Оптика -Optics

Исследователь, работающий над оптической системой

Оптика — это раздел физики , изучающий поведение и свойства света , в том числе его взаимодействие с веществом и создание приборов , которые его используют или обнаруживают . Оптика обычно описывает поведение видимого , ультрафиолетового и инфракрасного света. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну , другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи , микроволны и радиоволны , обладают сходными свойствами.

Большинство оптических явлений можно объяснить с помощью классического электромагнитного описания света, однако полное электромагнитное описание света часто трудно применить на практике. Практическая оптика обычно делается с использованием упрощенных моделей. Наиболее распространенная из них, геометрическая оптика , рассматривает свет как совокупность лучей , которые движутся по прямым линиям и преломляются, проходя сквозь поверхности или отражаясь от них. Физическая оптика — это более полная модель света, включающая такие волновые эффекты, как дифракция и интерференция , которые не могут быть учтены в геометрической оптике. Исторически сложилось так, что сначала была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в электромагнитной теории в 19 веке привел к открытию того, что световые волны на самом деле являются электромагнитным излучением.

Некоторые явления зависят от света, обладающего как волновыми, так и корпускулярными свойствами . Объяснение этих эффектов требует квантовой механики . При рассмотрении свойств света, подобных частицам, свет моделируется как совокупность частиц, называемых « фотонами ». Квантовая оптика занимается применением квантовой механики к оптическим системам.

Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включая астрономию , различные инженерные области, фотографию и медицину (в частности, офтальмологию и оптометрию , в которой она называется физиологической оптикой). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и предметах повседневного обихода, включая зеркала , линзы , телескопы , микроскопы , лазеры и волоконную оптику .

История

Линза Нимруда

Оптика началась с разработки линз древними египтянами и месопотамцами . Самые ранние известные линзы, сделанные из полированного хрусталя, часто кварца , датируются 2000 г. до н.э. с Крита (Археологический музей Гераклиона, Греция). Линзы с Родоса датируются примерно 700 г. до н.э., как и ассирийские линзы, такие как линза Нимруда . Древние римляне и греки наполняли стеклянные сферы водой, чтобы делать линзы. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения древнегреческими и индийскими философами , а также развитие геометрической оптики в греко-римском мире . Слово оптика происходит от древнегреческого слова ὀπτική ( optikē ), означающего «внешний вид, взгляд».

Греческая философия оптики распалась на две противоположные теории о том, как работает зрение: теорию интромиссии и теорию излучения . Подход с интромиссией рассматривал видение как исходящее от объектов, отбрасывающих копии самих себя (называемые эйдолами), которые были захвачены глазом. У многих пропагандистов, включая Демокрита , Эпикура , Аристотеля и их последователей, эта теория, по-видимому, имеет некоторый контакт с современными теориями того, чем на самом деле является зрение, но она оставалась только спекуляцией, лишенной какой-либо экспериментальной основы.

Платон впервые сформулировал теорию излучения, идею о том, что зрительное восприятие осуществляется лучами, испускаемыми глазами. Он также прокомментировал изменение четности зеркал в Тимее . Несколько сотен лет спустя Евклид (4-3 века до н.э.) написал трактат под названием «Оптика» , в котором связал зрение с геометрией , создав геометрическую оптику . Он основал свою работу на теории излучения Платона, в которой он описал математические правила перспективы и качественно описал эффекты преломления , хотя и сомневался, что луч света из глаза может мгновенно освещать звезды каждый раз, когда кто-то моргает. Евклид сформулировал принцип кратчайшей траектории света и рассмотрел многократные отражения от плоских и сферических зеркал. Птолемей в своем трактате «Оптика» придерживался экстрамиссионно-интромиссионной теории зрения: лучи (или потоки) из глаза образуют конус, вершина которого находится внутри глаза, а основание определяет поле зрения. Лучи были чувствительны и передавали интеллекту наблюдателя информацию о расстоянии и ориентации поверхностей. Он резюмировал большую часть Евклида и продолжил описание способа измерения угла преломления , хотя и не заметил эмпирической связи между ним и углом падения. Плутарх (1-2 века нашей эры) описал многократные отражения от сферических зеркал и обсудил создание увеличенных и уменьшенных изображений, как реальных, так и мнимых, включая случай хиральности изображений .

В средние века греческие представления об оптике были возрождены и развиты писателями мусульманского мира . 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 могла лучше количественно определять оптические явления. В 984 году персидский математик Ибн Сахл написал трактат «О горящих зеркалах и линзах», правильно описав закон преломления, эквивалентный закону Снеллиуса. Он использовал этот закон для вычисления оптимальных форм линз и изогнутых зеркал . В начале 11 века Альхазен (Ибн аль-Хайсам) написал Книгу оптики ( Китаб аль-маназир ), в которой исследовал отражение и преломление и предложил новую систему объяснения зрения и света, основанную на наблюдениях и экспериментах. Он отверг «эмиссионную теорию» птолемеевской оптики с испусканием ее лучей глазом, а вместо этого выдвинул идею о том, что свет отражается во всех направлениях по прямым линиям от всех точек рассматриваемых предметов и затем попадает в глаз, хотя он не смог правильно объяснить, как глаз улавливает лучи. Работу Альхазена в значительной степени игнорировали в арабском мире, но она была анонимно переведена на латынь около 1200 г. н.э., а затем обобщена и дополнена польским монахом Витело , что сделало ее стандартным текстом по оптике в Европе на следующие 400 лет.

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 космогония света, этиология или физика света и теология света, опираясь на труды 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, Авиценны , Аверроэса , Евклида, аль-Кинди, Птолемея, Тидея и Константина Африканского . Бэкон смог использовать части стеклянных сфер в качестве увеличительных стекол , чтобы продемонстрировать, что свет отражается от объектов, а не испускается ими.

Первые носимые очки были изобретены в Италии примерно в 1286 году. Это было началом оптической промышленности по шлифовке и полировке линз для этих «очков», сначала в Венеции и Флоренции в тринадцатом веке, а затем в центрах изготовления очков в обоих городах. Нидерланды и Германия. Производители очков создали усовершенствованные типы линз для коррекции зрения, основываясь больше на эмпирических знаниях, полученных в результате наблюдения за эффектами линз, а не на использовании рудиментарной оптической теории того времени (теории, которая по большей части не могла даже адекватно объяснить, как работают очки). ). Это практическое развитие, мастерство и эксперименты с линзами привели непосредственно к изобретению составного оптического микроскопа около 1595 года и телескопа-рефрактора в 1608 году, оба из которых появились в центрах изготовления очков в Нидерландах.

