Оптика - Optics

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Оптика включает изучение рассеивания света.

Оптика - это раздел физики , изучающий поведение и свойства света , в том числе его взаимодействие с веществом и создание инструментов, 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 аналогичными свойствами.

Большинство оптических явлений можно объяснить, используя классическое электромагнитное описание света. Однако полное электромагнитное описание света часто бывает трудно применить на практике. Практическая оптика обычно делается на упрощенных моделях. Самый распространенный из них, геометрическая оптика , рассматривает свет как набор лучей, которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. Физическая оптика - более полная модель света, которая включает волновые эффекты, такие как дифракция и интерференция, которые нельзя учесть 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 обладает как волнообразными, так и частицеобразными свойствами . Для объяснения этих эффектов нужна квантовая механика . При рассмотрении свойств света, подобных частицам, свет моделируется как совокупность частиц, называемых « фотонами ». Квантовая оптика занимается приложением квантовой механики к оптическим системам.

Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включая астрономию , различные области техники , фотографию и медицину (особенно офтальмологию и оптометрию ). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и повседневных объектах, 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 годом до нашей эры на Крите (Археологический музей Гераклиона, Греция). Линзы с Родоса датируются примерно 700 годом до нашей эры, как и ассирийские линзы, такие как линза Нимруда . В древние римляне и греки заполнены стеклянные шарики с водой , чтобы сделать 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, внешний вид».

Греческая философия по оптике сломалась на две противоположные теории о том , как видение работало, в теорию впуска и теорию излучения . Подход интромиссии рассматривал зрение как исходящее от объектов, отбрасывающих копии самих себя (так называемые эйдола), которые были захвачены глазом. Со многими пропагандистами, включая Демокрита , Эпикура , Аристотеля и их последователей, эта теория, кажется, имеет некоторый контакт с современными теориями о том, что такое зрение на самом деле, но это оставалось лишь предположением, не имеющим какого-либо экспериментального основания.

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

Альхазен (Ибн аль-Хайсам), «отец оптики»
Репродукция страницы рукописи Ибн Сала , показывающей его знание закона преломления .

В средние века греческие идеи об оптике были возрождены и распространены 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 может лучше количественно определять оптические явления. В 984 году персидский математик Ибн Саль 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-Хайтам) написал Книгу оптики ( Китаб аль-маназир ), в которой он исследовал отражение и преломление и предложил новую систему объяснения зрения и света, основанную на наблюдении и эксперименте. 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 улавливает лучи. Работа Альхазена в основном игнорировалась в арабском мире, но она была анонимно переведена на латынь около 1200 года нашей эры, а затем резюмирована и расширена 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 различных точек зрения: эпистемология света, метафизика или космогония света, этиология или физика света и богословие света, основанное на трудах Аристотеля и платонизма. Самый известный ученик Гроссетеста, Роджер Бэкон , написал работы, цитируя широкий спектр недавно переведенных оптических и философских работ, включая работы Альхазена, Аристотеля, Авиценны , Аверроэса , Евклида, аль-Кинди, Птолемея, Тидеуса и Константина Африканского . Бэкон смог использовать части стеклянных сфер в качестве увеличительных стекол, чтобы продемонстрировать, что свет отражается от объектов, а не исходит от них.

Первые носимые очки были изобретены в Италии около 1286 года. Это было началом оптической индустрии шлифовки и полировки линз для этих «очков», сначала в Венеции и Флоренции в XIII веке, а затем в центрах изготовления очков в обеих странах. Нидерланды и Германия. 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 дня (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 преломляющего телескопа в 1608 году, оба из которых появились в центрах изготовления очков в Нидерландах.

Первый трактат Иоганна Кеплера об оптике , Ad Vitellionem paralipomen quibus astronomiae pars optica traditur (1604 г.)

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

Обложка первого издания Оптики Ньютона (1704 г.)

Оптическая теория прогрессировала в середине 17 века с появлением трактатов, написанных философом Рене Декартом , в котором объяснялось множество оптических явлений, включая отражение и преломление, исходя из предположения, что свет излучается объектами, которые его создали. Это существенно отличалось от древнегреческой эмиссионной теории. В конце 1660-х - начале 1670-х годов Исаак Ньютон расширил идеи Декарта до корпускулярной теории света , 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 Роберта Гука 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, он, как правило, считался победителем в споре о природе света.

Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда Томас Янг и Огюстен-Жан Френель провели эксперименты по интерференции света, которые твердо установили волновую природу света. Знаменитый эксперимент Юнга с двойной щелью показал, что свет следует принципу суперпозиции , который является волнообразным свойством, не предсказываемым теорией корпускул Ньютона. Эта работа привела к теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике. Волновая оптика успешно унифицирована с электромагнитной теорией по Джеймс Клерк Максвелл в 1860 - х годах.

Следующее развитие оптической теории произошло в 1899 году, когда Макс Планк правильно смоделировал излучение абсолютно 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, объясняя тем самым дискретные линии, наблюдаемые в спектрах излучения и поглощения . Понимание взаимодействия между светом и материей, которое последовало за этими достижениями, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Конечная кульминация, теория квантовой электродинамики , объясняет всю оптику 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.

Следуя работе Поля Дирака в 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 подробное понимание фотодетектирования и статистики 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 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. Эти законы были обнаружены эмпирическим путем еще в 984 году нашей эры и с тех пор используются при проектировании 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 падения, деленный на синус угла преломления, является постоянной величиной:
,

где n - константа для любых двух материалов и заданного цвета света. Если первым материалом является воздух или вакуум, n - показатель преломления второго материала.

Законы отражения и преломления могут быть выведены 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, используя параксиальное приближение или «приближение малых углов». Затем математическое поведение становится линейным, что позволяет описывать оптические компоненты и системы простыми матрицами. Это приводит к методам гауссовой оптики и параксиальной трассировки лучей , которые используются для определения основных свойств оптических систем, таких как приблизительное положение и увеличение изображения и объекта .

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 ( реальным ) или экстраполированным ( виртуальным ) местом в пространстве. 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 описываются или могут быть аппроксимированы законом косинуса Ламберта , который описывает поверхности, которые имеют одинаковую яркость при просмотре 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 нормаль к поверхности - линию, перпендикулярную поверхности в точке, где луч падает. Падающий и 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. Это известно как закон отражения .

Для плоских зеркал 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 инвертируются по четности, 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 создают отраженные лучи, которые возвращаются в том направлении, откуда пришли падающие лучи. Это называется световозвращением .

Зеркала с изогнутыми 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, создают отраженные лучи, которые сходятся в общем фокусе . Другие изогнутые поверхности также могут фокусировать свет, но с аберрациями из-за расходящейся формы, из-за которых фокус размывается в пространстве. В частности, сферические зеркала демонстрируют сферическую аберрацию . Изогнутые зеркала могут формировать изображения с увеличением больше или меньше единицы, а увеличение может быть отрицательным, указывая на то, что изображение инвертировано. Вертикальное изображение, образованное отражением в зеркале, всегда виртуально, в то время как перевернутое изображение реально и может проецироваться на экран.

Преломления

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

Преломление возникает, когда свет проходит через область пространства с изменяющимся показателем преломления; этот принцип позволяет использовать линзы и фокусировать свет. Простейший случай преломления возникает, когда существует граница раздела между однородной средой с показателем преломления и другой средой с показателем преломления . В таких ситуациях закон Снеллиуса 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 c - 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 тому, что световой луч отклоняется в зависимости от формы и ориентации призмы. В большинстве материалов показатель преломления зависит от частоты света. Принимая это во внимание, закон Снеллиуса можно использовать для предсказания того, как призма будет рассеивать свет по спектру. Известно, что открытие этого явления при прохождении света через призму приписывают Исааку Ньютону.

Некоторые среды имеют показатель преломления, который постепенно меняется в зависимости от положения, и поэтому световые лучи в среде искривлены. Этот эффект отвечает за миражи, наблюдаемые в жаркие дни: изменение показателя преломления воздуха с высотой заставляет световые лучи изгибаться, создавая видимость зеркальных отражений на расстоянии (как если бы на поверхности водоема). Оптические материалы с переменными 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 когда велико, нет. В этом случае передачи не происходит; весь свет отражается. Это явление называется полным внутренним отражением и учитывает технологию волоконной оптики. Когда свет проходит по оптическому волокну, он подвергается полному внутреннему отражению, что позволяет практически не терять свет по длине кабеля.

