Optiikka -Optics

Optisen järjestelmän parissa työskentelevä tutkija

Osa sarjasta
Fysiikka
Perustiede
Indeksi Outline Sanasto Historia ( aikajana )
Oksat Akustiikka Astrofysiikka Atomifysiikka Biofysiikka Klassinen fysiikka Sähkömagnetismi Geofysiikka Mekaniikka Moderni fysiikka Ydinfysiikka Optiikka Termodynamiikka
Tutkimus Fyysikko ( lista ) Luettelo fysiikan palkinnoista Lista aikakauslehdistä Lista ratkaisemattomista ongelmista
Fysiikan portaali  Kategoria
v t e

Optiikka on fysiikan haara , joka tutkii valon käyttäytymistä ja ominaisuuksia , mukaan lukien sen vuorovaikutusta aineen kanssa sekä sitä käyttävien tai havaitsevien instrumenttien rakennetta . Optiikka kuvaa yleensä näkyvän , ultravioletti- ja infrapunavalon käyttäytymistä . Koska valo on sähkömagneettista aaltoa , muilla sähkömagneettisen säteilyn muodoilla , kuten röntgensäteillä , mikroaalloilla ja radioaalloilla, on samanlaisia ​​ominaisuuksia.

Useimmat optiset ilmiöt voidaan selittää käyttämällä klassista valon sähkömagneettista kuvausta, mutta täydellisiä valon sähkömagneettisia kuvauksia on usein vaikea soveltaa käytännössä. Käytännön optiikka tehdään yleensä yksinkertaistetuilla malleilla. Yleisin näistä, geometrinen optiikka , käsittelee valoa kokoelmana säteitä , jotka kulkevat suoria linjoja ja taipuvat, kun ne kulkevat pintojen läpi tai heijastavat niistä. Fysikaalinen optiikka on kattavampi valon malli, joka sisältää aaltoilmiöitä , kuten diffraktiota ja häiriötä , joita ei voida ottaa huomioon geometrisessa optiikassa. Historiallisesti kehitettiin ensin säteeseen perustuva valon malli, jota seurasi valon aaltomalli. Sähkömagneettisen teorian edistyminen 1800-luvulla johti havaintoon, että valoaallot olivat itse asiassa sähkömagneettista säteilyä.

Jotkut ilmiöt riippuvat valosta, jolla on sekä aalto- että hiukkasmaisia ​​ominaisuuksia . Näiden vaikutusten selittäminen vaatii kvanttimekaniikkaa . Kun tarkastellaan valon hiukkasmaisia ​​ominaisuuksia, valo mallinnetaan kokoelmaksi hiukkasia, joita kutsutaan " fotoneiksi ". Kvanttioptiikka käsittelee kvanttimekaniikan soveltamista optisiin järjestelmiin.

Optiset tieteet ovat merkityksellisiä ja niitä tutkitaan monilla läheisillä tieteenaloilla, mukaan lukien tähtitiede , erilaiset tekniikan alat, valokuvaus ja lääketiede (erityisesti oftalmologia ja optometria , joissa sitä kutsutaan fysiologiseksi optiikaksi). Optiikan käytännön sovelluksia löytyy erilaisista teknologioista ja jokapäiväisistä esineistä, mukaan lukien peilit , linssit , teleskoopit , mikroskoopit , laserit ja valokuitu .

Historia

Nimrud-objektiivi

Optiikka sai alkunsa muinaisten egyptiläisten ja mesopotamialaisten linssien kehittämisestä . Varhaisimmat tunnetut linssit, jotka on valmistettu kiillotetusta kristallista, usein kvartsista , ovat peräisin jo vuodelta 2000 eKr. Kreetalta ( Heraklionin arkeologinen museo, Kreikka). Rodoksen linssit ovat peräisin noin 700 eKr., samoin kuin assyrialaiset linssit, kuten Nimrud-linssit . Muinaiset roomalaiset ja kreikkalaiset täyttivät lasipalloja vedellä linssien valmistamiseksi. Näitä käytännön kehityskulkuja seurasivat muinaisten kreikkalaisten ja intialaisten filosofien valo- ja näköteorioiden kehittäminen sekä geometrisen optiikan kehitys kreikkalais -roomalaisessa maailmassa . Sana optiikka tulee antiikin kreikan sanasta ὀπτική ( optikē ), joka tarkoittaa "ulkonäköä, ilmettä".

Kreikkalainen optiikkafilosofia jakautui kahteen vastakkaiseen teoriaan näön toiminnasta, intromission- ja emissioteoriaan . Intromission lähestymistapa näki näön tulevan esineistä, jotka luovat itsestään kopioita (kutsutaan eidolaksi), jotka silmä vangitsi. Monet levittäjät, mukaan lukien Demokritos , Epikuros , Aristoteles ja heidän seuraajansa, tällä teorialla näyttää olevan jossain määrin yhteydessä nykyaikaisiin teorioihin siitä, mitä visio todella on, mutta se jäi vain spekulaatioksi, jolta puuttui kokeellinen perusta.

Platon ilmaisi ensin emissioteorian, ajatuksen siitä, että visuaalinen havainto saadaan aikaan silmien lähettämien säteiden avulla. Hän kommentoi myös peilien pariteetin kääntymistä Timaiuksessa . Muutama sata vuotta myöhemmin Eukleides (4.–3. vuosisata eKr.) kirjoitti opinnäytetyön nimeltä Optiikka , jossa hän yhdisti näön geometriaan ja loi geometrisen optiikan . Hän perusti työnsä Platonin emissioteoriaan, jossa hän kuvasi perspektiivin matemaattisia sääntöjä ja kuvasi taittumisen vaikutuksia kvalitatiivisesti, vaikka hän kyseenalaistikin, että silmästä tuleva valonsäde voisi välittömästi sytyttää tähdet joka kerta, kun joku räpäyttää. Euclid esitti valon lyhimmän lentoradan periaatteen ja tarkasteli useita heijastuksia litteissä ja pallomaisissa peileissä. Ptolemaios väitteli tutkielmassaan Optics näön ekstramissio-intromission-teorian: silmän säteet (tai vuo) muodostivat kartion, jonka kärki oli silmän sisällä ja kanta määrittää näkökentän. Säteet olivat herkkiä ja välittivät tietoa takaisin havainnoijan älylle pintojen etäisyydestä ja suunnasta. Hän teki yhteenvedon suuresta osasta Eukleidesta ja jatkoi kuvailemalla tapaa mitata taitekulma , vaikka hän ei huomannut sen ja tulokulman välistä empiiristä suhdetta. Plutarch (1.–2. vuosisata jKr.) kuvaili useita heijastuksia pallomaisissa peileissä ja keskusteli suurennettujen ja pienennettyjen kuvien luomisesta, sekä todellisista että kuvitteellisista, mukaan lukien kuvien kiraalisuuden tapaus.

Ibn Sahlin käsikirjoituksen sivun jäljennös , joka osoittaa hänen tietämyksensä taittumislaista

Keskiajalla muslimimaailman kirjailijat herättivät henkiin ja laajensivat kreikkalaisia ​​ajatuksia optiikasta . Yksi varhaisimmista näistä oli Al-Kindi (n. 801–873), joka kirjoitti aristotelilaisten ja euklidisten optiikka-ideoiden ansioista suosien emissioteoriaa, koska se pystyi kvantifioida paremmin optisia ilmiöitä. Vuonna 984 persialainen matemaatikko Ibn Sahl kirjoitti tutkielman "Pileiden ja linssien palamisesta", joka kuvasi oikein Snellin lakia vastaavan taittumislain. Hän käytti tätä lakia laskeakseen linssien ja kaarevien peilien optimaaliset muodot . 1000-luvun alussa Alhazen (Ibn al-Haytham) kirjoitti Optiikan kirjan ( Kitab al-manazir ), jossa hän tutki heijastusta ja taittumista ja ehdotti uutta järjestelmää näön ja valon selittämiseksi havainnoinnin ja kokeen perusteella. Hän hylkäsi Ptolemaioksen optiikan "emissioteorian", jonka säteet säteilevät silmästä, ja esitti sen sijaan ajatuksen, että valo heijastuu kaikkiin suuntiin suorina linjoina katseltavien kohteiden kaikista kohdista ja meni sitten silmään, vaikka hän ei pystynyt selittämään oikein, kuinka silmä vangitsi säteet. Alhazenin työ jätettiin suurelta osin huomiotta arabialaisessa maailmassa, mutta se käännettiin nimettömästi latinaksi noin 1200 jKr., ja puolalainen munkki Witelo teki siitä edelleen yhteenvedon ja laajensi sitä tehden siitä vakiotekstin optiikkaa Euroopassa seuraavien 400 vuoden ajan.

1200-luvulla keskiaikaisessa Euroopassa englantilainen piispa Robert Grosseteste kirjoitti lukuisista tieteellisistä aiheista ja käsitteli valoa neljästä eri näkökulmasta: valon epistemologia , valon metafysiikka tai kosmogonia , valon etiologia tai fysiikka ja valoteologia , joka perustuu Aristoteleen ja platonismin teoksiin. Grossetesten tunnetuin opetuslapsi Roger Bacon kirjoitti teoksia, joissa viitattiin laajaan valikoimaan äskettäin käännettyjä optisia ja filosofisia teoksia, mukaan lukien Alhazenin, Aristoteleen, Avicennan , Averroesin , Eukleideen, al-Kindin, Ptolemaioksen, Tideuksen ja Konstantinus Afrikkalaisen teoksia . Bacon pystyi käyttämään lasipallojen osia suurennuslaseina osoittamaan , että valo heijastuu esineistä sen sijaan, että se vapautuisi niistä.

Ensimmäiset käytettävät silmälasit keksittiin Italiassa noin vuonna 1286. Tästä alkoi näiden "lasien" linssien hionta- ja kiillotusteollisuus ensin Venetsiassa ja Firenzessä 1300-luvulla ja myöhemmin silmälasien valmistuskeskuksissa molemmissa Hollanti ja Saksa. Silmälasien valmistajat loivat parannettuja linssityyppejä näön korjaamiseen perustuen enemmän linssien vaikutusten havainnoinnista saatuun empiiriseen tietoon sen sijaan, että käyttivät päivän alkeellista optista teoriaa (teoria, joka ei suurimmaksi osaksi pystynyt edes riittävästi selittämään silmälasien toimintaa ). Tämä linssien käytännöllinen kehitys, hallinta ja kokeilu johtivat suoraan optisen yhdistemikroskoopin keksimiseen noin vuonna 1595 ja taittavaan teleskooppiin vuonna 1608, jotka molemmat ilmestyivät Alankomaiden silmälasien valmistuskeskuksiin.