Первый трактат об оптике Иоганна Кеплера , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604 г.)
Обложка первого издания Newton's Opticks (1704 г.)
Доска с оптическими приборами, 1728 г. Циклопедия

В начале 17 века Иоганн Кеплер расширил геометрическую оптику в своих трудах, охватив линзы, отражение в плоских и изогнутых зеркалах, принципы работы камер-обскуры , закон обратных квадратов, управляющий интенсивностью света, и оптические объяснения таких астрономических явлений, как как лунные и солнечные затмения и астрономический параллакс . Он также смог правильно определить роль сетчатки как фактического органа, записывающего изображения, и, наконец, смог с научной точки зрения количественно оценить эффекты различных типов линз, которые производители очков наблюдали в течение предыдущих 300 лет. После изобретения телескопа Кеплер изложил теоретическую основу того, как они работали, и описал улучшенную версию, известную как кеплеровский телескоп , с использованием двух выпуклых линз для получения большего увеличения.

Оптическая теория развивалась в середине 17 века благодаря трактатам , написанным философом Рене Декартом , которые объясняли множество оптических явлений, включая отражение и преломление, предполагая, что свет излучается объектами, которые его производят. Это существенно отличалось от древнегреческой эмиссионной теории. В конце 1660-х и начале 1670-х годов Исаак Ньютон расширил идеи Декарта до корпускулярной теории света , классно определив, что белый свет представляет собой смесь цветов, которые можно разделить на составные части с помощью призмы . В 1690 году Христиан Гюйгенс предложил волновую теорию света, основанную на предположениях, сделанных Робертом Гуком в 1664 году. Сам Гук публично критиковал теории света Ньютона, и вражда между ними продолжалась до самой смерти Гука. В 1704 году Ньютон опубликовал «Оптику» , и в то время, отчасти из-за его успехов в других областях физики, его обычно считали победителем в споре о природе света.

Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда Томас Юнг и Огюстен-Жан Френель провели эксперименты по интерференции света, которые твердо установили волновую природу света. Знаменитый эксперимент Юнга с двумя щелями показал, что свет подчиняется принципу суперпозиции , волнообразному свойству, не предсказанному корпускулярной теорией Ньютона. Эта работа привела к теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике. Волновая оптика была успешно объединена с электромагнитной теорией Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах.

Следующее развитие оптической теории произошло в 1899 году, когда Макс Планк правильно смоделировал излучение черного тела , предположив, что обмен энергией между светом и веществом происходит только в дискретных количествах, которые он назвал квантами . В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрического эффекта , которая твердо установила квантование самого света. В 1913 году Нильс Бор показал, что атомы могут излучать только дискретное количество энергии, что объяснило дискретные линии, наблюдаемые в спектрах излучения и поглощения . Понимание взаимодействия света и вещества, последовавшее в результате этих разработок, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Окончательная кульминация, теория квантовой электродинамики , объясняет все оптические и электромагнитные процессы в целом как результат обмена реальными и виртуальными фотонами. Квантовая оптика приобрела практическое значение с изобретением мазера в 1953 году и лазера в 1960 году.

После работы Поля Дирака в области квантовой теории поля Джордж Сударшан , Рой Дж. Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более детальное представление о фотодетектировании и статистике света .

Классическая оптика

Классическая оптика делится на две основные ветви: геометрическую (или лучевую) оптику и физическую (или волновую) оптику. В геометрической оптике считается, что свет распространяется прямолинейно, а в физической оптике свет рассматривается как электромагнитная волна.

Геометрическую оптику можно рассматривать как аппроксимацию физической оптики, которая 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 лучевая оптика , описывает распространение света с точки зрения «лучей», которые движутся по прямым линиям и пути которых регулируются законами отражения и преломления на границах между различными средами. Эти законы были обнаружены эмпирическим путем еще в 984 году нашей эры и использовались при разработке оптических компонентов и приборов с тех пор и до наших дней. 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 падения, деленный на синус угла преломления, есть константа:
,

где n — константа для любых двух материалов и данного цвета света. Если первый материал — воздух или вакуум, nпоказатель преломления второго материала.

Законы отражения и преломления можно вывести из принципа Ферма, который гласит, что путь, пройденный лучом света между двумя точками, — это путь, который можно пройти за наименьшее время.

приближения

Геометрическую оптику часто упрощают, делая параксиальное приближение или «приближение малого угла». Затем математическое поведение становится линейным, что позволяет описывать оптические компоненты и системы с помощью простых матриц. Это приводит к методам гауссовой оптики и параксиальной трассировки лучей , которые используются для определения основных свойств оптических систем, таких как приблизительное положение изображения и объекта и увеличение .

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 можно связать с реальным ( реальным ) или экстраполированным ( виртуальным ) положением в пространстве. Диффузное отражение описывает неглянцевые материалы, такие как бумага или камень. Отражения от этих поверхностей можно описать только статистически, при этом точное распределение отраженного света зависит от микроскопической структуры материала. Многие диффузные отражатели описываются или могут быть аппроксимированы законом косинуса Ламберта , который описывает поверхности, имеющие одинаковую яркость при взгляде под любым углом. Глянцевые поверхности могут давать как зеркальное, так и рассеянное отражение.

При зеркальном отражении направление отраженного луча определяется углом, который падающий луч составляет с нормалью к поверхности , линией, перпендикулярной поверхности в точке, куда попадает луч. Падающий и отраженный лучи и нормаль лежат в одной плоскости, а угол между отраженным лучом и нормалью к поверхности такой же, как между падающим лучом и нормалью. Это известно как Закон Отражения .

Для плоских зеркал закон отражения подразумевает, что изображения объектов расположены вертикально и на том же расстоянии за зеркалом, что и объекты перед зеркалом. Размер изображения такой же, как размер объекта. Закон также подразумевает, что зеркальные изображения инвертированы по четности, что мы воспринимаем как инверсию влево-вправо. Изображения, сформированные в результате отражения в двух (или любом четном числе) зеркал, не инвертируются по четности. Угловые отражатели производят отраженные лучи, которые возвращаются в направлении, откуда пришли падающие лучи. Это называется ретроотражением .

Зеркала с криволинейными поверхностями можно моделировать с помощью трассировки лучей и использования закона отражения в каждой точке поверхности. Для зеркал с параболическими поверхностями параллельные лучи, падающие на зеркало, дают отраженные лучи, сходящиеся в общем фокусе . Другие изогнутые поверхности также могут фокусировать свет, но с аберрациями из-за расходящейся формы, из-за чего фокус размывается в пространстве. В частности, сферические зеркала имеют сферическую аберрацию . Изогнутые зеркала могут формировать изображения с увеличением больше или меньше единицы, причем увеличение может быть отрицательным, указывая на перевернутое изображение. Прямое изображение, образованное отражением в зеркале, всегда виртуально, а перевернутое изображение реально и может быть спроецировано на экран.

Преломления

Иллюстрация закона Снелла для случая n 1 < n 2 , такого как граница раздела воздух/вода.

Преломление происходит, когда свет проходит через область пространства с изменяющимся показателем преломления; этот принцип позволяет использовать линзы и фокусировать свет. Простейший случай преломления возникает, когда есть граница раздела между однородной средой с показателем преломления и другой средой с показателем преломления . В таких ситуациях закон Снелла описывает результирующее отклонение светового луча:

где и – углы между нормалью (к границе раздела) и падающей и преломленной волнами соответственно.