Линзы
Схема трассировки лучей собирающей линзы.

Устройство, которое из-за преломления создает сходящиеся или расходящиеся световые лучи, известно как линза . Линзы характеризуются своим фокусным расстоянием : собирающая линза имеет положительное фокусное расстояние, а расходящаяся линза имеет отрицательное фокусное расстояние. Меньшее фокусное расстояние означает, что объектив имеет более сильный эффект схождения или расхождения. Фокусное расстояние простой линзы в воздухе определяется уравнением производителя линз .

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

,

где - расстояние от объекта до линзы, - это расстояние от линзы до изображения, а - 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 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 приходящие 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 изображения - реальными.

Объективы страдают от аберраций , искажающих изображение. Монохроматические аберрации возникают из-за того, что геометрия линзы не позволяет идеально направлять лучи от каждой точки объекта к одной точке изображения, 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 показаны буквами E , I и K синим, зеленым и оранжевым цветом соответственно. Обратите внимание, что E (на 2 f ) имеет реальное и перевернутое изображение равного размера; I (в точке f ) имеет изображение на бесконечности; а K (при f / 2) - виртуальное вертикальное изображение в два раза больше.

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 света волн в воздухе составляет примерно 3,0 · 10 8  м / с (именно 299792458 м / с , в вакууме ). 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. Существование электромагнитных волн было предсказано в 1865 году уравнениями Максвелла . Эти волны распространяются со скоростью света и имеют различные электрические и магнитные поля, ортогональные друг другу, а также направлению распространения волн. Световые волны в настоящее время 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 - одна из таких моделей. Это было получено эмпирическим путем Френелем в 1815 году на основе гипотезы Гюйгенса о том, что каждая точка волнового фронта генерирует вторичный сферический волновой фронт, который Френель объединил с принципом суперпозиции волн. 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 .

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 при взаимодействии с диэлектрическим материалом. Векторная модель также должна использоваться для моделирования поляризованного света.

Численное моделирование метода , такие как метод конечных элементов , в методе граничных элементов и метода матричной линии передачи может быть использована для моделирования распространения света в системах , которые не могут быть решены аналитический. Такие модели требуют вычислений и обычно используются только для решения мелкомасштабных 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, которые применяют многие из тех же математических и аналитических методов, которые используются в акустической инженерии и обработке сигналов .

Распространение гауссова луча - это простая параксиальная 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 пучка устраняет разрыв между геометрической и физической оптикой.

Суперпозиция и интерференция

В отсутствие нелинейных эффектов принцип суперпозиции можно использовать для предсказания формы взаимодействующих сигналов путем простого добавления возмущений. Это взаимодействие волн для создания результирующего рисунка обычно называется «интерференцией» и может привести к различным результатам. Если две волны одинаковой длины волны и частоты находятся в фазе , 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 одинаковой длины волны и частоты не совпадают по фазе, 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. Иллюстрацию этого эффекта ниже.

комбинированная
форма волны
Интерференция двух волн.svg
волна 1
волна 2
Две волны в фазе Две волны на 180 ° не совпадают
по фазе
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. Интерферометрия - это наука об измерении этих структур, обычно как средство точного определения расстояний или углового разрешения . Интерферометр Майкельсона был известным инструментом , который использовал интерференционные эффекты , чтобы точно измерить скорость света.

Внешний вид тонких пленок и покрытий напрямую зависит от интерференционных эффектов. В антиотражающих покрытиях используется деструктивная интерференция, чтобы уменьшить отражательную способность покрываемых поверхностей, и их можно использовать для минимизации бликов и нежелательных отражений. Самый простой случай - это однослойный слой толщиной в четверть длины волны падающего света. Тогда 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 пленки используются для изготовления диэлектрических зеркал , интерференционных фильтров , теплоотражателей и фильтров для цветоделения в цветных телевизионных камерах. Этот эффект интерференции также является причиной появления красочных радужных узоров на нефтяных пятнах.