Johannes Keplerin ensimmäinen optiikkaa käsittelevä tutkielma , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

Newton's Opticksin (1704) ensimmäisen painoksen kansi

Levy optisilla laitteilla, 1728 Cyclopaedia

1600-luvun alussa Johannes Kepler laajensi kirjoituksissaan geometrista optiikkaa, linssien peittämistä, tasaisten ja kaarevien peilien heijastusta, neulanreikäkameroiden periaatteita, valon voimakkuutta säätelevää käänteisen neliön lakia ja tähtitieteellisten ilmiöiden optisia selityksiä, kuten kuten kuun- ja auringonpimennykset ja tähtitieteelliset parallaksit . Hän pystyi myös päättelemään oikein verkkokalvon roolin todellisena elimenä, joka tallensi kuvia, ja pystyi lopulta tieteellisesti kvantifioimaan erityyppisten linssien vaikutukset, joita silmälasien valmistajat olivat havainneet viimeisten 300 vuoden aikana. Teleskoopin keksimisen jälkeen Kepler esitti teoreettisen perustan niiden työskentelylle ja kuvasi parannetun version, joka tunnetaan nimellä Keplerian- teleskooppi , jossa käytetään kahta kuperaa linssiä suuremman suurennuksen aikaansaamiseksi.

Optinen teoria eteni 1600-luvun puolivälissä filosofi René Descartesin kirjoittamien tutkielmien myötä , jotka selittivät erilaisia ​​optisia ilmiöitä, mukaan lukien heijastuksen ja taittumisen, olettaen, että valoa säteilevät sitä tuottaneet esineet. Tämä erosi olennaisesti antiikin Kreikan päästöteoriasta. 1660-luvun lopulla ja 1670-luvun alussa Isaac Newton laajensi Descartesin ajatuksia valon korpuskkeliteoriaksi ja määritti tunnetusti, että valkoinen valo oli sekoitus värejä, jotka voidaan erottaa sen osiin prismalla . Vuonna 1690 Christiaan Huygens ehdotti valolle aaltoteoriaa, joka perustui Robert Hooken vuonna 1664 tekemiin ehdotuksiin. Hooke itse kritisoi julkisesti Newtonin valoteorioita ja näiden kahden välinen riita kesti Hooken kuolemaan asti. Vuonna 1704 Newton julkaisi Opticks-teoksen , ja tuolloin häntä pidettiin yleisesti voittajana valon luonteesta käytävässä keskustelussa, osittain hänen menestyksensä muilla fysiikan aloilla.

Newtonilainen optiikka hyväksyttiin yleisesti 1800-luvun alkuun asti, jolloin Thomas Young ja Augustin-Jean Fresnel suorittivat kokeita valon interferenssistä , joka vahvisti valon aaltoluonteen. Youngin kuuluisa kaksoisrakokoe osoitti, että valo seurasi superpositioperiaatetta , joka on aaltomainen ominaisuus, jota Newtonin verisoluteoria ei ennustanut. Tämä työ johti valon diffraktioteoriaan ja avasi kokonaisen fyysisen optiikan tutkimusalueen. James Clerk Maxwell yhdisti aaltooptiikan onnistuneesti sähkömagneettisen teorian kanssa 1860-luvulla.

Seuraava kehitys optisessa teoriassa tapahtui vuonna 1899, kun Max Planck mallinsi oikein mustan kappaleen säteilyn olettaen, että energian vaihto valon ja aineen välillä tapahtui vain erillisiä määriä, joita hän kutsui kvantteiksi . Albert Einstein julkaisi vuonna 1905 teorian valosähköisestä efektistä , joka vahvisti lujasti itse valon kvantisoinnin. Vuonna 1913 Niels Bohr osoitti, että atomit pystyivät emittoimaan vain erillisiä määriä energiaa, mikä selittää emissio- ja absorptiospektreissä havaitut erilliset viivat . Näistä kehityksestä seurannut valon ja aineen vuorovaikutuksen ymmärtäminen ei muodostanut pelkästään kvanttioptiikan perustaa, vaan se oli myös ratkaisevaa koko kvanttimekaniikan kehitykselle . Lopullinen huipentuma, kvanttielektrodynamiikan teoria , selittää kaiken optiikan ja sähkömagneettiset prosessit yleensä todellisten ja virtuaalisten fotonien vaihdon tuloksena . Kvanttioptiikalle tuli käytännöllinen merkitys vuonna 1953 tehdyn maserin ja vuonna 1960 laserin keksimisen myötä.

Paul Diracin kvanttikenttäteorian työn jälkeen George Sudarshan , Roy J. Glauber ja Leonard Mandel sovelsivat kvanttiteoriaa sähkömagneettiseen kenttään 1950- ja 1960-luvuilla saadakseen yksityiskohtaisemman käsityksen valon havaitsemisesta ja tilastoista .

Klassinen optiikka

Klassinen optiikka on jaettu kahteen päähaaraan: geometriseen (tai säde)optiikkaan ja fyysiseen (tai aalto)optiikkaan. Geometrisessa optiikassa valon katsotaan kulkevan suoria linjoja, kun taas fysikaalisessa optiikassa valoa pidetään sähkömagneettisena aaltona.

Geometrinen optiikka voidaan nähdä fysikaalisen optiikan approksimaationa, joka pätee, kun käytettävän valon aallonpituus on paljon pienempi kuin mallinnettavan järjestelmän optisten elementtien koko.

Geometrinen optiikka

Valosäteiden heijastuksen ja taittumisen geometria

Geometrinen optiikka tai sädeoptiikka kuvaa valon etenemistä "säteinä", jotka kulkevat suorina linjoina ja joiden kulkureittejä säätelevät heijastuksen ja taittumisen lait eri välineiden rajapinnoilla. Nämä lait löydettiin empiirisesti jo vuonna 984 jKr., ja niitä on käytetty optisten komponenttien ja instrumenttien suunnittelussa siitä lähtien tähän päivään asti. Ne voidaan tiivistää seuraavasti:

Kun valonsäde osuu kahden läpinäkyvän materiaalin väliseen rajaan, se jakautuu heijastuneeseen ja taittuneeseen säteeseen.

Heijastuslaki sanoo, että heijastunut säde on tulotasossa ja heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma.

Taittumislaki sanoo, että taittunut säde on tulotasossa, ja tulokulman sini jaettuna taittumiskulman sinillä on vakio:

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

missä n on vakio kahdelle materiaalille ja tietylle valon värille. Jos ensimmäinen materiaali on ilmaa tai tyhjiötä, n on toisen materiaalin taitekerroin .

Heijastumisen ja taittumisen lait voidaan johtaa Fermatin periaatteesta , jonka mukaan valonsäteen kahden pisteen välillä kulkema polku on polku, joka voidaan kulkea vähimmässä ajassa.

Arvioita

Geometristä optiikkaa yksinkertaistetaan usein tekemällä paraksiaalinen approksimaatio tai "pienen kulman approksimaatio". Matemaattinen käyttäytyminen muuttuu sitten lineaariseksi, mikä mahdollistaa optisten komponenttien ja järjestelmien kuvaamisen yksinkertaisilla matriiseilla. Tämä johtaa Gaussin optiikan ja paraksiaalisen säteen jäljityksen tekniikoihin , joita käytetään optisten järjestelmien perusominaisuuksien, kuten likimääräisten kuvien ja objektien sijainnin ja suurennusten löytämiseen .

Heijastuksia

Kaavio peiliheijastuksesta

Heijastukset voidaan jakaa kahteen tyyppiin: peiliheijastus ja diffuusi heijastus . Spekulaarinen heijastus kuvaa pintojen, kuten peilien, kiiltoa, jotka heijastavat valoa yksinkertaisella, ennustettavalla tavalla. Tämä mahdollistaa heijastuneiden kuvien tuotannon, jotka voidaan liittää todelliseen ( todelliseen ) tai ekstrapoloituun ( virtuaaliseen ) sijaintiin avaruudessa. Diffuusi heijastus kuvaa ei-kiiltäviä materiaaleja, kuten paperia tai kiveä. Näiltä pinnoilta tulevat heijastukset voidaan kuvata vain tilastollisesti, jolloin heijastuneen valon tarkka jakautuminen riippuu materiaalin mikroskooppisesta rakenteesta. Monia hajaheijastimia kuvataan tai voidaan arvioida Lambertin kosinilain avulla , joka kuvaa pintoja, joilla on sama luminanssi katsottuna mistä tahansa kulmasta. Kiiltävät pinnat voivat heijastaa sekä heijastavia että hajaheijastuksia.

Peilausheijastuksessa heijastuneen säteen suunta määräytyy kulman perusteella, jonka tuleva säde muodostaa pinnan kanssa normaaliin eli pintaan nähden kohtisuoraan viivaan kohdassa, jossa säde osuu. Tuleva ja heijastunut säde ja normaali sijaitsevat yhdessä tasossa, ja heijastuneen säteen ja pintanormaalin välinen kulma on sama kuin tulevan säteen ja normaalin välinen kulma. Tämä tunnetaan heijastuslakina .

Tasaisissa peileissä heijastuslaki tarkoittaa, että esineiden kuvat ovat pystysuorassa ja samalla etäisyydellä peilin takana kuin esineet ovat peilin edessä. Kuvan koko on sama kuin kohteen koko. Laki viittaa myös siihen, että peilikuvat ovat pariteetin käänteisiä, minkä näemme vasen-oikea-inversiona. Kuvat, jotka on muodostettu heijastuksesta kahdessa (tai missä tahansa parillisessa määrässä) peilissä, eivät ole pariteettikäänteisiä. Kulmaheijastimet tuottavat heijastuneita säteitä, jotka kulkevat takaisin siihen suuntaan, josta tulevat säteet tulivat. Tätä kutsutaan takaisinheijastukseksi .

Kaarevapintaisia ​​peilejä voidaan mallintaa sädejäljityksellä ja heijastuslakia käyttämällä jokaisessa pinnan pisteessä. Peileissä , joissa on paraboliset pinnat , peiliin kohdistuvat yhdensuuntaiset säteet tuottavat heijastuneita säteitä, jotka yhtyvät yhteiseen fokukseen . Myös muut kaarevat pinnat voivat kohdistaa valoa, mutta poikkeavuuksista johtuen poikkeavuuksista, jotka aiheuttavat tarkennuksen tahriintumista avaruudessa. Erityisesti pallomaisissa peileissä on pallomaista poikkeamaa . Kaarevat peilit voivat muodostaa kuvia, joiden suurennus on suurempi tai pienempi kuin yksi, ja suurennus voi olla negatiivinen, mikä osoittaa, että kuva on käänteinen. Peilistä heijastumalla muodostuva pystykuva on aina virtuaalinen, kun taas käänteinen kuva on todellinen ja se voidaan projisoida valkokankaalle.