Показатель преломления среды связан со скоростью v света в этой среде соотношением

,

где с - скорость света в вакууме .

Закон Снеллиуса можно использовать для предсказания отклонения световых лучей при их прохождении через линейную среду, если известны показатели преломления и геометрия среды. Например, распространение света через призму приводит к отклонению светового луча в зависимости от формы и ориентации призмы. В большинстве материалов показатель преломления зависит от частоты света. Принимая это во внимание, закон Снелла можно использовать для предсказания того, как призма будет рассеивать свет в спектр. Открытие этого явления при прохождении света через призму, как известно, приписывается Исааку Ньютону.

Некоторые среды имеют показатель преломления, который постепенно меняется в зависимости от положения, и поэтому световые лучи в среде искривляются. Этот эффект отвечает за миражи , наблюдаемые в жаркие дни: изменение показателя преломления воздуха с высотой приводит к тому, что световые лучи искривляются, создавая вдали появление зеркальных отражений (как будто на поверхности бассейна с водой). Оптические материалы с различными показателями преломления называются материалами с градиентным показателем преломления (GRIN). Такие материалы используются для изготовления оптики с градиентным показателем преломления .

Для световых лучей, идущих от материала с высоким показателем преломления к материалу с низким показателем преломления, закон Снеллиуса предсказывает, что нет больших значений . В этом случае передачи не происходит; весь свет отражается. Это явление называется полным внутренним отражением и позволяет использовать волоконно-оптические технологии. Когда свет распространяется по оптическому волокну, он подвергается полному внутреннему отражению, что практически исключает потерю света по всей длине кабеля.

Линзы
Схема трассировки лучей для собирающей линзы

Устройство, которое создает сходящиеся или расходящиеся световые лучи за счет преломления, известно как линза . Линзы характеризуются их фокусным расстоянием : собирающая линза имеет положительное фокусное расстояние, а рассеивающая линза имеет отрицательное фокусное расстояние. Меньшее фокусное расстояние указывает на то, что линза обладает более сильным собирающим или рассеивающим эффектом. Фокусное расстояние простой линзы в воздухе определяется формулой производителя линз .

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

,

где — расстояние от предмета до линзы, — расстояние от линзы до изображения, — фокусное расстояние линзы. В используемом здесь соглашении о знаках расстояния между объектом и изображением положительны, если объект и изображение находятся на противоположных сторонах линзы.

Lens1.svg

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

В рассеивающих линзах падающие параллельные лучи после прохождения через линзу расходятся таким образом, что кажется, будто они исходят из точки, расположенной на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы. Это передний фокус 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 линзе, тем ближе к линзе мнимое изображение. Как и в зеркалах, прямое изображение, создаваемое одной линзой, является виртуальным, а перевернутое — реальным.

Объективы страдают от аберраций , которые искажают изображение. Монохроматические аберрации возникают из-за того, что геометрия линзы не позволяет идеально направлять лучи от каждой точки объекта в одну точку на изображении, а хроматическая аберрация возникает из-за того, что показатель преломления линзы зависит от длины волны света.

  Красным цветом показаны изображения черных букв в тонкой выпуклой линзе с фокусным расстоянием f . Выбранные лучи обозначены буквами E , I и K синим, зеленым и оранжевым цветом соответственно. Обратите внимание, что E (при 2 f ) имеет реальное и перевернутое изображение одинакового размера; If ) имеет свой образ в бесконечности; а К (при f /2) имеет двойное, мнимое и прямое 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. Скорость световых волн в воздухе составляет приблизительно 3,0×10 8  м/с (ровно 299 792 458 м/с в вакууме ). Длина волн 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 «волнится» в какой среде. До середины 19 века большинство физиков верили в «эфирную» среду, в которой распространяется световое возмущение. Существование электромагнитных волн было предсказано в 1865 году уравнениями Максвелла . Эти волны распространяются со скоростью света и имеют переменные электрические и магнитные поля, которые ортогональны друг другу, а также направлению распространения волн. Световые волны теперь обычно рассматриваются как электромагнитные волны, за исключением случаев, когда необходимо учитывать квантово-механические эффекты .

Моделирование и проектирование оптических систем с использованием физической оптики

Для анализа и проектирования оптических систем доступно множество упрощенных приближений. В большинстве из них для представления электрического поля световой волны используется одна скалярная величина, а не векторная модель с ортогональными электрическими и магнитными векторами. Уравнение Гюйгенса -Френеля является одной из таких моделей. Это было получено эмпирически Френелем в 1815 году на основе гипотезы Гюйгенса о том, что каждая точка на волновом фронте генерирует вторичный сферический волновой фронт, который Френель объединил с принципом суперпозиции волн . Уравнение дифракции Кирхгофа , полученное с использованием уравнений Максвелла, ставит уравнение Гюйгенса-Френеля на более прочную физическую основу. Примеры применения принципа Гюйгенса-Френеля можно найти в статьях о дифракции и дифракции Фраунгофера .

Более строгие модели, включающие моделирование как электрических, так и магнитных полей световой волны, необходимы 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.

Методы численного моделирования , такие как метод конечных элементов , метод граничных элементов и матричный метод линий передачи, могут использоваться для моделирования распространения света в системах, которые не могут быть решены аналитически. Такие модели требовательны к вычислительным ресурсам и обычно используются только для решения небольших задач, требующих точности, превышающей ту, которая может быть достигнута с помощью аналитических решений.

Все результаты геометрической оптики могут быть восстановлены с использованием методов оптики Фурье , в которых применяются многие из тех же математических и аналитических методов, которые используются в акустической инженерии и обработке 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 гауссового луча устраняет разрыв между геометрической и физической оптикой.

Суперпозиция и интерференция

В отсутствие нелинейных эффектов можно использовать принцип суперпозиции для предсказания формы взаимодействующих сигналов путем простого добавления возмущений. Это взаимодействие волн для создания результирующего узора обычно называется «интерференцией» и может привести к различным результатам. Если две волны с одинаковой длиной волны и частотой совпадают по фазе , то гребни и впадины волн совпадают. Это приводит к конструктивной интерференции и увеличению амплитуды волны, что для света связано с осветлением формы волны в этом месте. В качестве альтернативы, если две волны с одинаковой длиной волны и частотой не совпадают по фазе, то гребни волн будут совпадать с впадинами волн и наоборот. Это приводит к деструктивной интерференции и уменьшению амплитуды волны, что для света связано с затемнением формы волны в этом месте. См. ниже иллюстрацию этого эффекта.

комбинированный
сигнал
Интерференция двух волн.svg
волна 1
волна 2
Две волны в фазе Две волны сдвинуты
по фазе на 180°
При разливе масла или топлива за счет тонкопленочной интерференции образуются разноцветные узоры.

