Optik

Ein Forscher, der an einem optischen System arbeitet

Optik ist der Zweig von Physik das untersucht das Verhalten und die Eigenschaften von hell, einschließlich seiner Interaktionen mit Angelegenheit und der Bau von Instrumente diese Verwendung oder erkennen es.^[1] Optik beschreibt normalerweise das Verhalten von sichtbar, Ultraviolett, und Infrarot hell. Weil Licht ein ist Elektromagnetische Welle, andere Formen von elektromagnetische Strahlung wie zum Beispiel Röntgenaufnahmen, Mikrowellen, und Radiowellen zeigen ähnliche Eigenschaften.^[1]

Die meisten optischen Phänomene können durch die Verwendung des klassische elektromagnetische Beschreibung des Lichts. Vollständige elektromagnetische Beschreibungen des Lichts sind jedoch in der Praxis häufig schwer zu bewerben. Praktische Optik erfolgt normalerweise mit vereinfachten Modellen. Die häufigsten von diesen, Geometrische Optikbehandelt Licht als Sammlung von Strahlen Das reist in geraden Linien und beugen sich, wenn sie durch Oberflächen gelangen oder reflektieren. Physische Optik ist ein umfassenderes Lichtmodell, einschließlich Welle Effekte wie Beugung und Interferenz Das kann in der geometrischen Optik nicht berücksichtigt werden. Historisch gesehen wurde zuerst das Lichtmodell auf Strahlenbasis entwickelt, gefolgt von dem Wellenmodell des Lichts. Fortschritte in der elektromagnetischen Theorie im 19. Jahrhundert führten zu der Entdeckung, dass Lichtwellen tatsächlich elektromagnetische Strahlung waren.

Einige Phänomene hängen davon ab, dass Licht beides hat wellenähnliche und partikelartige Eigenschaften. Erläuterung dieser Effekte erfordert Quantenmechanik. Bei der Betrachtung der partikelähnlichen Eigenschaften des Lichts wird das Licht als eine Sammlung von Partikeln modelliert, die genannt werden. "Photonen". Quantenoptik befasst sich mit der Anwendung der Quantenmechanik auf optische Systeme.

Die optische Wissenschaft ist für viele verwandte Disziplinen relevant und untersucht Astronomie, verschiedene Ingenieurwesen Felder, Fotografie, und Medizin (im Speziellen Augenheilkunde und Optometrie, in dem es physiologische Optik genannt wird). Praktische Optikanwendungen finden Sie in einer Vielzahl von Technologien und alltäglichen Objekten, einschließlich Spiegel, Linsen, Teleskope, Mikroskope, Laser, und Glasfaseroptik.

Geschichte

Das Nimrud -Objektiv

Die Optik begann mit der Entwicklung von Objektiven durch die alte Ägypter und Mesopotamianer. Die frühesten bekannten Linsen, die aus poliertem Kristall hergestellt werden, oft Quarz, Datum von bereits 2000 v. Chr. Von Kreta (Archäologisches Museum von Heraklion, Griechenland). Objektive von Rhodes datieren um 700 v. Chr. Wie auch Assyrer Objektive wie die Nimrud Objektiv.^[2] Das die alten Römer und Griechen Gefüllte Glaskugeln mit Wasser, um Objektive herzustellen. Auf diesen praktischen Entwicklungen folgte die Entwicklung von Licht- und Sehentheorien von Alten griechisch und indisch Philosophen und die Entwicklung von Geometrische Optik in dem Griechisch-römische Welt. Das Wort Optik kommt von Altgriechisch Wort ὀπτική (Optikē), was "Aussehen, Aussehen" bedeutet.^[3]

Die griechische Philosophie der Optik brach in zwei gegnerische Theorien darüber aus, wie Vision funktioniert hat, die Intromissionstheorie und die Emissionstheorie.^[4] Der Intromissionsansatz sah das Sehvermögen als von Objekten, die Kopien von sich selbst (genannt Eidola) abgaben, die vom Auge gefangen genommen wurden. Mit vielen Propagatoren, einschließlich Demokrit, Epikurus, Aristoteles Und ihre Anhänger, diese Theorie scheint einen Kontakt mit modernen Theorien darüber zu haben, was die Vision wirklich ist, aber sie blieb nur Spekulationen ohne experimentelle Grundlage.

