Оптические расчёты: различия между версиями

С точки зрения концепция оптики, как научной дисциплины, оптика эволюционировала от [[Геометрическая |Геометрической ]]или [[Лучевая |Лучевой ]]оптики (нем. Strachlenoptik), основы которой были заложены ещё в Древнем мире [[Герон Александрийский |Героном Александрийским ]]и другими философами, развиты в трудах [[Тихо де Браге]]([[1546]] – [[1601]]), затем дополнены представлениями [[Волновая оптика |Волновой оптики ]](Wellenoptik), начавшейся с догадки [[Христиан Гюйгенс |Христиана Гюйгенса ]]([[1629]]-[[1695]]) о волновой природе света, подтверждённой экспериментами [[Томас Юнг |Томаса Юнга ]]([[1829]]-[[1883]]) и [[Августин Френель|Августина Френеля ]]([[1788]]-[[1827]]) и получившей завершение в теории [[Джеймс Кларк Максвелл |Джеймса Кларка Максвелла]]([[1831]]– [[1879]]), основанной на представлении о свете как волновом процессе, имеющем место в электромагнитном поле. В рамках этих представлений [[Альберт Эйнштейн]]([[1879]]-[[1955]]) создал [[специальная теория относительности|специальную теорию относительности]], основанную на утверждении о существовании конечной скорости распространения электромагнитных волн. Наконец, невозможность объяснения закономерностей температурного излучения и фотоэффекта в рамках теории Максвелла , привела [[Макс Планк|Макса Планка]]([[1858]]-[[1947]]) к идее квантования поля, что привело появлению [[оптика фотонов|оптики фотонов]], и реанимировало догадку [[Исаак Ньютон |Исаака Ньютона ]]([[1643]] -[[1727]]) о том, что свет представляет собой поток частиц.

Он и многие не упомянутые здесь учёные, внёсшие свой вклад в развитие оптики и её применение в практике (Прикладная оптика) использовали более или менее удачные математических и описательные модели ad hoc, как и любые модели имевших определённые границы, в которых они применимы.Классическим образцом популярной описательной модели является планетарная модедь атома Резерфорда.

Корпускулярная теория света достаточно хорошо объясняет квантовые свойства света (фотоэффект), но не годится для объяснения траектории светового луча, что является основной задачей, решаемой в геометрической оптике. В этом случае неизбежно обращение к закономерностям волновой оптики, рассматривающей распространение световой волны и влияние на него оптической неоднородности среды, обусловленной различной скоростью распространения излучения в различных ее областях, вызванных различиями показателя преломления.

В основе положений геометрической оптики лежит понятие о световом луче (луче света), который может быть представлен в виде световой трубки бесконечно малого сечения, т.е. о трехмерной фигуре, в границах которой распространяется энергия излучения, не выходя за ее боковую поверхность и не проникая через нее извне. Световой луч может быть представлен, также, в виде пучка траекторий световых частиц (фотонов) также имеющего бесконечно малое сечение. .

В неоднородной оптической среде, с непостоянным в пространстве и времени распределением показателя преломления или неравномерной оптической плотностью наблюдается искривление луча. Так в неоднородной атмосфере это проявляется в таких явлениях, как мираж, дрожание изображения вследствие атмосферной турбулентности, (что имеет особое значение для оценки качества астроклимата местности) и рассматривается в атмосферной оптике. В рамках волновой оптики и в большом количестве практически интересных случаев направление светового луча совпадает с нормалью к поверхности волнового фронта, т.е. поверхности, проведённой через точки пространства, в которых фазы колебаний электрического вектора совпадают. Однако в случае особых свойств среды, объясняемых явлением дихроизма, нормаль к волновому фронту не совпадает с направлением переноса энергии, т. е направлением светового луча. Это явление изучается в кристаллооптике.

В большинстве задач прикладной оптики оптические приборы представляют собой совокупность последовательно расположенных оптических элементов с неизменным показателем преломления, который лишь меняется скачком на границе их оптических (т.е. рабочих) поверхностей. Световой луч, в таком случае, представляет собой ломаную линию, состоящую из отрезков прямых. Как правило, несмотря на требуемое по конструктивным соображением весьма сложное расположение оптических элементов в пространстве, оказывается возможным, путём использования приёма геометрической развёртки, выделить некоторое генеральное направление в виде прямой линии, называемой оптической осью прибора на его схематическом изображении (оптической схеме). Если, как это часто бывает, в оптической схеме прибора применены оптические элементы, представляющие собой тела вращения (линзы, вогнутые или выпуклые зеркала), оптическая ось совпадает с прямой, проходящей через центры кривизны поверхностей оптических элементов (если по конструктивным причинам не использовано или же против желания произошло децентрирование этих элементов).

В геометрической оптике предполагается, что граница между оптическими элементами представляет собой гладкую поверхность, которую можно описать функцией, не имеющих разрывов или же, по крайней мере, поверхностью, неровности которой расположены регулярным образом. Поверхности шероховатые, т.е. имеющие хаотическое распределение неровностей, приводящее к возникновению рассеяния света, при расчёте хода луча в МО не рассматриваются. Представление о шероховатости весьма относительно, поскольку по мере уменьшения длины волны падающего на поверхность света рассеяние становится всё более заметным. При больших углах падения пучка света на шероховатую (диффузно отражающую) поверхность зеркальная составляющая отраженного света возрастает по интенсивности. Форма оптической поверхности в районе точки падения луча может быть представлена участком сферы с радиусом (в общем случае разным в разных точках и равным бесконечности для плоской поверхности), с направлением которого совпадает нормаль к поверхности в заданной её точке

Поскольку отражённый луч распространяется в той же среде, что и падающий, и в обобщённой формуле левая часть равенства в рассматриваемо случае положительна, то принятое правило знаков заставляет считать, что формально введённый показатель преломления = - . И потому отражающая поверхность ведёт себя так же, как и преломляющая с относительным показателем преломления, равным -1 при любом значении своего показателя преломления.