Поскольку принцип Гюйгенса-Френеля утверждает, что каждая точка волнового фронта связана с созданием нового возмущения, волновой фронт может конструктивно или деструктивно интерферировать сам с собой в разных местах, создавая яркие и темные полосы в регулярных и предсказуемых узорах. Интерферометрия — это наука об измерении этих закономерностей, обычно как средства точного определения расстояний или угловых разрешений . Интерферометр Майкельсона был известным прибором, который использовал эффекты интерференции для точного измерения скорости света.

На внешний вид тонких пленок и покрытий прямое влияние оказывают интерференционные эффекты. Антибликовые покрытия используют деструктивную интерференцию для снижения отражательной способности поверхностей, которые они покрывают, и могут использоваться для минимизации бликов и нежелательных отражений. Самый простой случай — это одиночный слой толщиной в четверть длины волны падающего света. Волна, отраженная от верхней части пленки, и волна, отраженная от границы раздела пленка/материал, сдвинуты по фазе точно на 180°, вызывая деструктивную интерференцию. Волны точно не совпадают по фазе только для одной длины волны, которая обычно выбирается близко к центру видимого спектра, около 550 нм. Более сложные конструкции с использованием нескольких слоев могут обеспечить низкую отражательную способность в широком диапазоне частот или чрезвычайно низкую отражательную способность 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. Из этих пленок изготавливают диэлектрические зеркала , интерференционные фильтры , теплоотражатели , фильтры для цветоделения в цветных телевизионных камерах. Этот интерференционный эффект также является причиной красочных радужных узоров, наблюдаемых в нефтяных пятнах.

Дифракционное и оптическое разрешение

Дифракция на двух щелях, разделенных расстоянием . Яркие полосы возникают вдоль линий, где черные линии пересекаются с черными линиями, а белые линии пересекаются с белыми линиями. Эти полосы разделены углом и нумеруются по порядку .

Дифракция — это процесс, при котором чаще всего наблюдается интерференция света. Эффект был впервые описан в 1665 году Франческо Мария Гримальди , который также придумал термин от латинского diffringere , «разбиваться на куски». Позже в том же столетии Роберт Гук и Исаак Ньютон также описали явления, которые теперь известны как дифракция в кольцах Ньютона , а Джеймс Грегори записал свои наблюдения дифракционных картин от птичьих перьев.

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

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

где – расстояние между двумя источниками волнового фронта (в случае экспериментов Юнга это были две щели ), – угловое расстояние между центральной полосой и полосой 1-го порядка, где центральный максимум равен .

Это уравнение немного изменено, чтобы учесть различные ситуации, такие как дифракция через одиночный зазор, дифракция через несколько щелей или дифракция через дифракционную решетку, содержащую большое количество щелей на одинаковом расстоянии друг от друга. Более сложные модели дифракции требуют работы с математикой дифракции Френеля или Фраунгофера.

Рентгеновская дифракция использует тот факт, что атомы в кристалле имеют регулярное расстояние между атомами на расстоянии порядка одного ангстрема . Чтобы увидеть дифракционные картины, через кристалл пропускают рентгеновские лучи с длинами волн, близкими к этому интервалу. Поскольку кристаллы представляют собой трехмерные объекты, а не двумерные решетки, связанная с ними дифракционная картина изменяется в двух направлениях в соответствии с брэгговским отражением , при этом связанные яркие пятна появляются в уникальных узорах и в два раза больше расстояния между атомами.

Эффекты дифракции ограничивают способность оптического детектора оптически разрешать отдельные источники света. Как правило, свет, проходящий через апертуру , будет претерпевать дифракцию, и наилучшие изображения, которые можно создать (как описано в оптике с ограничением дифракции ), выглядят как центральное пятно с окружающими его яркими кольцами, разделенными темными нулями; этот паттерн известен как паттерн Эйри , а центральный яркий лепесток — как диск Эйри . Размер такого диска определяется выражением

где θ — угловое разрешение, λ — длина волны света, а Dдиаметр апертуры объектива. Если угловое расстояние между двумя точками значительно меньше углового радиуса диска Эйри, то две точки не могут быть разрешены на изображении, но если их угловое расстояние намного больше этого, формируются четкие изображения двух точек, и они поэтому можно решить. Рэлей определил несколько произвольный « критерий Рэлея », согласно которому две точки, угловое расстояние 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 объектива или его апертура, тем выше разрешение. Интерферометрия с ее способностью имитировать чрезвычайно большие базовые апертуры обеспечивает максимально возможное угловое разрешение.

Для астрономических изображений атмосфера препятствует достижению оптимального разрешения в видимом спектре из-за атмосферного рассеяния и дисперсии, которые вызывают мерцание звезд . Астрономы называют этот эффект качеством астрономического зрения . Методы, известные как адаптивная оптика, использовались для устранения атмосферных искажений изображений и достижения результатов, приближающихся к дифракционному пределу.

Дисперсия и рассеяние

Концептуальная анимация рассеивания света через призму. Высокочастотный (синий) свет отклоняется больше всего, а низкочастотный (красный) меньше всего.

Процессы преломления происходят в пределе физической оптики, где длина волны света аналогична другим расстояниям, как своего рода рассеяние. Простейшим типом рассеяния является томсоновское рассеяние , которое возникает, когда электромагнитные волны отклоняются отдельными частицами. В пределе томсоновского рассеяния, при котором волнообразная природа света очевидна, свет рассеивается независимо от частоты, в отличие от комптоновского рассеяния , которое зависит от частоты и является строго квантово-механическим процессом, включающим природу света как частицы. В статистическом смысле упругое рассеяние света многочисленными частицами, намного меньшими, чем длина волны света, представляет собой процесс, известный как рэлеевское рассеяние, в то время как аналогичный процесс рассеяния частицами с такой же или большей длиной волны известен как рассеяние Ми с Тиндалем . эффект является обычно наблюдаемым результатом. Небольшая часть света, рассеянного атомами или молекулами, может подвергаться рамановскому рассеянию , при котором частота изменяется из-за возбуждения атомов и молекул. Бриллюэновское рассеяние возникает при изменении частоты света из-за локальных изменений во времени и движений плотного материала.

Дисперсия возникает, когда разные частоты света имеют разные фазовые скорости из-за свойств материала ( дисперсия материала ) или геометрии оптического волновода ( дисперсия волновода ). Наиболее известная форма дисперсии — уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны, наблюдаемое в большинстве прозрачных материалов. Это называется «нормальной дисперсией». Это происходит во всех диэлектрических материалах в диапазонах длин волн, где материал не поглощает свет. В диапазонах длин волн, где среда имеет значительное поглощение, показатель преломления может увеличиваться с увеличением длины волны. Это называется «аномальная дисперсия».

Разделение цветов призмой является примером нормальной дисперсии. На поверхности призмы закон Снелла предсказывает, что свет, падающий под углом θ к нормали, будет преломляться под углом arcsin(sin(θ)/ n ). Таким образом, синий свет с его более высоким показателем преломления преломляется сильнее, чем красный свет, что приводит к хорошо известному рисунку радуги .