Plato Zuerst artikulierte die Emissionstheorie, die Idee, dass visuelle Wahrnehmung wird durch Strahlen erreicht, die von den Augen emittiert werden. Er kommentierte auch die Parität Umkehrung der Spiegel in Timaeus.^[5] Einige hundert Jahre später, Euklid (4. - 3. Jahrhundert v. Chr.) Schrieb eine Abhandlung mit dem Titel " Optik wo er die Vision verknüpfte Geometrie, Erstellen Geometrische Optik.^[6] Er stützte seine Arbeit auf Platons Emissionstheorie, in der er die mathematischen Regeln von beschrieb Perspektive und beschrieben die Auswirkungen von Brechung Qualitativ, obwohl er fragte, dass ein Lichtstrahl aus dem Auge jedes Mal, wenn jemand blinzelte, die Sterne sofort aufleuchten könnte.^[7] Euklid erklärte das Prinzip der kürzesten Lichtbahn und betrachtete mehrere Reflexionen an flachen und kugelförmigen Spiegeln.Ptolemäusin seiner Abhandlung Optik, hielt eine Extramissions-Intromissionstheorie des Sehens: Die Strahlen (oder Fluss) aus dem Auge bildeten einen Kegel, wobei der Scheitelpunkt im Auge war, und die Basis, die das Gesichtsfeld definiert. Die Strahlen waren sensibel und übermittelten Informationen an den Intellekt des Beobachters über die Entfernung und Ausrichtung von Oberflächen zurück. Er fasste einen Groß BrechungswinkelObwohl er die empirische Beziehung zwischen ihr und dem Inzidenzwinkel nicht bemerkte.^[8] Plutarch (1.–2. Jahrhundert n. Chr.) Beschrieben mehrere Reflexionen über kugelförmige Spiegel und diskutierte die Schaffung von vergrößerten und reduzierten Bildern, sowohl real als auch imaginär, einschließlich des Falls von Chiralität der Bilder.

Alhazen (Ibn al-Haytham), "Der Vater der Optik"^[9]

Reproduktion einer Seite von Ibn SahlManuskript zeigt sein Wissen über das Gesetz der Brechung.

Während der Mittelalter, Griechische Ideen zur Optik wurden von Schriftstellern in der Wiederaufnahme und erweitert Muslimische Welt. Einer der frühesten davon war Al-kindi (um 801–873), der über die Verdienste der aristotelischen und euklidischen Ideen der Optik schrieb und die Emissionstheorie begünstigte, da sie optische Phänomene besser quantifizieren könnte.^[10] Im Jahr 984 die persisch Mathematiker Ibn Sahl schrieb die Abhandlung "über brennende Spiegel und Linsen" und beschreibt ein Gesetz der Brechung, das dem Gesetz von Snell entspricht, korrekt.^[11] Er benutzte dieses Gesetz, um optimale Formen für Objektive zu berechnen und gekrümmte Spiegel. Im frühen 11. Jahrhundert schrieb Alhazen (Ibn al-Haytham) die Buch der Optik (Kitab al-Manazir), in dem er Reflexion und Brechung untersuchte und ein neues System zur Erklärung von Sehvermögen und Licht auf der Grundlage von Beobachtung und Experiment vorschlug.^{[12][13][14][15][16]} Er lehnte die "Emissionstheorie" der ptolemäischen Optik ab, wobei ihre Strahlen vom Auge emittiert wurden, und stellte stattdessen die Idee vor konnte nicht richtig erklären, wie das Auge die Strahlen erfasste.^[17] Alhazens Arbeit wurde in der arabischen Welt weitgehend ignoriert, wurde jedoch um 1200 v. Chr. Anonym ins Latein übersetzt und vom polnischen Mönch weiter zusammengefasst und erweitert Witzel^[18] Machen Sie es für die nächsten 400 Jahre zu einem Standardtext in der Optik in Europa.^[19]

Im 13. Jahrhundert im mittelalterlichen Europa, englischer Bischof Robert Grosseteste schrieb über eine breite Palette wissenschaftlicher Themen und diskutierte Licht aus vier verschiedenen Perspektiven: a Erkenntnistheorie von Licht, a Metaphysik oder Kosmogonie von Licht, und Ätiologie oder Physik des Lichts und a Theologie Licht,^[20] Auf den Werken von Aristoteles und Platonismus basieren. Der berühmteste Schüler von Grosseteste, Roger Bacon, schrieb Werke zitieren eine breite Palette kürzlich übersetzter optischer und philosophischer Werke, einschließlich der von Alhazen, Aristoteles, Avicenna, AverroesEuklid, Al-Kindi, Ptolemäus, Tideus und Konstantin der Afrikaner. Speck konnte Teile von Glaskugeln als verwenden Vergrößerungsgläser um zu zeigen, dass Licht von Objekten reflektiert, anstatt von ihnen freigesetzt zu werden.