Taittumat

Esimerkki Snellin laista tapaukselle n ₁ < n ₂ , kuten ilma/vesi-rajapinta

Taittuminen tapahtuu, kun valo kulkee avaruuden alueen läpi, jolla on muuttuva taitekerroin; Tämä periaate mahdollistaa linssien ja valon tarkennuksen. Yksinkertaisin taittumistapaus tapahtuu, kun tasaisen taitekerroin omaavan väliaineen ja toisen taitekerroin omaavan väliaineen välillä on rajapinta . Tällaisissa tilanteissa Snellin laki kuvaa valonsäteen seurauksena olevan taipuman: ${\näyttötyyli n_{1}}$${\displaystyle n_{2}}$

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ }$

missä ja ovat kulmat normaalin (rajapinnan) ja tulevan ja taittuneen aallon välillä, vastaavasti. ${\displaystyle \theta _{1}}$${\displaystyle \theta _{2}}$

Väliaineen taitekerroin on suhteessa valon nopeuteen v siinä väliaineessa

${\displaystyle n=c/v}$,

missä c on valon nopeus tyhjiössä .

Snellin lakia voidaan käyttää ennustamaan valonsäteiden taipumista niiden kulkiessa lineaarisen väliaineen läpi, kunhan taitekertoimet ja väliaineen geometria tunnetaan. Esimerkiksi valon eteneminen prisman läpi johtaa valonsäteen taipumiseen prisman muodosta ja suunnasta riippuen. Useimmissa materiaaleissa taitekerroin vaihtelee valon taajuuden mukaan. Kun tämä otetaan huomioon, Snellin lakia voidaan käyttää ennustamaan, kuinka prisma hajottaa valon spektriin. Tämän ilmiön löytäminen, kun valo kuljetetaan prisman läpi, johtuu tunnetusti Isaac Newtonista.

Joillakin väliaineilla on taitekerroin, joka vaihtelee asteittain sijainnin mukaan, ja siksi väliaineessa olevat valonsäteet ovat kaarevia. Tämä vaikutus on vastuussa kuumina päivinä näkevistä mirageista : taiteilman taitekertoimen muutos korkeuden mukaan saa valonsäteet taipumaan, mikä luo heijastumien heijastuksia kaukaa (ikään kuin vesialtaan pinnalla). Optisia materiaaleja, joilla on vaihtelevat taitekertoimet, kutsutaan gradienttiindeksimateriaaleiksi (GRIN). Tällaisia ​​materiaaleja käytetään gradienttiindeksioptiikan valmistukseen .

Kun valonsäteet kulkevat materiaalista, jolla on korkea taitekerroin, materiaaliin, jolla on pieni taitekerroin, Snellin laki ennustaa, ettei ole olemassa milloin on suuri. Tässä tapauksessa siirtoa ei tapahdu; kaikki valo heijastuu. Tätä ilmiötä kutsutaan täydelliseksi sisäiseksi heijastukseksi ja se mahdollistaa kuituoptiikan. Kun valo kulkee alas optista kuitua pitkin, se heijastuu täydellisesti sisäisesti, mikä mahdollistaa valon häviämisen kaapelin pituudella. ${\displaystyle \theta _{2}}$${\displaystyle \theta _{1}}$

Linssit

Suppeutuvan linssin säteenjäljityskaavio

Laitetta, joka tuottaa suppenevia tai hajaantuvia valonsäteitä taittumisen vuoksi, kutsutaan linssiksi . Linsseille on tunnusomaista niiden polttoväli : suppenevalla linssillä on positiivinen polttoväli, kun taas hajaantuvalla linssillä on negatiivinen polttoväli. Pienempi polttoväli osoittaa, että objektiivilla on voimakkaampi suppeneva tai hajoava vaikutus. Yksinkertaisen linssin polttoväli ilmassa saadaan linssinvalmistajan yhtälöstä .

Säteenseurantaa voidaan käyttää osoittamaan, miten linssi muodostaa kuvat. Ohuelle linssille ilmassa kuvan sijainti saadaan yksinkertaisella yhtälöllä

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

missä on etäisyys kohteesta objektiiviin, on etäisyys linssistä kuvaan ja on linssin polttoväli. Tässä käytetyssä merkkikäytännössä kohteen ja kuvan etäisyydet ovat positiivisia , jos kohde ja kuva ovat linssin vastakkaisilla puolilla. ${\displaystyle S_{1}}$${\displaystyle S_{2}}$${\displaystyle f}$

Saapuvat yhdensuuntaiset säteet tarkennetaan suppenevalla linssillä kohteeseen, joka on yhden polttovälin päässä linssistä, linssin toisella puolella. Tätä kutsutaan objektiivin takapolttopisteeksi. Äärillisellä etäisyydellä olevan kohteen säteet tarkentuvat linssistä kauemmas kuin polttoväli; mitä lähempänä kohde on linssiä, sitä kauempana kuva on linssistä.

Hajaantuvilla linsseillä saapuvat yhdensuuntaiset säteet hajaantuvat linssin läpi mentyään siten, että ne näyttävät syntyneen kohdasta, joka on yksi polttoväli linssin edessä. Tämä on objektiivin etupolttopiste. Äärillisellä etäisyydellä olevasta kohteesta lähtevät säteet liittyvät virtuaalikuvaan, joka on lähempänä linssiä kuin polttopiste ja samalla puolella linssiä kuin kohde. Mitä lähempänä objekti on linssiä, sitä lähempänä virtuaalikuva on linssiä. Kuten peilien kohdalla, yhden linssin tuottamat pystykuvat ovat virtuaalisia, kun taas käänteiset kuvat ovat todellisia.

Linssit kärsivät aberraatioista , jotka vääristävät kuvaa. Monokromaattisia poikkeavuuksia esiintyy, koska linssin geometria ei kohdista täydellisesti säteitä jokaisesta kohdepisteestä yhteen kuvan pisteeseen, kun taas kromaattista aberraatiota ilmenee, koska linssin taitekerroin vaihtelee valon aallonpituuden mukaan.

Kuvat mustista kirjaimista ohuessa kuperassa linssissä, jonka polttoväli on f,   näytetään punaisena. Valitut säteet näkyvät kirjaimille E , I ja K sinisenä, vihreänä ja oranssina. Huomaa, että E:llä (kohdassa 2 f ) on samankokoinen, todellinen ja käänteinen kuva; I (pisteessä f ) on sen kuva äärettömässä; ja K ( f /2):ssa on kaksinkertainen, virtuaalinen ja pystysuora kuva.

Fyysinen optiikka

Fyysisessä optiikassa valon katsotaan etenevän aaltoina. Tämä malli ennustaa ilmiöitä, kuten häiriötä ja diffraktiota, joita geometrinen optiikka ei selitä. Valon aaltojen nopeus ilmassa on noin 3,0×10 ⁸  m/s (tyhjiössä tasan 299 792 458 m/s ) . Näkyvän valon aallonpituus vaihtelee välillä 400-700 nm, mutta termiä "valo" käytetään usein myös infrapuna- (0,7-300 μm) ja ultraviolettisäteilyyn (10-400 nm) .

Aaltomallin avulla voidaan tehdä ennusteita siitä, kuinka optinen järjestelmä käyttäytyy ilman, että vaaditaan selitystä siitä, mikä "heiluttaa" missä väliaineessa. 1800-luvun puoliväliin asti useimmat fyysikot uskoivat "eetteriin", jossa valohäiriö levisi. Sähkömagneettisten aaltojen olemassaolo ennustettiin vuonna 1865 Maxwellin yhtälöillä . Nämä aallot etenevät valon nopeudella ja niillä on vaihtelevia sähkö- ja magneettikenttiä, jotka ovat ortogonaalisia toisiinsa ja myös aaltojen etenemissuuntaan nähden. Valoaaltoja käsitellään nykyään yleisesti sähkömagneettisina aaltoina paitsi silloin, kun kvanttimekaaniset vaikutukset on otettava huomioon.

Optisten järjestelmien mallinnus ja suunnittelu fysikaalisella optiikalla

Optisten järjestelmien analysointiin ja suunnitteluun on saatavilla monia yksinkertaistettuja approksimaatioita. Useimmat niistä käyttävät yhtä skalaarisuuretta edustamaan valoaallon sähkökenttää sen sijaan, että käyttäisivät vektorimallia, jossa on ortogonaalisia sähkö- ja magneettivektoreita. Huygens –Fresnel -yhtälö on yksi tällainen malli. Fresnel johti tämän empiirisesti vuonna 1815, perustuen Huygensin hypoteesiin, jonka mukaan jokainen aaltorintaman piste synnyttää toissijaisen pallomaisen aaltorintaman, jonka Fresnel yhdisti aaltojen superpositioperiaatteeseen . Kirchhoffin diffraktioyhtälö , joka johdetaan Maxwellin yhtälöillä, asettaa Huygens-Fresnel-yhtälön vahvemmalle fyysiselle perustalle. Esimerkkejä Huygens–Fresnel-periaatteen soveltamisesta löytyy diffraktiota ja Fraunhofer-diffraktiota käsittelevistä artikkeleista .

Tarkempia malleja, joissa mallinnetaan sekä valoaallon sähkö- että magneettikenttiä, tarvitaan käsiteltäessä materiaaleja, joiden sähköiset ja magneettiset ominaisuudet vaikuttavat valon vuorovaikutukseen materiaalin kanssa. Esimerkiksi metallipinnan kanssa vuorovaikutuksessa olevan valoaallon käyttäytyminen on aivan erilaista kuin se, joka tapahtuu, kun se on vuorovaikutuksessa dielektrisen materiaalin kanssa. Polarisoidun valon mallintamiseen on käytettävä myös vektorimallia.

Numeerisia mallinnustekniikoita , kuten elementtimenetelmää , rajaelementtimenetelmää ja siirtolinjamatriisimenetelmää voidaan käyttää valon etenemisen mallintamiseen järjestelmissä, joita ei voida ratkaista analyyttisesti. Tällaiset mallit ovat laskennallisesti vaativia ja niitä käytetään yleensä vain pienimuotoisten ongelmien ratkaisemiseen, jotka vaativat tarkkuutta, joka on suurempi kuin mitä analyyttisilla ratkaisuilla voidaan saavuttaa.

Kaikki geometrisen optiikan tulokset voidaan palauttaa käyttämällä Fourier - optiikan tekniikoita , jotka soveltavat monia samoja matemaattisia ja analyyttisiä tekniikoita , joita käytetään akustisessa suunnittelussa ja signaalinkäsittelyssä .