Дисперсия: две синусоиды, распространяющиеся с разной скоростью, образуют движущуюся интерференционную картину. Красная точка движется с фазовой скоростью , а зеленые точки распространяются с групповой скоростью . В этом случае фазовая скорость в два раза больше групповой скорости. Красная точка догоняет две зеленые точки при движении слева направо от фигуры. По сути, отдельные волны (которые распространяются с фазовой скоростью) выходят из волнового пакета (который распространяется с групповой скоростью).

Дисперсия материала часто характеризуется числом Аббе , которое дает простую меру дисперсии, основанную на показателе преломления на трех конкретных длинах волн. Дисперсия волновода зависит от постоянной распространения . Оба вида дисперсии вызывают изменения групповых характеристик волны, особенностей волнового пакета, изменяющихся с той же частотой, что и амплитуда электромагнитной волны. «Дисперсия групповой скорости» проявляется как расширение «огибающей» сигнала излучения и может быть количественно определена с помощью параметра задержки групповой дисперсии:

где групповая скорость. Для однородной среды групповая скорость равна

где n — показатель преломления, а c — скорость света в вакууме. Это дает более простую форму для параметра задержки дисперсии:

Если D меньше нуля, говорят, что среда имеет положительную дисперсию или нормальную дисперсию. Если D больше нуля, среда имеет отрицательную дисперсию . Если световой импульс распространяется через среду с нормальной дисперсией, в результате компоненты с более высокой частотой замедляются больше, чем компоненты с более низкой частотой. Таким образом, импульс становится положительно чирпированным или чирпированным вверх , частота которого увеличивается со временем. Это приводит к тому, что спектр, выходящий из призмы, выглядит так, что красный свет преломляется меньше всего, а синий/фиолетовый свет преломляется больше всего. И наоборот, если импульс проходит через среду с аномальной (отрицательной) дисперсией, высокочастотные компоненты распространяются быстрее, чем низкочастотные, и импульс становится отрицательно чирпированным или даунчирпированным , частота которого уменьшается со временем.

Результатом дисперсии групповой скорости, будь то отрицательной или положительной, в конечном счете является временное расширение импульса. Это делает управление дисперсией чрезвычайно важным в системах оптической связи на основе оптических волокон , поскольку, если дисперсия слишком велика, каждая группа импульсов, представляющих информацию, будет распространяться во времени и сливаться, делая невозможным выделение сигнала.

Поляризация

Поляризация — это общее свойство волн, которое описывает ориентацию их колебаний. Для поперечных волн, таких как многие электромагнитные волны, он описывает ориентацию колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Колебания могут быть ориентированы в одном направлении ( линейная поляризация ) или направление колебаний может меняться по мере распространения волны ( круговая или эллиптическая поляризация ). Волны с круговой поляризацией могут вращаться вправо или влево в направлении движения, и какое из этих двух вращений присутствует в волне, называется хиральностью волны .

Типичный способ рассмотрения поляризации состоит в том, чтобы отслеживать ориентацию вектора электрического поля по мере распространения электромагнитной волны. Вектор электрического поля плоской волны можно условно разделить на две перпендикулярные составляющие, обозначенные x и y (где z указывает направление движения). Форма, описываемая в плоскости xy вектором электрического поля, представляет собой фигуру Лиссажу , описывающую состояние поляризации . На следующих рисунках показаны некоторые примеры эволюции вектора электрического поля (синий) во времени (вертикальные оси) в конкретной точке пространства вместе с его компонентами x и y (красный/левый и зеленый / правый ) . и путь, прочерченный вектором на плоскости (фиолетовый): такая же эволюция будет происходить, если смотреть на электрическое поле в определенное время при развитии точки в пространстве в направлении, противоположном распространению.

Диаграмма линейной поляризации
Линейный
Диаграмма круговой поляризации
Циркуляр
Эллиптическая поляризационная диаграмма
Эллиптическая поляризация

На крайнем левом рисунке выше компоненты x и y световой волны совпадают по фазе. При этом отношение их сил постоянно, поэтому направление электрического вектора (векторной суммы этих двух составляющих) постоянно. Поскольку вершина вектора описывает одну линию на плоскости, этот частный случай называется линейной поляризацией. Направление этой линии зависит от относительных амплитуд двух компонентов.

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: компонент x может быть на 90° впереди компонента y или он может быть на 90° позади компонента y . В этом частном случае электрический вектор описывает круг на плоскости, поэтому такая поляризация называется круговой поляризацией. Направление вращения в круге зависит от того, какое из двухфазных отношений существует и соответствует правосторонней круговой поляризации и левой круговой поляризации .

Во всех других случаях, когда две компоненты не имеют одинаковых амплитуд и/или их разность фаз не равна нулю и не кратна 90°, поляризация называется эллиптической поляризацией, поскольку электрический вектор описывает эллипс в плоскости ( эллипс поляризации ) . Это показано на приведенном выше рисунке справа. Подробная математика поляризации выполняется с использованием исчисления Джонса и характеризуется параметрами Стокса .

Изменение поляризации

Среды, имеющие разные показатели преломления для разных режимов поляризации, называются двулучепреломляющими . Хорошо известные проявления этого эффекта проявляются в оптических волновых пластинах /замедлителях (линейные моды) и в фарадеевском вращении / оптическом вращении (круговые моды). Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, плоские волны будут выходить из материала со значительно другим направлением распространения из-за преломления. Например, так обстоит дело с макроскопическими кристаллами кальцита , которые представляют зрителю два смещенных, ортогонально поляризованных изображения того, что просматривается через них. Именно этот эффект обеспечил первое открытие поляризации Эразмом Бартолином в 1669 году. Кроме того, фазовый сдвиг и, таким образом, изменение состояния поляризации обычно зависит от частоты, что в сочетании с дихроизмом часто приводит цвета и радужные эффекты. В минералогии такие свойства, известные как плеохроизм , часто используются для идентификации минералов с помощью поляризационных микроскопов. Кроме того, многие пластмассы, которые обычно не обладают двулучепреломлением, становятся таковыми при воздействии механического напряжения , явления, лежащего в основе фотоупругости . Методы без двойного лучепреломления для поворота линейной поляризации световых лучей включают использование призматических вращателей поляризации , которые используют полное внутреннее отражение в наборе призм, предназначенном для эффективной коллинеарной передачи.

Поляризатор, изменяющий ориентацию линейно поляризованного света.
На этом рисунке θ 1θ 0 = θ i .

Среды, которые уменьшают амплитуду определенных режимов поляризации, называются дихроичными , а устройства, которые блокируют почти все излучение в одном режиме, известны как поляризационные фильтры или просто « поляризаторы ». Закон Малюса, названный в честь Этьена-Луи Малюса , гласит, что когда идеальный поляризатор помещается в линейно поляризованный луч света, интенсивность I проходящего через него света определяется выражением

где

I 0 – начальная интенсивность,
θ i — угол между первоначальным направлением поляризации света и осью поляризатора.