Дифракционное и оптическое разрешение

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

Дифракция - это процесс, при котором чаще всего наблюдается интерференция света. Эффект был впервые описан в 1665 году Франческо Мария Гримальди , который также ввел термин от латинского diffringere , «разбивать на части». Позже в том же столетии Роберт Гук и Исаак Ньютон также описали явление, которое теперь известно как дифракция в кольцах Ньютона, в то время как Джеймс Грегори записал свои наблюдения дифракционных картин на перьях птиц.

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. 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 находится центральный максимум .

Это уравнение немного изменено, чтобы учесть различные ситуации, такие как дифракция через один зазор, дифракция через несколько щелей или дифракция через дифракционную решетку, которая содержит большое количество щелей с одинаковым интервалом. Более сложные модели дифракции требуют работы с математикой дифракции Френеля или Фраунгофера.

Рентгеновская дифракция использует тот факт, что атомы в кристалле имеют регулярные промежутки на расстояниях 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, соответствующая дифракционная картина изменяется в двух направлениях в соответствии с брэгговским отражением , при этом соответствующие яркие пятна образуют уникальные узоры и в два раза больше расстояния между атомами.

Эффекты дифракции ограничивают способность оптического детектора оптически разрешать отдельные источники света. В общем, свет, проходящий через апертуру, будет испытывать дифракцию, и лучшие изображения, которые могут быть созданы (как описано в оптике с ограничением дифракции ), выглядят как центральное пятно с окружающими яркими кольцами, разделенными темными нулями; этот узор известен как узор Эйри , а центральная яркая доля - как диск Эйри . Размер такого диска определяется выражением

где θ - угловое разрешение, λ - длина волны света, а D - диаметр апертуры линзы. 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 может быть решена. Рэлей определил несколько произвольный « критерий Рэлея », согласно которому две точки, угловое разделение которых равно радиусу диска Эйри (измеренному до первого нуля, то есть до первого места, где не виден свет), могут считаться разрешенными. Видно, что чем больше диаметр объектива или его апертура, тем четче разрешение. Интерферометрия , с ее способностью имитировать чрезвычайно большие апертуры базовой линии, обеспечивает максимально возможное угловое разрешение.

При построении астрономических изображений атмосфера не позволяет достичь 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 , используются для устранения атмосферных искажений изображений и достижения результатов, приближающихся к дифракционному пределу.

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 имеют место в пределах 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, в котором очевидна волнообразная природа света, свет рассеивается независимо от частоты, в отличие от комптоновского рассеяния, которое зависит от частоты и является строго квантово-механическим процессом, включающим природу света как частиц. В статистическом смысле упругое рассеяние света многочисленными частицами, размер которых намного меньше длины волны света, представляет собой процесс, известный как рассеяние Рэлея, в то время как аналогичный процесс рассеяния на частицах с одинаковой или большей длиной волны известен как рассеяние Ми с помощью теории Тиндаля. Эффект является обычно наблюдаемым результатом. Небольшая часть рассеяния света атомами или молекулами может подвергаться рамановскому рассеянию , при котором частота изменяется из-за возбуждения атомов и молекул. Рассеяние Бриллюэна происходит, когда частота света изменяется из-за локальных изменений во времени и движений плотного материала.

Дисперсия возникает, когда разные частоты света имеют разные фазовые скорости из-за свойств материала ( материальная дисперсия ) или геометрии оптического волновода ( волноводная дисперсия ). Самая 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 диэлектрических материалах в тех 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 «аномальной дисперсией».

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) / n ). Таким образом, синий свет с его более высоким показателем преломления изгибается сильнее, чем красный свет, что приводит к хорошо известному радужному узору.