Gaussin säteen eteneminen on yksinkertainen paraksiaalinen fyysinen optiikkamalli koherentin säteilyn, kuten lasersäteiden, etenemiseen. Tämä tekniikka ottaa osittain huomioon diffraktion, mikä mahdollistaa tarkat laskelmat nopeudesta, jolla lasersäde laajenee etäisyyden mukaan, ja vähimmäiskoon, johon säde voidaan tarkentaa. Gaussin säteen eteneminen muodostaa siten sillan geometrisen ja fyysisen optiikan välillä.

Superpositio ja interferenssi

Epälineaaristen vaikutusten puuttuessa superpositioperiaatetta voidaan käyttää vuorovaikutteisten aaltomuotojen muodon ennustamiseen yksinkertaisesti lisäämällä häiriöitä. Tätä aaltojen vuorovaikutusta tuloksena olevan kuvion tuottamiseksi kutsutaan yleisesti "häiriöksi", ja se voi johtaa erilaisiin tuloksiin. Jos kaksi aaltoa, joilla on sama aallonpituus ja -taajuus ovat samassa vaiheessa , sekä aallonharjat että aallonpohjat ovat kohdakkain. Tämä johtaa rakentaviin häiriöihin ja aallon amplitudin kasvuun, mikä valolle liittyy aaltomuodon kirkastumiseen kyseisessä paikassa. Vaihtoehtoisesti, jos kaksi saman aallonpituuden ja -taajuuden omaavaa aaltoa ovat eri vaiheissa, aallonharjat ovat kohdakkain aallonpohjan kanssa ja päinvastoin. Tämä johtaa tuhoaviin häiriöihin ja aallon amplitudin pienenemiseen, mikä valolle liittyy aaltomuodon himmenemiseen kyseisessä paikassa. Katso alta kuva tästä vaikutuksesta.

yhdistetty aaltomuoto
aalto 1
aalto 2
	Kaksi aaltoa vaiheessa	Kaksi aaltoa 180° epävaiheessa

Kun öljyä tai polttoainetta roiskuu, ohutkalvon häiriöstä muodostuu värikkäitä kuvioita.

Koska Huygens–Fresnel-periaate sanoo, että aaltorintaman jokainen piste liittyy uuden häiriön tuottamiseen, on mahdollista, että aaltorintama häiritsee itseään rakentavasti tai tuhoavasti eri paikoissa tuottaen kirkkaita ja tummia hapsuja säännöllisissä ja ennustettavissa olevissa kuvioissa. Interferometria on tiedettä näiden kuvioiden mittaamisesta, tavallisesti keinona tehdä tarkkoja etäisyyksiä tai kulmaresoluutioita . Michelsonin interferometri oli kuuluisa instrumentti, joka mittaa valon nopeuden tarkasti häiriöefekteillä.

Ohutkalvojen ja pinnoitteiden ulkonäköön vaikuttavat suoraan häiriövaikutukset. Heijastamattomat pinnoitteet käyttävät tuhoavia häiriöitä vähentämään pinnoitettujen pintojen heijastavuutta, ja niitä voidaan käyttää minimoimaan häikäisyä ja ei-toivottuja heijastuksia. Yksinkertaisin tapaus on yksi kerros, jonka paksuus on neljäsosa tulevan valon aallonpituudesta. Heijastunut aalto kalvon yläosasta ja heijastunut aalto kalvon ja materiaalin rajapinnasta ovat tällöin täsmälleen 180° epävaiheessa, mikä aiheuttaa tuhoisia häiriöitä. Aallot ovat täsmälleen eri vaiheissa vain yhdellä aallonpituudella, joka tyypillisesti valitaan lähelle näkyvän spektrin keskustaa, noin 550 nm. Monimutkaisemmilla rakenteilla, joissa käytetään useita kerroksia, voidaan saavuttaa alhainen heijastavuus laajalla kaistalla tai erittäin alhainen heijastavuus yhdellä aallonpituudella.

Rakentavat häiriöt ohuissa kalvoissa voivat luoda voimakkaan valon heijastuksen eri aallonpituuksilla, jotka voivat olla kapeat tai leveät pinnoitteen suunnittelusta riippuen. Näistä kalvoista valmistetaan dielektrisiä peilejä , häiriösuodattimia , lämpöheijastimia ja suodattimia värien erottamiseen väritelevisiokameroissa . Tämä häiriövaikutus aiheuttaa myös öljylautoissa näkyvät värikkäät sateenkaarikuviot.

Diffraktio ja optinen resoluutio

Diffraktio kahdessa etäisyyden erottamassa raossa . Kirkkaat hapsut esiintyvät linjoilla, joissa mustat viivat leikkaavat mustia viivoja ja valkoiset viivat leikkaavat valkoisia viivoja. Nämä hapsut on erotettu kulmalla ja numeroitu järjestyksen mukaan .${\näyttötyyli d}$${\displaystyle \theta }$${\näyttötyyli n}$

Diffraktio on prosessi, jolla valon häiriötä havaitaan yleisimmin. Tämän vaikutuksen kuvaili ensimmäisen kerran vuonna 1665 Francesco Maria Grimaldi , joka myös loi termin latinan sanasta difffringere "murtua palasiksi". Myöhemmin samalla vuosisadalla Robert Hooke ja Isaac Newton kuvasivat myös ilmiöitä, joiden tiedetään nykyään olevan diffraktiota Newtonin renkaissa, kun taas James Gregory kirjasi havaintojaan lintujen höyhenistä saaduista diffraktiokuvioita.

Ensimmäisen fyysisen optisen diffraktiomallin, joka perustui Huygens–Fresnel-periaatteeseen, Thomas Young kehitti vuonna 1803 interferenssikokeissaan kahden lähekkäin olevan raon interferenssikuvioilla. Young osoitti, että hänen tulokset voidaan selittää vain, jos kaksi rakoa toimisivat kahtena ainutlaatuisena aaltolähteenä pikemminkin kuin verisoluina. Vuosina 1815 ja 1818 Augustin-Jean Fresnel vahvisti lujasti matematiikan siitä, kuinka aaltohäiriöt voivat selittää diffraktiota.

Yksinkertaisimmissa fysikaalisissa diffraktiomalleissa käytetään yhtälöitä, jotka kuvaavat vaalean ja tumman reunan kulmaerottelua tietyn aallonpituuden (λ) valon vuoksi. Yleensä yhtälö saa muodon

${\displaystyle m\lambda =d\sin \theta }$

missä on kahden aaltorintaman lähteen välinen ero (Youngin kokeissa se oli kaksi rakoa ), on kulmaero keskireunan ja : nnen kertaluvun reunan välillä, jossa keskimaksimi on . ${\näyttötyyli d}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle m}$${\displaystyle m=0}$

Tätä yhtälöä on muokattu hieman erilaisten tilanteiden huomioon ottamiseksi, kuten diffraktio yhden raon läpi, diffraktio useiden rakojen läpi tai diffraktio diffraktiohilan kautta, joka sisältää suuren määrän rakoja tasaisin välimatkoin. Monimutkaisemmat diffraktiomallit vaativat työskentelyä Fresnel- tai Fraunhofer-diffraktion matematiikan kanssa.

Röntgendiffraktiossa hyödynnetään sitä tosiasiaa, että kiteen atomeilla on säännöllinen etäisyys etäisyyksillä, jotka ovat yhden angströmin luokkaa . Diffraktiokuvioiden näkemiseksi kiteen läpi johdetaan röntgensäteitä, joiden aallonpituudet ovat samanlaiset kuin kyseisellä etäisyydellä. Koska kiteet ovat kolmiulotteisia esineitä pikemminkin kuin kaksiulotteisia hiloja, niihin liittyvä diffraktiokuvio vaihtelee kahteen suuntaan Braggin heijastuksen mukaan , ja niihin liittyvät kirkkaat täplät esiintyvät ainutlaatuisissa kuvioissa ja ovat kaksi kertaa atomien väliset etäisyydet. ${\näyttötyyli d}$

Diffraktiovaikutukset rajoittavat optisen ilmaisimen kykyä erottaa optisesti erillisiä valonlähteitä. Yleensä valo, joka kulkee aukon läpi, kokee diffraktiota ja parhaat kuvat, jotka voidaan luoda (kuten on kuvattu diffraktiorajoitteisessa optiikassa ), näkyvät keskeisenä täplänä ympäröivinä kirkkaine renkaineen, joita erottavat tummat nollakohdat. tämä kuvio tunnetaan Airy-kuviona ja keskikirkas keila Airy-levynä . Tällaisen levyn koon antaa

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

missä θ on kulmaresoluutio, λ on valon aallonpituus ja D on linssin aukon halkaisija . Jos kahden pisteen kulmaero on huomattavasti pienempi kuin Airy-levyn kulmasäde, niin kahta pistettä ei voida ratkaista kuvassa, mutta jos niiden kulmaero on paljon suurempi kuin tämä, muodostuu kahdesta pisteestä erilliset kuvat ja ne voidaan siis ratkaista. Rayleigh määritteli jokseenkin mielivaltaisen " Rayleigh-kriteerin ", jonka mukaan kaksi pistettä, joiden kulmaero on yhtä suuri kuin Airy-levyn säde (mitattu ensimmäiseen nollaan, eli ensimmäiseen paikkaan, jossa valoa ei näy), voidaan katsoa ratkaistaviksi. Voidaan nähdä, että mitä suurempi objektiivin tai sen aukon halkaisija, sitä hienompi resoluutio. Interferometria , jolla on kyky jäljitellä erittäin suuria perusviivaaukkoja, mahdollistaa suurimman mahdollisen kulmaresoluution.

Tähtitieteellisessä kuvantamisessa ilmakehä estää optimaalisen resoluution saavuttamisen näkyvässä spektrissä ilmakehän sironnan ja dispersion vuoksi, jotka saavat tähdet tuikkimaan . Tähtitieteilijät kutsuvat tätä vaikutusta tähtitieteellisen näkemisen laaduksi . Mukautuvana optiikkana tunnettuja tekniikoita on käytetty poistamaan kuvien ilmakehän häiriöitä ja saavuttamaan diffraktiorajaa lähestyviä tuloksia.

Dispersio ja sironta

Käsitteellinen animaatio valon hajoamisesta prisman läpi. Suuritaajuinen (sininen) valo poikkeaa eniten ja matalataajuinen (punainen) vähiten.