Луч неполяризованного света можно рассматривать как содержащий однородную смесь линейных поляризаций под всеми возможными углами. Поскольку среднее значение равно 1/2, коэффициент передачи становится

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

В дополнение к двулучепреломлению и дихроизму в протяженных средах поляризационные эффекты также могут возникать на (отражающей) поверхности раздела между двумя материалами с разными показателями преломления. Эти эффекты рассматриваются уравнениями Френеля . Часть волны проходит, а часть отражается, причем соотношение зависит от угла падения и угла преломления. Таким образом, физическая оптика восстанавливает угол Брюстера . Когда свет отражается от тонкой пленки на поверхности, интерференция между отражениями от поверхностей пленки может привести к поляризации отраженного и прошедшего света.

Естественный свет
Эффекты поляризационного фильтра на небе на фотографии. Левое фото сделано без поляризатора. Для правого изображения фильтр был настроен так, чтобы устранить определенные поляризации рассеянного синего света неба.

Большинство источников электромагнитного излучения содержат большое количество атомов или молекул, излучающих свет. Ориентация электрических полей, создаваемых этими излучателями, может быть не коррелирована , и в этом случае говорят, что свет неполяризован . Если есть частичная корреляция между излучателями, свет частично поляризован . Если поляризация постоянна по всему спектру источника, частично поляризованный свет можно описать как суперпозицию полностью неполяризованного компонента и полностью поляризованного. Затем можно описать свет в терминах степени поляризации и параметров эллипса поляризации.

Свет, отраженный блестящими прозрачными материалами, частично или полностью поляризован, за исключением случаев, когда свет перпендикулярен поверхности. Именно этот эффект позволил математику Этьену-Луи Малюсу провести измерения, которые позволили ему разработать первые математические модели поляризованного света. Поляризация возникает, когда свет рассеивается в атмосфере . Рассеянный свет создает яркость и цвет ясного неба . Частичная поляризация рассеянного света может быть использована при использовании поляризационных фильтров для затемнения неба на фотографиях . Оптическая поляризация имеет принципиальное значение в химии из-за кругового дихроизма и оптического вращения (« круговое двойное лучепреломление »), проявляемых оптически активными ( хиральными ) молекулами .

Современная оптика

Современная оптика охватывает области оптической науки и техники, ставшие популярными в 20 веке. Эти области оптической науки обычно связаны с электромагнитными или квантовыми свойствами света, но включают и другие темы. Основная область современной оптики, квантовая оптика , занимается конкретно квантово-механическими свойствами света. Квантовая оптика не просто теоретическая; некоторые современные устройства, такие как лазеры, имеют принципы работы, которые зависят от квантовой механики. Детекторы света, такие как фотоумножители и каналотроны , реагируют на отдельные фотоны. Электронные датчики изображения , такие как ПЗС , демонстрируют дробовой шум , соответствующий статистике отдельных фотонных событий. Светоизлучающие диоды и фотоэлектрические элементы тоже нельзя понять без квантовой механики. При изучении этих устройств квантовая оптика часто пересекается с квантовой электроникой .

Специальные области оптических исследований включают изучение того, как свет взаимодействует с конкретными материалами, например, в кристаллооптике и метаматериалах . Другие исследования сосредоточены на феноменологии электромагнитных волн в сингулярной оптике , неизображающей оптике , нелинейной оптике , статистической оптике и радиометрии . Кроме того, компьютерные инженеры проявляют интерес к интегрированной оптике , машинному зрению и фотонным вычислениям как к возможным компонентам компьютеров «следующего поколения».

Сегодня чистая наука об оптике называется оптической наукой или оптической физикой , чтобы отличить ее от прикладных оптических наук, которые называются оптической инженерией . Известные области оптической инженерии включают светотехнику , фотонику и оптоэлектронику с практическими приложениями, такими как проектирование линз , изготовление и тестирование оптических компонентов и обработка изображений . Некоторые из этих областей пересекаются, с размытыми границами между терминами субъектов, которые означают немного разные вещи в разных частях мира и в разных областях промышленности. Профессиональное сообщество исследователей нелинейной оптики сформировалось за последние несколько десятилетий благодаря достижениям в области лазерных технологий.

Лазеры

Подобные эксперименты с мощными лазерами являются частью современных исследований в области оптики.

Лазер — это устройство, которое излучает свет, своего рода электромагнитное излучение, посредством процесса, называемого вынужденным излучением . Термин «лазер» является аббревиатурой от « Усиление света за счет стимулированного излучения» . Лазерный свет обычно пространственно когерентный , что означает, что свет либо излучается узким лучом с малой расходимостью , либо может быть преобразован в один с помощью оптических компонентов, таких как линзы. Поскольку микроволновый эквивалент лазера, мазер , был разработан первым, устройства, излучающие микроволновые и радиочастоты , обычно называют мазерами .

Лазерная направляющая звезда VLT

Первый работающий лазер был продемонстрирован 16 мая 1960 года Теодором Мейманом в исследовательской лаборатории Хьюза . Когда они были впервые изобретены, их называли «решением, ищущим проблему». С тех пор лазеры превратились в многомиллиардную отрасль, находящую применение в тысячах самых разнообразных приложений. Первым применением лазеров в повседневной жизни населения стал сканер штрих-кода в супермаркете , представленный в 1974 году. Проигрыватель лазерных дисков , представленный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом, включающим лазер, но проигрыватель компакт-дисков был первым. первое устройство с лазером, которое стало по-настоящему распространенным в домах потребителей, начиная с 1982 года. В этих оптических запоминающих устройствах используется полупроводниковый лазер шириной менее миллиметра для сканирования поверхности диска для извлечения данных. Волоконно-оптическая связь использует лазеры для передачи больших объемов информации со скоростью света. Другие распространенные области применения лазеров включают лазерные принтеры и лазерные указки . Лазеры используются в медицине в таких областях, как бескровная хирургия , лазерная хирургия глаза и микродиссекция с лазерным захватом , а также в военных приложениях, таких как системы противоракетной обороны , электрооптические контрмеры (EOCM) и лидары . Лазеры также используются в голограммах , пузырьковых диаграммах , лазерных световых шоу и лазерной эпиляции .

Эффект Капицы – Дирака

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 является частью повседневной жизни. Повсеместное распространение зрительных систем в биологии указывает на центральную роль оптики как науки об одном из пяти чувств . Многие люди пользуются очками или контактными линзами , а оптика является неотъемлемой частью функционирования многих потребительских товаров, включая фотоаппараты . Радуги и миражи являются примерами оптических явлений. Оптическая связь обеспечивает основу как для Интернета , так и для современной телефонии .

Человеческий глаз

Модель человеческого глаза. Особенности, упомянутые в этой статье: 1. стекловидное тело 3. цилиарная мышца , 6. зрачок , 7. передняя камера , 8. роговица , 10. кора хрусталика , 22. зрительный нерв , 26. ямка , 30. сетчатка .