Die ersten tragbaren Brille wurden in Italien um 1286 erfunden.^[21] Dies war der Beginn der optischen Industrie von Schleif- und Polierlinsen für diese "Brillen", zuerst in Venedig und Florenz im dreizehnten Jahrhundert.^[22] und später im Spektakel -Zentren in den Niederlanden und Deutschland.^[23] Spektakelhersteller erstellten verbesserte Arten von Linsen für die Korrektur von Sehvermögen, die mehr auf empirischem Wissen basieren, die die Auswirkungen der Linsen beobachten, als auf die rudimentäre optische Theorie des Tages (Theorie, die zum größten Teil nicht einmal angemessen erklären konnte, wie die Spektakel funktionierten ).^[24][25] Diese praktische Entwicklung, Meisterschaft und Experimente mit Linsen führten direkt zur Erfindung der Verbindung Optisches Mikroskop um 1595 und die Teleskop brechen Im Jahr 1608 erschienen beide im Spektakel -Making -Zentren in den Niederlanden.^[26][27]

Die erste Abhandlung über Optik von Johannes Kepler, AD Vitellionem Paralipomena Quibus astronomiae Pars Optica Traditur (1604)

Im frühen 17. Jahrhundert, Johannes Kepler auf geometrische Optik in seinen Schriften erweitert, Objektive abdecken, Reflexion durch flache und gekrümmte Spiegel, die Prinzipien von Pinholekameras, inverse Quadratgesetz, das die Intensität des Lichts und die optischen Erklärungen astronomischer Phänomene wie z. Mond- und Sonnenfinsternisse und astronomisch Parallaxe. Er war auch in der Lage, die Rolle des Retina als das tatsächliche Organ, das Bilder aufzeichnete und schließlich in der Lage war, die Auswirkungen verschiedener Arten von Linsen wissenschaftlich zu quantifizieren, die die Spektakelhersteller in den letzten 300 Jahren beobachtet hatten.^[28] Nach der Erfindung des Teleskops legte Kepler die theoretische Grundlage für die Arbeit und beschrieb eine verbesserte Version, die als die bekannt ist Keplerian TeleskopMit zwei konvexen Linsen zur Erzeugung einer höheren Vergrößerung.^[29]

Cover der ersten Ausgabe von Newton's Optik (1704)

Die optische Theorie wurde Mitte des 17. Jahrhunderts mit fortgeschritten Abhandlungen Geschrieben vom Philosophen René Descartes, was eine Vielzahl von optischen Phänomenen erklärte, einschließlich Reflexion und Brechung durch Annahme, dass Licht von Objekten emittiert wurde, die es produzierten.^[30] Dies unterschied sich erheblich von der alten griechischen Emissionstheorie. In den späten 1660er und frühen 1670er Jahren,, Isaac Newton erweiterte Descartes 'Ideen in a Korpuskeltheorie des Lichts, berühmt zu bestimmen, dass weißes Licht eine Mischung aus Farben war, die in seine Komponententeile mit a getrennt werden kann Prisma. 1690, Christiaan Huygens schlug eine Wellentheorie für Licht vor Robert Hooke 1664 kritisierte Hooke selbst öffentlich Newtons Lichttheorien und die Fehde zwischen den beiden dauerte bis Hookes Tod. 1704 veröffentlichte Newton Optik Und zu dieser Zeit, teilweise wegen seines Erfolgs in anderen Bereichen der Physik, wurde er allgemein als Sieger in der Debatte über die Natur des Lichts angesehen.^[30]