Fyysisen optiikan rajalla, jossa valon aallonpituus on samanlainen kuin muilla etäisyyksillä, tapahtuu taittoprosessit eräänlaisena sirontana. Yksinkertaisin sirontatyyppi on Thomson-sironta , joka syntyy, kun yksittäiset hiukkaset taivuttavat sähkömagneettisia aaltoja. Thomson-sirontarajalla, jossa valon aaltomainen luonne on ilmeinen, valo hajaantuu taajuudesta riippumatta, toisin kuin Compton-sironta , joka on taajuudesta riippuvainen ja tiukasti kvanttimekaaninen prosessi, johon liittyy valon luonne hiukkasina. Tilastollisessa mielessä valon elastinen sironta useilla hiukkasilla, jotka ovat paljon pienempiä kuin valon aallonpituus, on prosessi, joka tunnetaan nimellä Rayleigh-sironta , kun taas samanlainen prosessi, jossa sirotaan hiukkasia, jotka ovat samanlaisia ​​tai suurempia aallonpituudeltaan, tunnetaan nimellä Mie-sironta Tyndallin kanssa. vaikutus on yleisesti havaittu tulos. Pieni osa atomeista tai molekyyleistä siroavasta valosta saattaa läpikäydä Raman-sironta , jolloin taajuus muuttuu atomien ja molekyylien virittymisen vuoksi. Brillouin-sironta tapahtuu, kun valon taajuus muuttuu paikallisten muutosten vuoksi ajan ja tiheän materiaalin liikkeiden myötä.

Dispersio tapahtuu, kun valon eri taajuuksilla on erilaiset vaihenopeudet , johtuen joko materiaalin ominaisuuksista ( materiaalin dispersio ) tai optisen aaltoputken geometriasta ( aaltoputkidispersio ). Tutuin dispersion muoto on taitekertoimen lasku aallonpituuden kasvaessa, mikä näkyy useimmissa läpinäkyvissä materiaaleissa. Tätä kutsutaan "normaaliksi dispersioksi". Sitä esiintyy kaikissa dielektrisissä materiaaleissa aallonpituusalueilla, joilla materiaali ei absorboi valoa. Aallonpituusalueilla, joilla väliaineella on merkittävä absorptio, taitekerroin voi kasvaa aallonpituuden myötä. Tätä kutsutaan "poikkeukselliseksi dispersioksi".

Värien erottelu prismalla on esimerkki normaalista hajoamisesta. Prisman pinnoilla Snellin laki ennustaa, että valo, joka osuu kulmaan θ normaaliin nähden, taittuu kulmassa arcsin(sin (θ) / n ). Siten sininen valo, jolla on korkeampi taitekerroin, taipuu voimakkaammin kuin punainen valo, mikä johtaa hyvin tunnettuun sateenkaarikuvioon .

Dispersio: kaksi eri nopeuksilla etenevää siniaaltoa muodostavat liikkuvan interferenssikuvion. Punainen piste liikkuu vaihenopeuden mukana ja vihreät pisteet etenevät ryhmänopeuden mukana . Tässä tapauksessa vaihenopeus on kaksi kertaa ryhmän nopeus. Punainen piste ohittaa kaksi vihreää pistettä, kun liikkuu kuvion vasemmalta oikealle. Itse asiassa yksittäiset aallot (jotka kulkevat vaihenopeudella) pakenevat aaltopaketista (joka kulkee ryhmänopeuden mukana).

Materiaalin dispersiota luonnehditaan usein Abbe-luvulla , joka antaa yksinkertaisen dispersion mittarin perustuen taitekertoimeen kolmella tietyllä aallonpituudella. Aaltoputken dispersio riippuu etenemisvakiosta . Kumpikin dispersio aiheuttaa muutoksia aallon ryhmäominaisuuksiin, aaltopaketin ominaisuuksiin, jotka muuttuvat samalla taajuudella kuin sähkömagneettisen aallon amplitudi. "Ryhmänopeusdispersio" ilmenee säteilyn signaalin "verhokäyrän" leviämisenä ja voidaan kvantifioida ryhmädispersion viiveparametrilla:

${\displaystyle D={\frac {1}{v_{g}^{2}}}{\frac {dv_{g}}{d\lambda }}}$

missä on ryhmän nopeus. Tasaisella väliaineella ryhmän nopeus on ${\displaystyle v_{g}}$

${\displaystyle v_{g}=c\left(n-\lambda {\frac {dn}{d\lambda }}\right)^{-1}}$

missä n on taitekerroin ja c on valon nopeus tyhjiössä. Tämä antaa dispersion viiveparametrille yksinkertaisemman muodon:

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

Jos D on pienempi kuin nolla, väliaineella sanotaan olevan positiivinen dispersio tai normaali dispersio. Jos D on suurempi kuin nolla, väliaineella on negatiivinen dispersio . Jos valopulssi etenee normaalisti hajaantuvan väliaineen läpi, tuloksena korkeamman taajuuden komponentit hidastuvat enemmän kuin matalataajuiset komponentit. Tästä syystä pulssista tulee positiivisesti tai ylöspäin sirkutettua , ja sen taajuus kasvaa ajan myötä. Tämä saa aikaan sen, että prismasta tuleva spektri näyttää vähiten taittuneelta punaisella valolla ja eniten taittuneelta sinisellä/violetilla valolla. Päinvastoin, jos pulssi kulkee poikkeavasti (negatiivisesti) hajaantuvan väliaineen läpi, korkeataajuiset komponentit kulkevat nopeammin kuin alemmat, ja pulssista tulee negatiivinen sirkutus tai alassirkkaus , jonka taajuus pienenee ajan myötä.

Ryhmän nopeusdispersion tulos, oli se sitten negatiivinen tai positiivinen, on lopulta pulssin ajallinen leviäminen. Tämä tekee dispersion hallinnasta erittäin tärkeän optisiin kuituihin perustuvissa tietoliikennejärjestelmissä , koska jos dispersio on liian suuri, joukko informaatiota edustavia pulsseja leviää kukin ajassa ja sulautuu, jolloin signaalin erottaminen on mahdotonta.

Polarisaatio

Polarisaatio on aaltojen yleinen ominaisuus, joka kuvaa niiden värähtelyjen suuntaa. Poikittaisaaltojen , kuten monien sähkömagneettisten aaltojen, kohdalla se kuvaa värähtelyjen suuntausta tasossa, joka on kohtisuorassa aallon kulkusuuntaa vastaan . Värähtelyt voivat olla suunnattuja yhteen suuntaan ( lineaarinen polarisaatio ), tai värähtelysuunta voi pyöriä aallon edetessä ( ympyrä- tai elliptinen polarisaatio ). Ympyräpolarisoidut aallot voivat pyöriä oikealle tai vasemmalle kulkusuunnassa, ja kumpi näistä kahdesta kierrosta esiintyy aallossa, kutsutaan aallon kiraaliseksi .

Tyypillinen tapa tarkastella polarisaatiota on seurata sähkökenttävektorin suuntausta sähkömagneettisen aallon eteneessä. Tasoaallon sähkökenttävektori voidaan mielivaltaisesti jakaa kahteen kohtisuoraan komponenttiin , jotka on merkitty x ja y (jossa z osoittaa kulkusuuntaa). Sähkökenttävektorin xy-tasossa piirretty muoto on Lissajous-kuvio , joka kuvaa polarisaatiotilaa . Seuraavissa kuvissa on esimerkkejä sähkökenttävektorin (sininen) kehityksestä ajan kanssa (pystyakselit) tietyssä pisteessä avaruudessa sekä sen x- ja y-komponentit ( punainen / vasen ja vihreä/oikea), ja vektorin jäljittämä polku tasossa (violetti): Sama kehitys tapahtuisi katsottaessa sähkökenttää tietyllä hetkellä samalla kun kehitetään avaruuden pistettä etenemissuuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan.

Lineaarinen

Pyöreä

Elliptinen polarisaatio

Vasemmalla olevassa kuvassa valoaallon x- ja y-komponentit ovat samassa vaiheessa. Tässä tapauksessa niiden vahvuuksien suhde on vakio, joten sähkövektorin suunta (näiden kahden komponentin vektorisumma) on vakio. Koska vektorin kärki jäljittää yhden viivan tasossa, tätä erikoistapausta kutsutaan lineaariseksi polarisaatioksi. Tämän viivan suunta riippuu näiden kahden komponentin suhteellisista amplitudeista.

Keskimmäisessä kuvassa kahdella ortogonaalisella komponentilla on samat amplitudit ja ne ovat 90° epävaiheessa. Tässä tapauksessa yksi komponentti on nolla, kun toinen komponentti on suurimmalla tai minimiamplitudilla. On olemassa kaksi mahdollista vaihesuhdetta, jotka täyttävät tämän vaatimuksen: x -komponentti voi olla 90° y -komponentin edellä tai 90° y- komponentin takana. Tässä erikoistapauksessa sähkövektori jäljittää ympyrän tasossa, joten tätä polarisaatiota kutsutaan ympyräpolarisaatioksi. Pyörimissuunta ympyrässä riippuu siitä, mikä kaksivaiheisista suhteista on olemassa ja vastaa oikeanpuoleista ympyräpolarisaatiota ja vasemmanpuoleista ympyräpolarisaatiota .

Kaikissa muissa tapauksissa, joissa kahdella komponentilla joko ei ole samoja amplitudeja ja/tai niiden vaihe-ero ei ole nolla eikä 90°:n kerrannainen, polarisaatiota kutsutaan elliptiseksi polarisaatioksi, koska sähkövektori jäljittää tasossa ellipsin ( polarisaatioellipsi ) . Tämä näkyy yllä olevassa kuvassa oikealla. Polarisaation yksityiskohtainen matematiikka tehdään Jonesin laskennalla ja sille on tunnusomaista Stokesin parametrit .

Muuttuva polarisaatio

Väliaineita, joilla on erilaiset taitekertoimet eri polarisaatiomuodoissa, kutsutaan kahtaistaitteiksi . Tämän vaikutuksen hyvin tunnetut ilmentymät näkyvät optisissa aaltolevyissä / hidastimissa (lineaariset tilat) ja Faradayn kierto / optinen kierto (ympyrämoodit). Jos polun pituus kahtaistaitteisessa väliaineessa on riittävä, tasoaaltoja lähtee materiaalista merkittävästi erilaisella etenemissuunnalla taittumisen vuoksi. Tämä pätee esimerkiksi makroskooppisiin kalsiittikiteisiin , jotka esittävät katsojalle kaksi poikkeavaa, ortogonaalisesti polarisoitua kuvaa kaikesta, mitä niiden läpi katsotaan. Juuri tämä vaikutus sai aikaan ensimmäisen Erasmus Bartholinuksen vuonna 1669 tekemän polarisaation löydön. Lisäksi vaihesiirtymä ja siten polarisaatiotilan muutos on yleensä taajuudesta riippuvainen, mikä yhdessä dikroismin kanssa aiheuttaa usein kirkkaan valon. värejä ja sateenkaaren kaltaisia ​​tehosteita. Minerologiassa sellaisia ​​ominaisuuksia, jotka tunnetaan nimellä pleokroismi , käytetään usein hyväksi mineraalien tunnistamiseen polarisaatiomikroskoopeilla. Lisäksi monet muovit, jotka eivät normaalisti ole kahtaistaittavia, tulevat sellaisiksi joutuessaan niihin mekaanisen rasituksen vaikutuksesta, mikä on valoelastisuuden perusta . Ei-kaksitaitteiset menetelmät valonsäteiden lineaarisen polarisoinnin kiertämiseksi sisältävät prismaattisten polarisaatiorotaattorien käytön, jotka käyttävät täydellistä sisäistä heijastusta prismasarjassa, joka on suunniteltu tehokkaaseen kollineaariseen siirtoon.

