. Расположение ближайшей точки зависит от того, насколько мышцы могут увеличивать кривизну хрусталика, и насколько негибким стал хрусталик с возрастом. Оптометристы, офтальмологи, и оптики Обычно считается, что подходящая ближняя точка находится ближе, чем нормальное расстояние для чтения - примерно 25 см.^[79]

Дефекты зрения можно объяснить с помощью оптических принципов. С возрастом хрусталик становится менее гибким, и ближайшая точка удаляется от глаза - состояние, известное как пресбиопия. Точно так же люди, страдающие от дальнозоркость не могут уменьшить фокусное расстояние своих линз настолько, чтобы на их сетчатке отображались близлежащие объекты. И наоборот, люди, которые не могут увеличить фокусное расстояние своей линзы до такой степени, чтобы на сетчатке отображались удаленные объекты, страдают от миопия и имеют дальнюю точку, которая значительно ближе бесконечности. Состояние, известное как астигматизм возникает, когда роговица не сферическая, а более изогнута в одном направлении. Это приводит к тому, что горизонтально вытянутые объекты фокусируются на разных частях сетчатки, а не на вертикально вытянутых объектах, что приводит к искажению изображений.^[79]

Все эти условия можно исправить с помощью корректирующие линзы. При пресбиопии и дальнозоркости a собирающая линза обеспечивает дополнительную кривизну, необходимую для приближения ближней точки к глазу, в то время как при миопии расходящаяся линза обеспечивает кривизну, необходимую для отправки дальней точки в бесконечность. Астигматизм корректируется цилиндрическая поверхность линза, которая изгибается сильнее в одном направлении, чем в другом, что компенсирует неравномерность роговицы.^[81]

Оптическая сила корректирующих линз измеряется в диоптрии, значение, равное взаимный фокусного расстояния, измеренного в метрах; с положительным фокусным расстоянием, соответствующим собирающей линзе, и отрицательным фокусным расстоянием, соответствующим расходящейся линзе. Для линз, которые также корректируют астигматизм, даются три числа: одно для сферической оптической силы, одно для цилиндрической оптической силы и одно для угла ориентации астигматизма.^[81]

Визуальный эффект

Иллюзия Понцо основана на том факте, что параллельные линии сходятся по мере приближения к бесконечности.

Оптические иллюзии (также называемые визуальными иллюзиями) характеризуются визуально воспринимаемыми изображениями, которые отличаются от объективной реальности. Информация, собранная глазом, обрабатывается в мозгу, чтобы дать восприятие который отличается от отображаемого объекта. Оптические иллюзии могут быть результатом множества явлений, включая физические эффекты, которые создают изображения, отличные от объектов, которые их создают, физиологические эффекты чрезмерной стимуляции на глаза и мозг (например, яркость, наклон, цвет, движение) и когнитивные иллюзии, когда глаз и мозг создают бессознательные выводы.^[82]

Когнитивные иллюзии включают некоторые из них, которые возникают в результате бессознательного неправильного применения определенных оптических принципов. Например, Комната Эймса, Геринг, Мюллер-Лайер, Орбисон, Понцо, шлифовальная машинка, и Иллюзии Вундта все полагаются на предположение о видимости расстояния с помощью сходящихся и расходящихся линий, точно так же, как параллельные световые лучи (или даже любой набор параллельных линий), кажется, сходятся в точка схода на бесконечности в двумерных изображениях с художественной перспективой.^[83] Это предложение также отвечает за известные иллюзия луны где Луна, несмотря на практически одинаковый угловой размер, кажется намного больше вблизи горизонт чем в зенит.^[84] Эта иллюзия так запутана Птолемей что он неправильно приписал это атмосферной рефракции, когда описал это в своем трактате, Оптика.^[8]

Другой тип оптических иллюзий использует нарушенные шаблоны, чтобы обмануть разум, заставляя его воспринимать симметрии или асимметрии, которых нет. Примеры включают стена кафе, Эренштейн, Спираль Фрейзера, Поггендорф, и Zöllner иллюзии. Сходными, но не строго иллюзиями, являются закономерности, возникающие из-за наложения периодических структур. Например, прозрачный ткани с сетчатой ​​структурой создают формы, известные как муаровые узоры, в то время как наложение периодических прозрачных узоров, содержащих параллельные непрозрачные линии или кривые, дает линейный муар узоры.^[85]

Оптические инструменты

Иллюстрации различных оптических инструментов 1728 года Циклопедия

Одиночные линзы имеют множество применений, включая фотографические линзы, корректирующие линзы и лупы, в то время как одиночные зеркала используются в параболических отражателях и зеркала заднего вида. Комбинирование нескольких зеркал, призм и линз позволяет получить составные оптические инструменты, которые имеют практическое применение. Например, перископ представляет собой просто два плоских зеркала, выровненных для обзора препятствий. Самыми известными составными оптическими приборами в науке являются микроскоп и телескоп, которые были изобретены голландцами в конце 16 века.^[86]