Дисперсия: две синусоиды, распространяющиеся с разными скоростями, образуют движущуюся интерференционную картину. Красная точка движется с фазовой скоростью , а зеленые точки - с групповой скоростью . 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 числом Аббе , которое дает простую меру дисперсии на основе показателя преломления на трех конкретных длинах волн. Дисперсия волновода зависит от постоянной распространения . Оба вида дисперсии вызывают изменения групповых характеристик волны, свойств 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:

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 или нормальную дисперсию. Если D больше нуля, среда имеет отрицательную дисперсию . Если световой импульс распространяется через среду с нормальной дисперсией, в результате более высокочастотные компоненты замедляются больше, чем низкочастотные компоненты. Таким образом, импульс становится положительно чирпированным или повышающим , частота которого 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 чирпированным или понижающим , уменьшаясь по частоте со временем.

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 на основе оптических волокон , поскольку, если дисперсия слишком высока, каждая группа импульсов, представляющих информацию, будет распространяться во времени и сливаться, что делает невозможным извлечение 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 распространения волны. Колебания могут быть ориентированы в одном направлении ( линейная поляризация ) или направление колебаний может вращаться 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 учета поляризации - отслеживать ориентацию вектора электрического поля при распространении электромагнитной волны. Вектор электрического поля плоской волны можно условно разделить на две перпендикулярные составляющие, обозначенные x и y (где z указывает направление движения). Форма, очерченная в плоскости xy вектором электрического поля, представляет собой фигуру Лиссажу, которая описывает состояние поляризации . На следующих рисунках показаны некоторые примеры эволюции вектора электрического поля (синий) во времени (вертикальные оси) в определенной точке пространства вместе с его компонентами x и y (красный / левый и зеленый / правый). и путь, прослеживаемый вектором в плоскости (фиолетовый): такая же эволюция будет происходить, если смотреть на электрическое поле в определенное время при перемещении точки в пространстве в направлении, противоположном распространению.

Диаграмма линейной поляризации
Линейный
Диаграмма круговой поляризации
Круговой
Эллиптическая поляризационная диаграмма
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.

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 очерчивает круг в плоскости, поэтому такая поляризация называется круговой поляризацией. Направление вращения в круге зависит от того, какое из двухфазных соотношений существует, и соответствует правой круговой поляризации и левой круговой поляризации .

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 очерчивает эллипс в плоскости ( эллипс поляризации ). Это показано на рисунке выше справа. Подробная математика поляризации выполняется с использованием исчисления Джонса и характеризуется параметрами Стокса .

Изменение поляризации

Среды с разными показателями преломления для разных режимов поляризации называются двулучепреломляющими . Хорошо известные проявления этого эффекта проявляются в оптических волновых пластинах / замедлителях (линейные моды) и во вращении Фарадея / оптическом вращении (круговые моды). Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, плоские волны будут выходить из материала с существенно другим направлением распространения из-за преломления. Например, это относится к макроскопическим кристаллам кальцита , которые представляют зрителю два смещенных ортогонально поляризованных изображения всего, что просматривается через них. Именно этот эффект обеспечил первое открытие поляризации Эразмом Бартолинусом в 1669 году. Кроме того, сдвиг фазы и, следовательно, изменение состояния поляризации обычно зависит от частоты, что в сочетании с дихроизмом часто приводит к яркому цвета и эффекты, похожие на радугу. В минералогии 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 под воздействием механического напряжения , явления, которое является основой фотоупругости . Методы без двойного лучепреломления для поворота линейной поляризации световых лучей включают использование вращателей призматической поляризации, которые используют полное внутреннее отражение в призменном наборе, предназначенном для эффективного коллинеарного пропускания.

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

Среды, которые уменьшают амплитуду определенных режимов поляризации, называются дихроичными , при этом 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 света определяется выражением

где

I 0 - начальная интенсивность,
и θ i - угол между начальным направлением поляризации света и осью поляризатора.

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

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.

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 рассматриваются уравнениями Френеля . Часть волны передается, 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 вызвать поляризацию отраженного и проходящего света.

Естественный свет
Эффекты поляризационного фильтра на небе на фотографии. Левый снимок сделан без поляризатора. Для правого изображения фильтр был настроен так, чтобы исключить определенные поляризации рассеянного голубого света от неба.

Большинство источников электромагнитного излучения содержат большое количество атомов или молекул, излучающих свет. Ориентация электрических полей, создаваемых этими излучателями, может не коррелироваться , и в этом случае свет считается неполяризованным . Если существует частичная корреляция между излучателями, свет частично поляризован . 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 степени поляризации и параметров эллипса поляризации.