Человеческий глаз функционирует, фокусируя свет на слое фоторецепторных клеток , называемом сетчаткой, который образует внутреннюю оболочку задней части глаза. Фокусировка осуществляется с помощью ряда прозрачных сред. Свет, попадающий в глаз, сначала проходит через роговицу, которая обеспечивает большую часть оптической силы глаза. Затем свет проходит через жидкость сразу за роговицей — переднюю камеру , затем проходит через зрачок . Затем свет проходит через линзу , которая дополнительно фокусирует свет и позволяет регулировать фокус. Затем свет проходит через основную массу жидкости в глазу — стекловидное тело и достигает сетчатки. Клетки сетчатки выстилают заднюю часть глаза, за исключением места выхода зрительного нерва; это приводит к слепому пятну .

Есть два типа фоторецепторных клеток, палочки и колбочки, которые чувствительны к различным аспектам света. Палочки чувствительны к интенсивности света в широком диапазоне частот, поэтому отвечают за черно-белое зрение . Палочки отсутствуют в центральной ямке, области сетчатки, отвечающей за центральное зрение, и не так чувствительны, как колбочки, к пространственным и временным изменениям света. Однако палочек в сетчатке в двадцать раз больше, чем колбочек, потому что палочки присутствуют на более широкой площади. Из-за своего более широкого распространения палочки отвечают за периферическое зрение .

Напротив, колбочки менее чувствительны к общей интенсивности света, но бывают трех разновидностей, которые чувствительны к разным частотным диапазонам и, таким образом, используются при восприятии цвета и фотопическом зрении . Колбочковые клетки сильно сконцентрированы в центральной ямке и имеют высокую остроту зрения, что означает, что они имеют лучшее пространственное разрешение, чем палочковые клетки. Поскольку клетки-колбочки не так чувствительны к тусклому свету, как клетки-палочки, в большинстве случаев ночное зрение ограничено клетками-палочками. Точно так же, поскольку колбочки находятся в центральной ямке, центральное зрение (включая зрение, необходимое для большей части чтения, работы с мелкими деталями, такой как шитье или внимательное изучение предметов) осуществляется колбочками.

Ресничные мышцы вокруг хрусталика позволяют регулировать фокус глаза. Этот процесс известен как аккомодация . Ближняя и дальняя точки определяют ближайшее и самое дальнее расстояние от глаза, на котором объект может быть четко сфокусирован . Для человека с нормальным зрением дальняя точка находится в бесконечности. Расположение ближней точки зависит от того, насколько мышцы могут увеличить кривизну хрусталика и насколько негибким хрусталик стал с возрастом. Оптометристы , офтальмологи и оптики обычно считают, что подходящая точка для близи находится ближе, чем нормальное расстояние для чтения — примерно 25 см.

Дефекты зрения можно объяснить с помощью оптических принципов. С возрастом хрусталик становится менее гибким, а ближняя точка отдаляется от глаза — состояние, известное как пресбиопия . Точно так же люди, страдающие дальнозоркостью , не могут уменьшить фокусное расстояние своего хрусталика настолько, чтобы на их сетчатке отображались близлежащие объекты. И наоборот, люди, которые не могут увеличить фокусное расстояние своего хрусталика настолько, чтобы на сетчатке отображались удаленные объекты, страдают близорукостью и имеют дальнюю точку, которая значительно ближе, чем бесконечность. Состояние, известное как астигматизм , возникает, когда роговица не имеет сферической формы, а больше изогнута в одном направлении. Это приводит к тому, что объекты, вытянутые по горизонтали, фокусируются на разных частях сетчатки, чем объекты, вытянутые по вертикали, и приводит к искажению изображения.

Все эти состояния можно исправить с помощью корректирующих линз . При пресбиопии и дальнозоркости собирающая линза обеспечивает дополнительную кривизну, необходимую для приближения ближней точки к глазу, в то время как при миопии рассеивающая линза обеспечивает кривизну, необходимую для направления дальней точки в бесконечность. Астигматизм корректируется с помощью линзы с цилиндрической поверхностью , которая изгибается сильнее в одном направлении, чем в другом, компенсируя неравномерность роговицы.

Оптическая сила корректирующих линз измеряется в диоптриях , величина равна обратной величине фокусного расстояния, измеренного в метрах; с положительным фокусным расстоянием, соответствующим собирающей линзе, и отрицательным фокусным расстоянием, соответствующим рассеивающей 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.

Визуальные эффекты

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

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

Когнитивные иллюзии включают некоторые из них, возникающие в результате бессознательного неправильного применения определенных оптических принципов. Например, иллюзии комнаты Эймса , Геринга , Мюллера-Лайера , Орбисона , Понцо , Сандера и Вундта основаны на внушении видимости расстояния с помощью сходящихся и расходящихся линий, точно так же, как параллельные световые лучи (или даже любой набор параллельных линий) кажутся сходящимися в точке схода в бесконечности в двумерных изображениях с художественной перспективой. Это предположение также отвечает за известную лунную иллюзию , когда луна, несмотря на то, что она имеет практически одинаковый угловой размер, кажется намного больше у горизонта, чем в зените . Эта иллюзия так смутила Птолемея , что он ошибочно приписал ее атмосферному преломлению, когда описал ее в своем трактате « Оптика» .

Другой тип оптической иллюзии использует разорванные узоры, чтобы обманом заставить разум воспринимать симметрию или асимметрию, которых нет. Примеры включают стены кафе , иллюзии Эренштейна , спирали Фрейзера , Поггендорфа и Цёлльнера . Связанные, но не совсем иллюзии, закономерности, возникающие из-за наложения периодических структур. Например, прозрачные ткани с сетчатой ​​структурой создают формы, известные как муаровые узоры , в то время как наложение периодических прозрачных узоров, состоящих из параллельных непрозрачных линий или кривых, создает линейные муаровые узоры.

Оптические инструменты

Иллюстрации различных оптических приборов из Циклопедии 1728 г.

Одиночные линзы имеют множество применений, включая фотографические линзы , корректирующие линзы и увеличительные стекла, в то время как одиночные зеркала используются в параболических отражателях и зеркалах заднего вида . Комбинируя несколько зеркал, призм и линз, можно получить составные оптические инструменты, имеющие практическое применение. Например, перископ — это просто два плоских зеркала, совмещенных так, чтобы можно было обозревать препятствия. Самыми известными составными оптическими приборами в науке являются микроскоп и телескоп, которые были изобретены голландцами в конце 16 века.

Впервые микроскопы были разработаны всего с двумя линзами: линзой объектива и окуляром . Линза объектива, по сути, представляет собой увеличительное стекло и имеет очень маленькое фокусное расстояние, в то время как окуляр обычно имеет большее фокусное расстояние. Это приводит к созданию увеличенных изображений близких объектов. Как правило, используется дополнительный источник освещения, поскольку увеличенные изображения тусклее из-за сохранения энергии и распространения световых лучей по большей площади поверхности. Современные микроскопы, известные как составные микроскопы, имеют множество линз (обычно четыре) для оптимизации функциональности и повышения стабильности изображения. Несколько иная разновидность микроскопа, сравнительный микроскоп , смотрит на расположенные рядом изображения, чтобы создать стереоскопическое бинокулярное изображение, которое кажется трехмерным при использовании людьми.