Polarisaattori, joka muuttaa lineaarisesti polarisoidun valon suuntausta.
Tässä kuvassa θ ₁ – θ ₀ = θ _i .

Tiettyjen polarisaatiomuotojen amplitudia vähentäviä välineitä kutsutaan dikroisiksi , ja laitteet, jotka estävät lähes kaiken säteilyn yhdessä moodissa, tunnetaan polarisoivilla suodattimilla tai yksinkertaisesti " polarisoijilla ". Malusin laki, joka on nimetty Étienne-Louis Malusin mukaan , sanoo, että kun täydellinen polarisaattori sijoitetaan lineaariseen polarisoituun valonsäteeseen, läpi kulkevan valon intensiteetti I saadaan

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

missä

I ₀ on alkuintensiteetti,

ja θi _on kulma valon alkuperäisen polarisaatiosuunnan ja polarisaattorin akselin välillä.

Polarisoimattoman valonsäteen voidaan ajatella sisältävän tasaisen sekoituksen lineaarisia polarisaatioita kaikissa mahdollisissa kulmissa. Koska keskiarvo on 1/2, lähetyskerroin tulee ${\displaystyle \cos ^{2}\theta }$

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

Käytännössä polarisaattorissa häviää jonkin verran valoa ja polaroimattoman valon todellinen läpäisy on tätä pienempi, noin 38 % Polaroid-tyyppisillä polarisaattoreilla, mutta huomattavasti suurempi (>49,9 %) joillakin kahtaistaittavilla prismatyypeillä.

Kahtaistaittavuuden ja dikroismin lisäksi pidennetyssä väliaineessa polarisaatiovaikutuksia voi esiintyä myös (heijastavassa) rajapinnassa kahden eri taitekertoimen omaavan materiaalin välillä. Näitä vaikutuksia käsitellään Fresnel-yhtälöillä . Osa aallosta välittyy ja osa heijastuu, ja suhde riippuu tulokulmasta ja taitekulmasta. Tällä tavalla fyysinen optiikka palauttaa Brewsterin kulman . Kun valo heijastuu pinnalla olevasta ohuesta kalvosta , kalvon pintojen heijastusten välinen häiriö voi aiheuttaa polarisaatiota heijastuneessa ja läpäisevässä valossa.

Luonnonvalo

Polarisoivan suodattimen vaikutukset taivaalle valokuvassa. Vasen kuva on otettu ilman polarisaattoria. Oikeaa kuvaa varten suodatin säädettiin poistamaan tietyt taivaalta hajallaan olevan sinisen valon polarisaatiot.

Useimmat sähkömagneettisen säteilyn lähteet sisältävät suuren määrän atomeja tai molekyylejä, jotka lähettävät valoa. Näiden emitterien tuottamien sähkökenttien suuntaus ei välttämättä korreloi , jolloin valon sanotaan olevan polaroimaton . Jos emitterien välillä on osittainen korrelaatio, valo on osittain polarisoitunut . Jos polarisaatio on johdonmukainen koko lähteen spektrillä, osittain polarisoitunutta valoa voidaan kuvata täysin polarisoimattoman komponentin ja täysin polarisoidun komponentin superpositioksi. Valoa voidaan sitten kuvata polarisaatioasteen ja polarisaatioellipsin parametrien avulla .

Kiiltävästä läpinäkyvästä materiaalista heijastuva valo on osittain tai kokonaan polarisoitunut, paitsi silloin, kun valo on normaalia (suoraan) pintaan nähden. Juuri tämän vaikutuksen ansiosta matemaatikko Étienne-Louis Malus pystyi tekemään mittaukset, jotka mahdollistivat hänen kehittäessään ensimmäiset polarisoidun valon matemaattiset mallit. Polarisaatio tapahtuu, kun valoa hajoaa ilmakehässä . Hajavalo tuottaa kirkkauden ja värin kirkkaalla taivaalla . Tätä sironneen valon osittaista polarisaatiota voidaan hyödyntää käyttämällä polarisoivia suodattimia taivaan tummentamiseen valokuvissa . Optinen polarisaatio on pääasiallisesti tärkeä kemiassa johtuen optisesti aktiivisten ( kiraalisten ) molekyylien pyöreästä dikroismista ja optisesta kiertoliikkeestä (" ympyräinen kahtaistaitteisuus ") .

Moderni optiikka

Moderni optiikka kattaa optiikan ja tekniikan alueet, joista tuli suosittuja 1900-luvulla. Nämä optiikan osa-alueet liittyvät tyypillisesti valon sähkömagneettisiin tai kvanttiominaisuuksiin, mutta sisältävät myös muita aiheita. Nykyaikaisen optiikan pääala, kvanttioptiikka , käsittelee erityisesti valon kvanttimekaanisia ominaisuuksia. Kvanttioptiikka ei ole vain teoreettista; joidenkin nykyaikaisten laitteiden, kuten lasereiden, toimintaperiaatteet riippuvat kvanttimekaniikasta. Valonilmaisimet, kuten valomonistimet ja kanavatronit , reagoivat yksittäisiin fotoniin. Elektroniset kuvaanturit , kuten CCD:t , osoittavat yksittäisten fotonitapahtumien tilastoja vastaavaa laukauskohinaa . Myöskään valodiodeja ja aurinkokennoja ei voida ymmärtää ilman kvanttimekaniikkaa. Näitä laitteita tutkittaessa kvanttioptiikka menee usein päällekkäin kvanttielektroniikan kanssa .

Optiikan tutkimuksen erikoisalueita ovat valon vuorovaikutus tiettyjen materiaalien kanssa, kuten kristallioptiikassa ja metamateriaaleissa . Muu tutkimus keskittyy sähkömagneettisten aaltojen fenomenologiaan, kuten singulaarioptiikassa , ei -kuvausoptiikassa , epälineaarisessa optiikassa , tilastollisessa optiikassa ja radiometriassa . Lisäksi tietokoneinsinöörit ovat kiinnostuneet integroidusta optiikasta , konenäköstä ja fotonisesta laskennasta mahdollisina "seuraavan sukupolven" tietokoneiden komponentteina.

Nykyään puhdasta optiikkatiedettä kutsutaan optiseksi tieteeksi tai optiseksi fysiikaksi sen erottamiseksi sovellettavista optisista tieteistä, joita kutsutaan optiseksi tekniikaksi . Optisen tekniikan merkittäviä osa-alueita ovat valaistustekniikka , fotoniikka ja optoelektroniikka käytännön sovelluksineen, kuten linssien suunnittelu , optisten komponenttien valmistus ja testaus sekä kuvankäsittely . Jotkut näistä aloista menevät päällekkäin, ja kohteiden termien välillä on hämärät rajat, jotka tarkoittavat hieman eri asioita eri puolilla maailmaa ja eri teollisuudenaloilla. Epälineaarisen optiikan tutkijoiden ammatillinen yhteisö on kehittynyt viime vuosikymmeninä lasertekniikan kehityksen ansiosta.

Laserit

Tämän kaltaiset kokeet suuritehoisilla lasereilla ovat osa modernia optiikkatutkimusta.

Laser on laite, joka lähettää valoa, eräänlaista sähkömagneettista säteilyä prosessin kautta, jota kutsutaan stimuloiduksi emissioniksi . Termi laser on lyhenne sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Laservalo on yleensä spatiaalisesti koherenttia , mikä tarkoittaa, että valo joko säteilee kapeana, vähän hajottavana säteenä tai voidaan muuntaa sellaiseksi optisten komponenttien, kuten linssien, avulla. Koska laserin mikroaaltovastine, maser , kehitettiin ensin, mikroaalto- ja radiotaajuuksia lähettäviä laitteita kutsutaan yleensä masereiksi .

VLT :n laserohjaintähti

Theodore Maiman esitteli ensimmäisen toimivan laserin 16. toukokuuta 1960 Hughes Research Laboratoriesissa . Kun niitä keksittiin ensimmäisen kerran, niitä kutsuttiin "ratkaisuksi, joka etsii ongelmaa". Sittemmin lasereista on tullut useiden miljardien dollareiden teollisuus, joka on löytänyt käyttökelpoisuutta tuhansissa erittäin monipuolisissa sovelluksissa. Ensimmäinen väestön jokapäiväisessä elämässä näkyvä lasereiden sovellus oli supermarketin viivakoodilukija , joka esiteltiin vuonna 1974. Vuonna 1978 esitelty laserlevysoitin oli ensimmäinen menestynyt kuluttajatuote, joka sisälsi laserin, mutta CD-soitin oli ensimmäinen laserilla varustettu laite, josta tuli todella yleinen kuluttajien kodeissa, vuodesta 1982 alkaen. Nämä optiset tallennuslaitteet käyttävät alle millimetrin leveää puolijohdelaseria skannaamaan levyn pintaa tietojen hakemista varten. Kuituoptinen viestintä perustuu lasereihin, jotka välittävät suuria määriä tietoa valon nopeudella. Muita lasereiden yleisiä sovelluksia ovat lasertulostimet ja laserosoittimet . Lasereita käytetään lääketieteessä sellaisilla aloilla kuin verenvuotokirurgia , lasersilmäkirurgia ja laserkaappausmikrodissektio sekä sotilaallisissa sovelluksissa, kuten ohjuspuolustusjärjestelmissä , sähköoptisissa vastatoimissa (EOCM) ja lidarissa . Lasereita käytetään myös hologrammeissa , bubblegrameissa , laservalonäytöksissä ja laserkarvojen poistossa .

Kapitsa-Dirac-efekti

Kapitsa –Dirac-ilmiö saa hiukkassäteet taittumaan joutuessaan kohtaamaan seisovan valon aallon. Valolla voidaan sijoittaa ainetta erilaisten ilmiöiden avulla (katso optiset pinsetit ).

Sovellukset

Optiikka on osa jokapäiväistä elämää. Visuaalisten järjestelmien esiintyminen biologiassa osoittaa optiikan keskeisen roolin yhden viidestä aistista tieteenä . Monet ihmiset hyötyvät silmälaseista tai piilolinsseistä , ja optiikka on olennainen osa monien kulutustavaroiden, kuten kameroiden, toimintaa . Sateenkaaret ja miraasit ovat esimerkkejä optisista ilmiöistä. Optinen viestintä tarjoaa selkärangan sekä Internetille että nykyaikaisille puheluille .