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 атмосфере . Рассеянный свет создает яркость и цвет в чистом небе . Этой частичной поляризацией рассеянного света можно воспользоваться, используя поляризационные фильтры для затемнения неба на фотографиях . Оптическая поляризация имеет принципиальное значение в химии из-за кругового дихроизма и оптического вращения (« круговое двулучепреломление »), проявляемых оптически активными ( хиральными ) молекулами .

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. Одно из основных подразделов современной оптики, квантовая оптика , занимается специфическими квантово-механическими свойствами света. Квантовая оптика - это не только теория; некоторые современные устройства, такие как лазеры, имеют принципы работы, которые зависят от квантовой механики. Детекторы света, такие как фотоумножители и канатроны , реагируют на отдельные фотоны. Электронные датчики изображения , такие как ПЗС-матрицы , демонстрируют дробовой шум, соответствующий статистике отдельных фотонных событий. Светодиоды и фотоэлементы 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, такими как кристаллооптика и метаматериалы . Другие исследования сосредоточены на феноменологии электромагнитных волн в сингулярной оптике , оптике без визуализации , нелинейной оптике , статистической оптике и радиометрии . Вдобавок компьютерные инженеры проявили интерес к интегрированной оптике , машинному зрению и фотонным вычислениям как 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 . Основные 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 расплывчатыми границами между терминами субъектов, которые означают несколько 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.

Лазеры

Подобные эксперименты с мощными лазерами являются частью современных оптических исследований.

Лазер - это устройство, которое излучает свет, своего рода электромагнитное излучение, посредством процесса, называемого вынужденным излучением . Термин « лазер» является аббревиатурой от « Усиление света за счет вынужденного испускания излучения» . Лазерный свет обычно пространственно когерентен , что означает, что свет либо излучается узким пучком с низкой расходимостью , либо может быть преобразован в пучок с помощью оптических компонентов, таких как линзы. Поскольку СВЧ - эквивалент лазера, мазера , был разработан во- первых, устройства , которые излучают СВЧ и радио частоты обычно называют мазеры .

Звезда
VLT , управляемая лазером.

Первый рабочий лазер был продемонстрирован 16 мая 1960 года Теодором Майманом в исследовательских лабораториях Хьюза . При первом изобретении их называли «решением, ищущим проблему». С тех пор лазеры стали многомиллиардной отраслью, находящей применение в тысячах самых разнообразных приложений. Первым применением лазеров, видимых в повседневной жизни населения в целом, был сканер штрих-кода в супермаркете , представленный в 1974 году. Плеер для лазерных дисков , представленный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом, включающим лазер, но проигрыватель компакт-дисков был 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 с целью поиска данных. Волоконно-оптическая связь основана на использовании лазеров 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 хирургия , лазерная хирургия глаза , и лазер захват микродиссекция и в военных приложениях , такие как системы ПРО , электро-оптические контрмеры (EOCM) и лидар . Лазеры также используются в голограммах , пузырьках , лазерных световых шоу и лазерной эпиляции .

Эффект Капицы – Дирака

Эффект Капицы-Дирака заставляет пучки частиц дифрагировать в результате встречи со стоячей световой волной. Свет можно использовать для позиционирования материи с помощью различных явлений (см. Оптический пинцет ).

Приложения

Оптика - это часть 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 камеры . Радуги и миражи - примеры оптических явлений. Оптическая связь обеспечивает основу как для Интернета, так и для современной телефонии .

Человеческий глаз

Модель человеческого глаза. В этой статье упоминаются следующие особенности: 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 фокусирует свет на слой фоторецепторных клеток, называемый сетчаткой, который образует внутреннюю выстилку задней части глаза. Фокусировка осуществляется серией 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 - в переднюю камеру , а затем проходит через зрачок . Затем свет проходит через линзу , которая фокусирует свет дальше и позволяет регулировать фокусировку. 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 слепому пятну .