Первые телескопы, называемые телескопами-рефракторами, 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 его фокусе, который отрегулирован так, чтобы он находился в фокусе окуляра с гораздо меньшим фокусным расстоянием. Основной целью телескопа является не обязательно увеличение, а скорее сбор света, который определяется физическим размером объектива. Таким образом, телескопы обычно обозначаются диаметром их объективов, а не увеличением, которое можно изменить, заменив окуляры. Поскольку увеличение телескопа равно фокусному расстоянию объектива, деленному на фокусное расстояние окуляра, окуляры с меньшим фокусным расстоянием вызывают большее увеличение.

Поскольку изготовить большие линзы намного сложнее, чем изготовить большие зеркала, большинство современных телескопов являются телескопами-рефлекторами , то есть телескопами, в которых используется главное зеркало, а не линза объектива. К телескопам-рефлекторам применяются те же общие оптические соображения, что и к телескопам-рефракторам, 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, вместо этого в фокусе помещается инструмент (часто устройство с зарядовой связью).

Фотография

Фотография сделана с диафрагмой f /32.
Фотография сделана с диафрагмой f /5

Оптика фотографии включает в себя как объективы, так и среду, в которой регистрируется электромагнитное излучение, будь то пластина , пленка или прибор с зарядовой связью. Фотографы должны учитывать взаимность камеры и снимка, которая резюмируется отношением

Экспозиция ∝ Площадь диафрагмы × Время экспозиции × Яркость сцены

Другими словами, чем меньше диафрагма (обеспечивающая большую глубину резкости), тем меньше света поступает, поэтому необходимо увеличить продолжительность времени (что приводит к возможному размытию, если происходит движение). Примером использования закона взаимности является правило Sunny 16 , которое дает приблизительную оценку настроек, необходимых для оценки правильной экспозиции при дневном свете.

Апертура камеры измеряется безразмерным числом, называемым диафрагменным числом или диафрагменным числом, f /#, часто обозначаемым как , и определяемым как

где – фокусное расстояние, а – диаметр входного зрачка. По соглашению " f /#" рассматривается как один символ, а определенные значения f /# записываются путем замены знака числа значением. Есть два способа увеличить диафрагму: либо уменьшить диаметр входного зрачка, либо увеличить фокусное расстояние (в случае зум- объектива это можно сделать, просто отрегулировав объектив). Более высокие числа f также имеют большую глубину резкости из-за того, что объектив приближается к пределу возможностей камеры-обскуры, которая способна идеально сфокусировать все изображения, независимо от расстояния, но требует очень длительного времени экспозиции.

Поле зрения, которое обеспечивает объектив, изменяется в зависимости от фокусного расстояния объектива. Существует три основные классификации, основанные на отношении размера диагонали пленки или размера сенсора камеры к фокусному расстоянию объектива:

  • Обычный объектив : угол зрения около 50° (называется нормальным , поскольку этот угол считается примерно эквивалентным человеческому зрению) и фокусное расстояние, примерно равное диагонали пленки или сенсора.
  • Широкоугольный объектив : угол обзора шире 60° и фокусное расстояние меньше, чем у обычного объектива.
  • Длиннофокусный объектив : угол обзора уже, чем у обычного объектива. Это любой объектив с фокусным расстоянием больше, чем диагональ пленки или сенсора. Наиболее распространенным типом длиннофокусных объективов является телеобъектив , в конструкции которого используется специальная группа телеобъективов , которая физически короче, чем его фокусное расстояние.

Современные зум-объективы могут иметь некоторые или все из этих атрибутов.

Абсолютное значение требуемого времени экспозиции зависит от того, насколько чувствительна к свету используемая среда (измеряется светочувствительностью пленки или, для цифровых носителей, квантовой эффективностью ). В ранней фотографии использовались носители с очень низкой светочувствительностью, поэтому время выдержки должно было быть большим даже для очень ярких снимков. По мере совершенствования технологий росла и чувствительность пленочных и цифровых камер.

Другие результаты физической и геометрической оптики применимы к оптике камеры. Например, максимальная разрешающая способность конкретной установки камеры определяется дифракционным пределом , связанным с размером зрачка, и определяется, грубо говоря, критерием Рэлея.

Атмосферная оптика

Красочное небо часто возникает из-за рассеивания света частицами и загрязнениями, как на этой фотографии заката во время лесных пожаров в Калифорнии в октябре 2007 года .

Уникальные оптические свойства атмосферы обуславливают широкий спектр эффектных оптических явлений. Синий цвет неба является прямым результатом рэлеевского рассеяния, которое перенаправляет более высокочастотный (синий) солнечный свет обратно в поле зрения наблюдателя. Поскольку синий свет рассеивается легче, чем красный свет, солнце приобретает красноватый оттенок, когда его наблюдают сквозь плотную атмосферу, например, во время восхода или заката . Дополнительные твердые частицы в небе могут рассеивать разные цвета под разными углами, создавая красочное светящееся небо в сумерках и на рассвете. Рассеивание кристаллов льда и других частиц в атмосфере является причиной ореолов , послесвечения , корон , лучей солнечного света и солнечных собак . Различия в этих видах явлений обусловлены различными размерами и геометрией частиц.

Миражи — это оптические явления, при которых световые лучи искривляются из-за тепловых изменений показателя преломления воздуха, создавая смещенные или сильно искаженные изображения удаленных объектов. Другие драматические оптические явления, связанные с этим, включают эффект Новой Земли , когда кажется, что солнце восходит раньше, чем предполагалось, с искаженной формой. Захватывающая форма преломления происходит с температурной инверсией , называемой Фата Моргана , когда объекты на горизонте или даже за горизонтом, такие как острова, скалы, корабли или айсберги, кажутся вытянутыми и приподнятыми, как «сказочные замки».

Радуги являются результатом сочетания внутреннего отражения и дисперсионного преломления света в каплях дождя. Однократное отражение от обратной стороны множества капель дождя создает радугу с угловым размером на небе, который колеблется от 40 ° до 42 ° с красным цветом снаружи. Двойные радуги образуются за счет двух внутренних отражений 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.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение
  • Борн, Макс; Вольф, Эмиль (2002). Принципы оптики . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-64340-5.
  • Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Эддисон-Уэсли Лонгман, Инкорпорейтед. ISBN 978-0-8053-8566-3.
  • Серуэй, Раймонд А .; 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 . Том. 2. У.Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-0810-0.
  • Липсон, Стивен Г .; 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 . Курьер Dover Publications. ISBN 978-0-486-65957-2.

Внешние ссылки

Соответствующие обсуждения
Учебники и учебные пособия
Модули Викиучебников
дальнейшее чтение
общества