Ihmisen silmä

Ihmisen silmän malli. Tässä artikkelissa mainitut ominaisuudet ovat 1. lasiainen 3. sädelihas , 6. pupilli , 7. etukammio , 8. sarveiskalvo , 10. linssin kuori , 22. näköhermo , 26. fovea , 30. verkkokalvo .

Ihmissilmä toimii kohdistamalla valon verkkokalvoksi kutsuttuun fotoreseptorisolukerrokseen , joka muodostaa silmän takaosan sisemmän vuorauksen. Tarkennus suoritetaan läpinäkyvien materiaalien sarjalla. Silmään tuleva valo kulkee ensin sarveiskalvon läpi, joka tuottaa suuren osan silmän optisesta tehosta. Valo jatkuu sitten nesteen läpi aivan sarveiskalvon takana - etukammiossa ja kulkee sitten pupillin läpi . Valo kulkee sitten linssin läpi , mikä tarkentaa valoa edelleen ja mahdollistaa tarkennuksen säätämisen. Valo kulkee sitten silmän nesteen pääosan - lasiaisnesteen - läpi ja saavuttaa verkkokalvon. Verkkokalvon solut reunustavat silmän takaosaa lukuun ottamatta kohtaa, jossa näköhermo poistuu; tämä johtaa sokeaan kulmaan .

On olemassa kahdenlaisia ​​fotoreseptorisoluja, sauvoja ja kartioita, jotka ovat herkkiä valon eri puolille. Tankosolut ovat herkkiä valon voimakkuudelle laajalla taajuusalueella, joten ne vastaavat mustavalkonäöstä . Tankosoluja ei ole fovea-alueella, verkkokalvon alueella, joka vastaa keskusnäön toiminnasta, eivätkä ne reagoi yhtä hyvin kuin kartiosolut valon tilallisiin ja ajallisiin muutoksiin. Verkkokalvossa on kuitenkin kaksikymmentä kertaa enemmän sauvasoluja kuin kartiosoluja, koska sauvasoluja on laajemmalla alueella. Laajemman levinneisyytensä vuoksi sauvat ovat vastuussa ääreisnäöstä .

Sitä vastoin kartiosolut ovat vähemmän herkkiä valon yleiselle intensiteetille, mutta niitä on kolmea lajiketta, jotka ovat herkkiä eri taajuusalueille ja joita näin ollen käytetään värien ja valonnäön havaitsemiseen . Kartiosolut ovat erittäin keskittyneitä foveaan ja niillä on korkea näöntarkkuus, mikä tarkoittaa, että ne ovat parempia avaruudellisessa resoluutiossa kuin sauvasolut. Koska kartiosolut eivät ole yhtä herkkiä hämärälle valolle kuin sauvasolut, suurin osa yönäöstä rajoittuu sauvasoluihin. Samoin, koska kartiosolut ovat foveassa, kartiosolut tekevät keskusnäön (mukaan lukien useimpien lukemisen, hienojen yksityiskohtien, kuten ompelemisen tai esineiden huolellisen tutkimisen) suorittamiseen tarvittavan näkökyvyn.

Linssiä ympäröivät sädelihakset mahdollistavat silmän tarkennuksen säätämisen. Tämä prosessi tunnetaan nimellä majoitus . Lähipiste ja etäpiste määrittävät lähimmän ja kaukaisimman etäisyyden silmästä, jolla kohde voidaan tuoda terävästi . Normaalin näkökyvyn omaavalla henkilöllä kaukainen piste sijaitsee äärettömässä. Lähipisteen sijainti riippuu siitä, kuinka paljon lihakset voivat lisätä linssin kaarevuutta ja kuinka joustamaton linssi on muuttunut iän myötä. Optometristit , silmälääkärit ja optikot pitävät yleensä sopivan lähipisteen olevan normaalia lähempänä lukuetäisyyttä – noin 25 cm.

Näköhäiriöt voidaan selittää optisten periaatteiden avulla. Iän myötä linssistä tulee vähemmän joustava ja lähipiste vetäytyy silmästä, mikä tunnetaan presbyopiana . Vastaavasti hyperopiasta kärsivät ihmiset eivät voi pienentää linssinsä polttoväliä tarpeeksi, jotta lähistöllä olevat kohteet voidaan kuvata heidän verkkokalvollaan. Sitä vastoin ihmiset, jotka eivät pysty kasvattamaan linssinsä polttoväliä tarpeeksi, jotta kaukaiset kohteet voidaan kuvata verkkokalvolle, kärsivät likinäköisyydestä ja heidän kaukopisteensä on huomattavasti lähempänä kuin ääretöntä. Astigmatismiksi kutsuttu tila johtuu siitä, että sarveiskalvo ei ole pallomainen, vaan on enemmän kaareva yhteen suuntaan. Tämä aiheuttaa vaakasuoraan laajennettujen kohteiden kohdistumisen verkkokalvon eri osiin kuin pystysuoraan laajennetut kohteet, mikä johtaa vääristyneisiin kuviin.

Kaikki nämä olosuhteet voidaan korjata käyttämällä korjaavia linssejä . Presbyopiassa ja hyperopiassa lähentyvä linssi tarjoaa ylimääräisen kaarevuuden, joka on tarpeen lähemmän pisteen tuomiseksi lähemmäksi silmää, kun taas likinäköisyydessä poikkeava linssi tarjoaa kaarevuuden, joka on tarpeen kaukaisen pisteen lähettämiseksi äärettömään. Astigmatismia korjataan lieriömäisellä pintalinssillä , joka kaareutuu voimakkaammin yhteen suuntaan kuin toiseen, mikä kompensoi sarveiskalvon epätasaisuutta.

Korjaavien linssien optinen teho mitataan dioptereina , arvo on yhtä suuri kuin polttovälin käänteisluku metreinä mitattuna; jossa positiivinen polttoväli vastaa suppenevaa linssiä ja negatiivinen polttoväli vastaa hajaantuvaa linssiä. Linsseille, jotka korjaavat myös astigmatismia, annetaan kolme numeroa: yksi pallomaiselle voimalle, yksi sylinterimäiselle voimalle ja yksi hajataitteisuuden suuntakulmalle.

Erikoistehosteet

Ponzo-illuusio perustuu siihen tosiasiaan, että yhdensuuntaiset viivat näyttävät suppenevan lähestyessään ääretöntä.

Optisille illuusioille (kutsutaan myös visuaalisiksi illuusioiksi) on ominaista visuaalisesti havaitut kuvat, jotka eroavat objektiivisesta todellisuudesta. Silmän keräämä tieto prosessoidaan aivoissa, jotta saadaan kuvasta poikkeava käsitys . Optiset illuusiot voivat olla seurausta useista ilmiöistä, mukaan lukien fysikaaliset efektit, jotka luovat kuvia, jotka poikkeavat niitä tekevistä kohteista, liiallisen stimulaation (esim. kirkkaus, kallistus, väri, liike) fysiologiset vaikutukset silmiin ja aivoihin. kognitiiviset illuusiot, joissa silmä ja aivot tekevät tiedostamattomia päätelmiä .

Kognitiiviset illuusiot sisältävät joitakin, jotka johtuvat tiettyjen optisten periaatteiden tiedostamattomasta väärinkäytöstä. Esimerkiksi Amesin huone , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander ja Wundt illuusiot luottavat kaikki ehdotukseen etäisyyden esiintymisestä käyttämällä suppenevia ja hajaantuvia linjoja samalla tavalla kuin rinnakkaiset valonsäteet (tai jopa mikä tahansa rinnakkaisten viivojen joukko) näyttävät suppenevan kadottavassa kohdassa äärettömässä kaksiulotteisesti renderoiduissa kuvissa, joissa on taiteellinen perspektiivi. Tämä ehdotus on myös vastuussa kuuluisasta kuun illuusiosta , jossa kuu, vaikka sillä on olennaisesti sama kulma, näyttää paljon suuremmalta horisontin lähellä kuin seniitissä . Tämä illuusio hämmensi Ptolemaiosta niin , että hän selitti sen virheellisesti ilmakehän refraktiolla kuvaillessaan sitä opinnäytetyössään Optics .

Toisen tyyppinen optinen illuusio hyödyntää rikkinäisiä kuvioita huijatakseen mielen havaitsemaan symmetriaa tai epäsymmetriaa, jota ei ole olemassa. Esimerkkejä ovat kahvilan seinä , Ehrenstein , Fraser-spiraali , Poggendorff ja Zöllnerin illuusiot . Asiaan liittyvät, mutta eivät tiukasti illuusiot, ovat malleja, jotka syntyvät jaksollisten rakenteiden päällekkäisyydestä. Esimerkiksi läpinäkyvät kudokset, joissa on ruudukkorakenne, tuottavat muotoja, jotka tunnetaan nimellä moiré-kuviot , kun taas jaksoittaisten läpinäkyvien kuvioiden päällekkäin asettaminen, jotka sisältävät yhdensuuntaisia ​​läpinäkymättömiä viivoja tai käyriä, tuottaa viivamoiré -kuvioita.

Optiset instrumentit

Kuvia erilaisista optisista instrumenteista vuoden 1728 Cyclopaediasta

Yksittäisillä linsseillä on useita sovelluksia, kuten valokuvauslinssejä , korjaavia linssejä ja suurennuslaseja, kun taas yksittäisiä peilejä käytetään parabolisissa heijastimissa ja taustapeileissä . Yhdistämällä useita peilejä, prismoja ja linssejä saadaan yhdistettyjä optisia instrumentteja, joilla on käytännön käyttöä. Esimerkiksi periskooppi on yksinkertaisesti kaksi tasopeiliä, jotka on kohdistettu siten, että esteiden ympäriltä voidaan katsella. Tieteen tunnetuimmat yhdisteoptiset instrumentit ovat mikroskooppi ja kaukoputki, jotka molemmat keksivät hollantilaiset 1500-luvun lopulla.

Mikroskoopit kehitettiin aluksi vain kahdella linssillä: objektiivilinssillä ja okulaarilla . Objektiivi on pohjimmiltaan suurennuslasi ja sen polttoväli on hyvin pieni, kun taas okulaarin polttoväli on yleensä pidempi. Tämä tuottaa suurennettuja kuvia lähellä olevista kohteista. Yleensä käytetään lisävalaistuksen lähdettä, koska suurennetut kuvat ovat himmeämpiä johtuen energian säilymisestä ja valonsäteiden leviämisestä suuremmalle pinta-alalle. Nykyaikaisissa mikroskoopeissa, jotka tunnetaan nimellä yhdistelmämikroskoopit , on monia linssejä (tyypillisesti neljä) toiminnallisuuden optimoimiseksi ja kuvan vakauden parantamiseksi. Hieman erilainen mikroskooppi, vertailumikroskooppi , tarkastelee vierekkäisiä kuvia luodakseen stereoskooppisen kiikarin , joka näyttää kolmiulotteiselta ihmisten käyttäessä.