Микроскопы впервые были разработаны с двумя линзами: объектив и окуляр. Линза объектива по сути является увеличительным стеклом и была разработана с очень маленьким фокусным расстоянием, в то время как окуляр обычно имеет большее фокусное расстояние. Это дает эффект увеличения изображения близких объектов. Как правило, используется дополнительный источник освещения, поскольку увеличенные изображения тусклые из-за сохранение энергии и распространение световых лучей на большей площади поверхности. Современные микроскопы, известные как составные микроскопы иметь много линз (обычно четыре) для оптимизации функциональности и повышения стабильности изображения.^[86] Немного другая разновидность микроскопа, сравнительный микроскоп, просматривает расположенные рядом изображения для создания стереоскопический бинокль вид, который кажется трехмерным при использовании людьми.^[87]

Первые телескопы, называемые преломляющими телескопами, также были разработаны с одним объективом и линзой окуляра. В отличие от микроскопа, объектив телескопа был разработан с большим фокусным расстоянием, чтобы избежать оптических аберраций. Объектив фокусирует изображение удаленного объекта в своей фокусной точке, которая настраивается так, чтобы находиться в фокусе окуляра с гораздо меньшим фокусным расстоянием. Основная цель телескопа - не обязательно увеличение, а скорее сбор света, который определяется физическим размером линзы объектива. Таким образом, телескопы обычно обозначаются диаметром их объективов, а не увеличением, которое можно изменить, переключая окуляры. Поскольку увеличение телескопа равно фокусному расстоянию объектива, деленному на фокусное расстояние окуляра, окуляры с меньшим фокусным расстоянием вызывают большее увеличение.^[86]

Поскольку создание больших линз намного сложнее, чем создание больших зеркал, большинство современных телескопов отражающие телескопы, то есть телескопы, в которых используется главное зеркало, а не линза объектива. Те же общие оптические соображения применимы к отражающим телескопам, которые применялись к преломляющим телескопам, а именно: чем больше главное зеркало, тем больше света собирается, а увеличение по-прежнему равно фокусному расстоянию главного зеркала, деленному на фокусное расстояние окуляра. . Профессиональные телескопы обычно не имеют окуляров и вместо этого помещают инструмент (часто устройство с зарядовой связью) в точку фокусировки.^[86]

Фотография

Фотография сделана с диафрагмой ж/32

Фотография сделана с диафрагмой ж/5

Оптика фотографии включает в себя как линзы, так и среду, в которой регистрируется электромагнитное излучение, будь то пластина, фильм, или устройство с зарядовой связью. Фотографы должны учитывать взаимность камеры и снимка, который резюмируется соотношением

Экспозиция ∝ Диафрагма Площадь × Время выдержки × Яркость сцены^[88]

Другими словами, чем меньше диафрагма (что дает большую глубину фокуса), тем меньше света попадает, поэтому продолжительность времени должна быть увеличена (что приводит к возможной размытости при движении). Примером использования закона взаимности является Солнечное 16 правило который дает приблизительную оценку настроек, необходимых для оценки правильного контакт при дневном свете.^[89]

Апертура камеры измеряется безразмерным числом, называемым f-число или f-stop, ж/ #, часто обозначается как ${displaystyle N}$, и дано

${displaystyle f / # = N = {frac {f} {D}}}$

куда ${displaystyle f}$ - фокусное расстояние, а ${displaystyle D}$ диаметр входного зрачка. Условно, "ж/ # "рассматривается как один символ, а конкретные значения ж/ # записываются заменой числовой знак со значением. Двумя способами увеличения диафрагмы являются либо уменьшение диаметра входного зрачка, либо изменение фокусного расстояния на большее (в случае зум-объектив, это можно сделать, просто отрегулировав объектив). Чем больше f-число, тем больше глубина резкости из-за того, что объектив приближается к пределу возможностей камеры-обскуры, которая способна идеально фокусировать все изображения, независимо от расстояния, но требует очень большой выдержки.^[90]

Поле зрения, которое будет обеспечивать объектив, зависит от фокусного расстояния объектива. Существует три основных классификации, основанные на соотношении размера диагонали пленки или размера сенсора камеры с фокусным расстоянием объектива:^[91]

• Нормальный объектив: угол обзора около 50 ° (называется нормальный потому что этот угол считается примерно эквивалентным человеческому зрению^[91]) и фокусное расстояние, примерно равное диагонали пленки или сенсора.^[92]
• Широкоугольный объектив: угол обзора шире 60 ° и фокусное расстояние меньше, чем у обычного объектива.^[93]
• Длиннофокусный объектив: угол обзора уже, чем у обычного объектива. Это любой объектив с фокусным расстоянием больше, чем диагональ пленки или сенсора.^[94] Самый распространенный тип длиннофокусных линз - это телеобъектив, дизайн, в котором используется специальный телеобъектив быть физически короче его фокусного расстояния.^[95]

Современные зум-объективы могут иметь некоторые или все эти атрибуты.