Есть два типа фоторецепторных клеток, палочки и колбочки, которые чувствительны к различным аспектам света. 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 своего более широкого распространения стержни отвечают за периферическое зрение .

Колбочки, напротив, менее чувствительны к общей интенсивности света, но бывают трех разновидностей, которые чувствительны к разным частотным диапазонам и, таким образом, используются для восприятия цвета и фотопического зрения . 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 палочковидные клетки, в большинстве случаев ночное зрение ограничивается палочковыми клетками. Точно так же, 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.

Ресничные мышцы вокруг хрусталика позволяют регулировать фокусировку глаза. Этот процесс известен как приспособление . Вблизи точки и далеко точка определить ближайшие и отдаленные расстояния от глаз , при котором объект может быть приведен в фокусе. Для человека с нормальным зрением дальняя точка находится в бесконечности. Расположение ближайшей точки зависит от того, насколько мышцы могут увеличить кривизну хрусталика, и насколько негибким стал хрусталик с возрастом. Оптометристы , офтальмологи и оптики обычно считают подходящую близкую точку ближе, чем нормальное расстояние для чтения - примерно 25 см.

Дефекты зрения можно объяснить с помощью оптических принципов. С возрастом хрусталик становится менее гибким, и ближайшая точка отходит от глаза - состояние, известное как пресбиопия . Точно так же люди, страдающие дальнозоркостью, 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 миопией и имеют дальнюю точку, которая значительно ближе, чем бесконечность. 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.

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 расходящаяся линза обеспечивает кривизну, необходимую для отправки дальней точки в бесконечность. Астигматизм корректируется с помощью линзы с цилиндрической поверхностью, которая изгибается сильнее в одном направлении, чем в другом, что компенсирует неоднородность роговицы.

Оптическая сила корректирующих линз измеряется в диоптриях , т.е. величина, обратная фокусному расстоянию, измеренному в метрах; с положительным фокусным расстоянием, соответствующим собирающей линзе, и отрицательным фокусным расстоянием, соответствующим расходящейся линзе. Для линз, которые также корректируют астигматизм, даны три числа: одно для сферической оптической силы, одно для цилиндрической оптической силы и одно для угла ориентации астигматизма.

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 , отличное 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, при которых глаз и мозг делают бессознательные выводы .

Когнитивные иллюзии включают некоторые из них, которые возникают в результате бессознательного неправильного применения определенных оптических принципов. Например, комната Эймса , иллюзии Геринга , Мюллера-Лайера , Орбисона , Понцо , Сандера и Вундта полагаются на предположение о появлении расстояния с помощью сходящихся и расходящихся линий, точно так же, как параллельные световые лучи (или даже любой набор параллельных линий), кажется, сходятся в точке схода на бесконечности в двумерных изображениях с художественной перспективой. Это предположение также отвечает за знаменитую иллюзию луны, когда луна, несмотря на практически одинаковый угловой размер, кажется намного больше возле горизонта, чем в зените . Эта иллюзия настолько сбила Птолемея с толку, что он неправильно приписал ее атмосферной рефракции, когда описал ее в своем трактате « Оптика» .

Другой тип оптических иллюзий использует нарушенные шаблоны, чтобы обмануть разум, заставляя его воспринимать симметрии или асимметрии, которых нет. Примеры включают стены кафе , иллюзии Эренштейна , Фрейзера , Поггендорфа и Цёлльнера . Сходными, но не строго иллюзиями, являются закономерности, возникающие из-за наложения периодических структур. Например, прозрачные ткани с решетчатой ​​структурой создают формы, известные как муаровые узоры , в то время как наложение периодических прозрачных узоров, содержащих параллельные непрозрачные линии или кривые, дает линейные муаровые узоры.

Оптические инструменты

Иллюстрации различных оптических инструментов из Циклопедии 1728 года

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 . Комбинирование нескольких зеркал, призм и линз позволяет получить сложные оптические инструменты, которые имеют практическое применение. Например, перископ - это 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.

Микроскопы сначала были разработаны с двумя линзами: линзой объектива и окуляром . 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 приводит к получению 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 много линз (обычно четыре) для оптимизации функциональности и повышения стабильности изображения. Немного другая разновидность микроскопа, сравнительный микроскоп , рассматривает расположенные рядом изображения для получения стереоскопического бинокулярного изображения, которое кажется трехмерным при использовании людьми.