Ensimmäiset teleskoopit, joita kutsuttiin taittoteleskoopeiksi, kehitettiin myös yhdellä objektiivilla ja okulaarilinssillä. Toisin kuin mikroskoopissa, kaukoputken objektiivilinssi suunniteltiin suurella polttovälillä optisten poikkeamien välttämiseksi. Objektiivi tarkentaa kuvan kaukana olevasta kohteesta sen polttopisteeseen, joka on säädetty paljon pienemmän polttovälin okulaarin polttopisteeseen. Teleskoopin päätavoitteena ei välttämättä ole suurennus, vaan valon kerääminen, joka määräytyy objektiivin fyysisen koon mukaan. Siten kaukoputket ilmaistaan ​​yleensä niiden objektiivien halkaisijalla eikä suurennuksella, jota voidaan muuttaa okulaareja vaihtamalla. Koska kaukoputken suurennus on yhtä suuri kuin objektiivin polttoväli jaettuna okulaarin polttovälillä, pienemmät polttovälin okulaarit lisäävät suurennusta.

Koska suurten linssien valmistaminen on paljon vaikeampaa kuin suurten peilien valmistaminen, useimmat nykyaikaiset teleskoopit ovat heijastavia teleskooppeja , toisin sanoen teleskooppeja, jotka käyttävät ensisijaista peiliä objektiivin linssin sijaan. Samat yleiset optiset näkökohdat pätevät heijastaviin teleskooppeihin, joita sovellettiin taittaviin teleskooppeihin, eli mitä suurempi ensisijainen peili, sitä enemmän valoa kerätään, ja suurennus on silti yhtä suuri kuin ensisijaisen peilin polttoväli jaettuna okulaarin polttovälillä. . Ammattiteleskoopeissa ei yleensä ole okulaareja, vaan sen sijaan sijoitetaan instrumentti (usein varaukseen kytketty laite) polttopisteeseen.

Valokuvaus

Kuva otettu aukolla f /32

Valokuva otettu aukolla f /5

Valokuvauksen optiikkaan kuuluvat sekä linssit että väline, johon sähkömagneettinen säteily tallennetaan, oli se sitten levy , filmi tai varauskytketty laite. Valokuvaajien on otettava huomioon kameran ja kuvan vastavuoroisuus , joka on tiivistetty suhteella

Valotus ∝ Aperture Area × ExposureTime × SceneLuminance

Toisin sanoen, mitä pienempi aukko (joka antaa suuremman tarkennussyvyyden), sitä vähemmän valoa tulee sisään, joten ajan pituutta on pidennettävä (johtaen mahdolliseen epäselvyyteen, jos liikettä tapahtuu). Esimerkki vastavuoroisuuden lain käytöstä on Sunny 16 -sääntö , joka antaa karkean arvion asetuksista, joita tarvitaan oikean valotuksen arvioimiseksi päivänvalossa.

Kameran aukko mitataan yksiköttömällä numerolla, jota kutsutaan f-luvuksi tai f-pysäytiksi, f /#, joka merkitään usein nimellä , ja annetaan ${\displaystyle N}$

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

missä on polttoväli ja sisääntulopupillin halkaisija. Sopimuksen mukaan " f /#" käsitellään yhtenä symbolina, ja tietyt f /#-arvot kirjoitetaan korvaamalla numeromerkki arvolla. Kaksi tapaa lisätä f-pysäytystä on joko pienentää sisääntulopupillin halkaisijaa tai vaihtaa pidemmälle polttovälille ( zoom-objektiivin tapauksessa tämä voidaan tehdä yksinkertaisesti säätämällä objektiivia). Suuremmilla f-luvuilla on myös suurempi syväterävyys, koska objektiivi lähestyy reikäkameran rajaa, joka pystyy tarkentamaan kaikki kuvat täydellisesti etäisyydestä riippumatta, mutta vaatii erittäin pitkiä valotusaikoja. ${\displaystyle f}$${\näyttötyyli D}$

Linssin tarjoama näkökenttä muuttuu objektiivin polttovälin mukaan. On olemassa kolme perusluokitusta, jotka perustuvat suhteeseen filmin diagonaalikokoon tai kameran anturin kokoon objektiivin polttoväliin:

• Normaali linssi : näkökulma noin 50° (kutsutaan normaaliksi , koska tätä kulmaa pidetään suunnilleen ihmisen näköä vastaavana) ja polttoväli, joka on suunnilleen yhtä suuri kuin filmin tai anturin diagonaali.
• Laajakulmaobjektiivi : katselukulma leveämpi kuin 60° ja polttoväli lyhyempi kuin tavallisen objektiivin.
• Pitkän tarkennuksen linssi : katselukulma kapeampi kuin tavallinen objektiivi. Tämä on mikä tahansa objektiivi, jonka polttoväli on pidempi kuin filmin tai anturin diagonaalimitta. Yleisin pitkätarkennusobjektiivityyppi on teleobjektiivi , joka käyttää erityistä teleobjektiiviryhmää , joka on fyysisesti lyhyempi kuin sen polttoväli.

Nykyaikaisissa zoom-objektiiveissa voi olla jotkin tai kaikki näistä ominaisuuksista.

Vaaditun valotusajan absoluuttinen arvo riippuu siitä, kuinka herkkä valolle käytettävä väliaine on (mitattu filminopeudella , tai digitaalisen median osalta kvanttitehokkuudella ) . Varhaisessa valokuvauksessa käytettiin materiaalia, jonka valoherkkyys oli erittäin alhainen, joten valotusaikojen piti olla pitkiä jopa erittäin kirkkaissa kuvissa. Teknologian parantuessa myös filmikameroiden ja digitaalikameroiden herkkyys on parantunut.

Muut fysikaalisen ja geometrisen optiikan tulokset koskevat kameran optiikkaa. Esimerkiksi tietyn kameran maksimiresoluutiokyky määräytyy pupillien kokoon liittyvän diffraktiorajan mukaan ja annetaan karkeasti Rayleigh-kriteerillä.

Ilmakehän optiikka

Värikäs taivas johtuu usein valon sironnasta hiukkasista ja saastumisesta, kuten tässä valokuvassa auringonlaskusta lokakuun 2007 Kalifornian metsäpalojen aikana .

Ilmakehän ainutlaatuiset optiset ominaisuudet aiheuttavat monenlaisia ​​näyttäviä optisia ilmiöitä. Taivaan sininen väri on suora seuraus Rayleigh-sironnasta, joka ohjaa korkeamman taajuuden (sinisen) auringonvalon takaisin havainnoijan näkökenttään. Koska sininen valo hajoaa helpommin kuin punainen valo, aurinko saa punertavan sävyn, kun sitä tarkastellaan paksun ilmakehän läpi, kuten auringonnousun tai auringonlaskun aikana . Ylimääräiset hiukkaset taivaalla voivat siroittaa eri värejä eri kulmiin luoden värikkäitä hehkuvia taivaita hämärässä ja aamunkoitteessa. Jääkiteiden ja muiden ilmakehän hiukkasten leviäminen on vastuussa haloista , jälkihehkuista , koronasta , auringonsäteistä ja aurinkokoirista . Tällaisten ilmiöiden vaihtelu johtuu erilaisista hiukkaskooista ja geometriasta.

Miraasit ovat optisia ilmiöitä, joissa valonsäteet taipuvat ilman taitekertoimen lämpövaihteluiden vuoksi, jolloin syntyy siirtyneitä tai voimakkaasti vääristyneitä kuvia kaukana olevista kohteista. Muita tähän liittyviä dramaattisia optisia ilmiöitä ovat Novaja Zemlja-ilmiö , jossa aurinko näyttää nousevan ennustettua aikaisemmin vääristyneen muodon kanssa. Näyttävä taittuminen tapahtuu lämpötilan inversiolla, jota kutsutaan Fata Morganaksi , jolloin horisontissa tai jopa horisontin ulkopuolella olevat kohteet, kuten saaret, kalliot, laivat tai jäävuoret, näyttävät pitkänomaisilta ja koholla, kuten "satulinnat".

Sateenkaaret ovat seurausta sisäisen heijastuksen ja sadepisaroissa olevan valon dispersiivisen taittumisen yhdistelmästä. Yksittäinen heijastus sadepisaroiden selästä saa aikaan sateenkaaren, jonka kulmikas koko on taivaalla 40° - 42° ja punainen ulkopuolella. Kaksinkertaiset sateenkaaret tuotetaan kahdella sisäisellä heijastuksella, joiden kulmakoko on 50,5° - 54° ja violetin ulkopuolella. Koska sateenkaaret näkyvät auringon ollessa 180°:n päässä sateenkaaren keskustasta, sateenkaaret näkyvät sitä enemmän, mitä lähempänä aurinko on horisonttia.

Katso myös

• Ionioptiikka
• Tärkeitä optiikan julkaisuja
• Luettelo optisista aiheista

Viitteet

Lue lisää

• Syntynyt, Max; Wolf, Emil (2002). Optiikan periaatteet . Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-64340-5.
• Hecht, Eugene (2002). Optiikka (4 painos). Addison-Wesley Longman, Incorporated. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Fysiikkaa tutkijoille ja insinööreille (6, kuvitettu toim.). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2004). Fysiikka tutkijoille ja insinööreille: sähkö, magnetismi, valo ja perusmoderni fysiikka . Voi. 2. WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Lipson, Stephen G.; Lipson, Henry; Tannhauser, David Stefan (1995). Optinen fysiikka . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-43631-1.
• Fowles, Grant R. (1975). Johdatus nykyaikaiseen optiikkaan . Courier Dover -julkaisut. ISBN 978-0-486-65957-2.

Ulkoiset linkit

Asiaankuuluvia keskusteluja

• Optiikka BBC :n In Our Time -palvelussa

Oppikirjoja ja opetusohjelmia

• Light and Matter – avoimen lähdekoodin oppikirja, joka sisältää optiikkakäsittelyn luvussa. 28-32
• Optics2001 – Optiikan kirjasto ja yhteisö
• Fundamental Optics – Melles Griotin tekninen opas
• Valon ja optiikan fysiikka – Brigham Youngin yliopiston perustutkintokirja
• Optics for PV – askel askeleelta johdatus klassiseen optiikkaan

Wikikirjojen moduulit

Lue lisää

• Optiikka ja fotoniikka: Fysiikka parantaa elämäämme Fysiikan instituutin julkaisujen mukaan

yhteiskuntia