Абсолютное значение требуемого времени экспозиции зависит от того, как чувствительный для освещения используемая среда (измеряется скорость пленки, или, для цифровых медиа, квантовая эффективность).^[96] В ранней фотографии использовались материалы с очень низкой светочувствительностью, поэтому время выдержки должно было быть большим даже для очень ярких снимков. По мере совершенствования технологии повышалась и чувствительность пленочных и цифровых фотоаппаратов.^[97]

Другие результаты физической и геометрической оптики применимы к оптике камеры. Например, максимальная разрешающая способность конкретной настройки камеры определяется предел дифракции связан с размером зрачка и определяется, грубо говоря, критерием Рэлея.^[98]

Оптика атмосферы

Красочное небо часто возникает из-за рассеивания света частицами и загрязнениями, как на этой фотографии заката во время Октябрь 2007 г. Пожары в Калифорнии.

Уникальные оптические свойства атмосферы вызывают широкий спектр впечатляющих оптических явлений. Синий цвет неба является прямым результатом рэлеевского рассеяния, которое перенаправляет солнечный свет более высокой частоты (синий) обратно в поле зрения наблюдателя. Поскольку синий свет рассеивается легче, чем красный свет, солнце приобретает красноватый оттенок, когда его наблюдают через плотную атмосферу, как во время Восход солнца или же закат солнца. Дополнительные твердые частицы в небе могут рассеивать разные цвета под разными углами, создавая яркое сияющее небо в сумерках и на рассвете. Рассеяние кристаллов льда и других частиц в атмосфере несет ответственность за нимбы, послесвечение, короны, лучи солнечного света, и Солнечные собаки. Различия в явлениях такого рода обусловлены разным размером и геометрией частиц.^[99]

Миражи - это оптические явления, при которых световые лучи изгибаются из-за тепловых изменений показателя преломления воздуха, создавая смещенные или сильно искаженные изображения далеких объектов. Другие драматические оптические явления, связанные с этим, включают Эффект Новой Земли где солнце, кажется, встает раньше, чем предсказывалось, с искаженной формой. Эффектная форма преломления возникает при температурная инверсия называется фата-моргана где объекты на горизонте или даже за горизонтом, такие как острова, скалы, корабли или айсберги, выглядят вытянутыми и приподнятыми, как «сказочные замки».^[100]

Радуга - это результат комбинации внутреннего отражения и дисперсионного преломления света в каплях дождя. Единственное отражение от спины множества капель дождя создает на небе радугу с угловым размером от 40 ° до 42 ° с красным цветом снаружи. Двойная радуга образуется двумя внутренними отражениями с угловым размером от 50,5 ° до 54 ° с фиолетовым снаружи. Поскольку радуга видна, когда солнце находится на 180 ° от центра радуги, радуга тем заметнее, чем ближе солнце к горизонту.^[66]

Смотрите также

• Ионная оптика
• Важные публикации по оптике
• Список оптических тем

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Родился, Макс; Вольф, Эмиль (2002). Принципы оптики. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-64340-5.
• Гехт, Евгений (2002). Оптика (4-е изд.). Эддисон-Уэсли Лонгман, инкорпорейтед. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A .; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6, иллюстрированное изд.). Бельмонт, Калифорния: Томсон-Брукс / Коул. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Типлер, Пол А .; Моска, Джин (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика. 2. W.H. Фримен. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Липсон, Стивен Дж .; Липсон, Генри; Тангейзер, Дэвид Стефан (1995). Оптическая физика. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-43631-1.
• Фаулз, Грант Р. (1975). Введение в современную оптику. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-65957-2.

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме Оптика.

Соответствующие обсуждения

• Оптика на В наше время на BBC

Учебники и учебные пособия

• Свет и материя - учебник с открытым исходным кодом, содержащий описание оптики в гл. 28-32
• Оптика2001 - Библиотека оптики и сообщество
• Фундаментальная оптика - Техническое руководство Melles Griot
• Физика света и оптика – Университет Бригама Янга Книга бакалавриата
• Оптика для PV - пошаговое введение в классическую оптику

Модули Викиучебника

дальнейшее чтение

• Оптика и фотоника: физика, улучшающая нашу жизнь к Публикации Института Физики

Общества