Первые телескопы, называемые преломляющими телескопами, также были разработаны с одним объективом и линзой окуляра. В отличие от микроскопа, линза объектива телескопа была сконструирована 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.

Поскольку создание больших линз намного сложнее, чем создание больших зеркал, большинство современных телескопов являются отражающими телескопами , то есть телескопами, 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. . В профессиональных телескопах обычно нет окуляров, и вместо этого в фокусной точке 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 линзы, так и среду, в которой регистрируется электромагнитное излучение, будь то пластина , пленка или устройство с зарядовой связью. Фотографы должны учитывать взаимность камеры и снимка, что выражается соотношением

Экспозиция ∝ Диафрагма Площадь × Время выдержки × Сцена Яркость

Другими словами, чем меньше диафрагма (что дает большую глубину фокуса), тем меньше света попадает, поэтому продолжительность времени необходимо увеличить (что приводит к возможной размытости при движении). Примером использования закона взаимности является правило Sunny 16, которое дает приблизительную оценку настроек, необходимых для оценки правильной экспозиции при дневном свете.

Апертуры камеры измеряются с помощью безразмерного числа , называемого диафрагменного числом или диафрагмами, F / #, часто , как нотирована , и даются

где - фокусное расстояние, - диаметр входного зрачка. По соглашению « f / #» рассматривается как один символ, а конкретные значения f / # записываются путем замены знака числа на значение. Двумя способами увеличения диафрагмы являются уменьшение диаметра входного зрачка или увеличение фокусного расстояния (в случае зум-объектива это можно сделать, просто отрегулировав объектив). Более высокие значения f-числа также имеют большую глубину резкости из-за того, что объектив приближается к пределу камеры-обскуры, которая может идеально фокусировать все изображения, независимо от расстояния, но требует очень длительного времени выдержки.

Поле зрения, которое будет обеспечивать объектив, изменяется в зависимости от фокусного расстояния объектива. Существует три основных классификации, основанные на соотношении размера диагонали пленки или размера сенсора камеры с фокусным расстоянием объектива:

  • Нормальный объектив : угол обзора около 50 ° (называется нормальным, поскольку этот угол считается примерно эквивалентным человеческому зрению) и фокусное расстояние примерно равно диагонали пленки или сенсора.
  • Широкоугольный объектив : угол обзора более 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 , конструкция которого использует специальную группу телеобъективов, которая физически короче его фокусного расстояния.

Современные зум-объективы могут обладать некоторыми или всеми этими атрибутами.

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 материалы с очень низкой светочувствительностью, поэтому время выдержки должно было быть большим даже для очень ярких снимков. По мере совершенствования технологий повышалась и чувствительность пленочных и цифровых фотоаппаратов.

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

Оптика атмосферы

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 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, солнце приобретает красноватый оттенок, когда оно наблюдается через плотную атмосферу, например, во время восхода или заката . Дополнительные твердые частицы в небе могут рассеивать разные цвета под разными углами, создавая красочное сияющее небо в сумерках и на рассвете. Рассеяние кристаллов льда и других частиц в атмосфере является причиной ореолов , послесвечения , корон , лучей солнечного света и солнечных собак . Различия в явлениях такого рода обусловлены разным размером и геометрией частиц.

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, когда солнце, кажется, встает раньше, чем предсказывалось, с искаженной формой. Эффектная форма преломления возникает при инверсии температуры, называемой Фата Моргана, когда объекты на горизонте или даже за горизонтом, такие как острова, скалы, корабли или айсберги, выглядят вытянутыми и приподнятыми, как «сказочные замки».

Радуга - это результат комбинации внутреннего отражения и рассеянного 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 создается 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.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение
  • Родился, Макс; Вольф, Эмиль (2002). Основы 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 .
  • 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 . WH Freeman. 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 .

Внешние ссылки

Соответствующие обсуждения
Учебники и учебные пособия
Модули Викиучебника
дальнейшее чтение
Общества