Die Newtonsche Optik wurde allgemein bis zum frühen 19. Jahrhundert angenommen, als Thomas Young und Augustin-Jean Fresnel durchgeführte Experimente an der Interferenz von Licht, das die Wellen Natur des Lichts fest etablierte. Young's Famous Doppelschlitz -Experiment zeigte, dass das Licht dem folgte Prinzip der Superposition, was eine wellenartige Eigenschaft ist, die nicht von Newtons Korpuskeltheorie vorhergesagt wird. Diese Arbeit führte zu einer Beugungstheorie für Licht und eröffnete einen gesamten Studienbereich in physikalischer Optik.^[31] Wave Optics war erfolgreich einheitlich mit Elektromagnetische Theorie durch James Clerk Maxwell In den 1860er Jahren.^[32]

Die nächste Entwicklung in der optischen Theorie kam 1899, als Max Planck richtig modelliert Schwarzkörperstrahlung indem angenommen, dass der Energieaustausch zwischen Licht und Materie nur in diskreten Beträgen auftrat, die er anrief Quanta.^[33] Im Jahr 1905, Albert Einstein veröffentlichte die Theorie der Theorie photoelektrischer Effekt Das hat die Quantisierung des Lichts selbst fest etabliert.^[34][35] Im Jahr 1913, Niels Bohr zeigten, dass Atome nur diskrete Energiemengen emittieren konnten, wodurch die in den diskreten Linien beobachteten in den in beobachteten Linien erläutert werden Emission und Absorptionsspektren.^[36] Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die aus diesen Entwicklungen folgten, bildete nicht nur die Grundlage für die Quantenoptik, sondern war auch für die entscheidend Entwicklung der Quantenmechanik als Ganzes. Der ultimative Höhepunkt, die Theorie von Quantenelektrodynamik, erklärt alle Optiken und elektromagnetischen Prozesse im Allgemeinen als Ergebnis des Austauschs von Real und virtuell Photonen.^[37] Quantenoptik erlangte mit den Erfindungen der Erfindungen der praktischen Bedeutung Maser 1953 und des Lasers im Jahr 1960.^[38]

Nach der Arbeit von Paul Dirac in Quantenfeldtheorie, George Sudarshan, Roy J. Glauber, und Leonard Mandel Angewandte Quantentheorie in das elektromagnetische Feld in den 1950er und 1960er Jahren, um ein detaillierteres Verständnis der Fotodetektion und der Statistiken Licht.

Klassische Optik

Die klassische Optik ist in zwei Hauptäste unterteilt: geometrische (oder Strahl-) Optik und physische (oder Wellen-) Optik. In der geometrischen Optik wird Licht in geraden Linien angesehen, während in physikalischer Optik Licht als elektromagnetische Welle angesehen wird.

Die geometrische Optik kann als Annäherung an physikalische Optik angesehen werden, die gilt, wenn die Wellenlänge des verwendeten Lichts viel kleiner ist als die Größe der optischen Elemente im zu modellierten System.

Geometrische Optik

Geometrie der Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen

Geometrische Optik, oder Ray Optics, beschreibt die Vermehrung von Licht in Bezug auf "Strahlen", die in geraden Linien reisen und deren Wege den Gesetzen der Reflexion und Brechung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien bestimmt werden.^[39] Diese Gesetze wurden empirisch bereits 984 n. Chr. Entdeckt^[11] und wurden von da an bis heute zum Design optischer Komponenten und Instrumente verwendet. Sie können wie folgt zusammengefasst werden:

Wenn ein Lichtstrahl die Grenze zwischen zwei transparenten Materialien trifft, wird er in einen reflektierten und gebrochenen Strahl unterteilt.

Das Reflexionsgesetz besagt, dass der reflektierte Strahl in der Inzidenzebene liegt und der Reflexionswinkel dem Inzidenzwinkel entspricht.

Das Gesetz der Brechung besagt, dass der gebrochene Strahl in der Inzidenzebene liegt, und der Sinus des Inzidenzwinkels geteilt durch den Sinus des Brechungswinkels ist eine Konstante:

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

wo n ist eine Konstante für zwei Materialien und eine bestimmte Lichtfarbe. Wenn das erste Material Luft oder Vakuum ist, n ist der Brechungsindex des zweiten Materials.

Die Gesetze der Reflexion und Brechung können abgeleitet werden Fermats Prinzip die besagt, dass Der Weg zwischen zwei Punkten durch einen Lichtstrahl ist der Weg, der in der geringsten Zeit durchquert werden kann.^[40]

Annäherungen

Die geometrische Optik wird oft durch die Herstellung des Paraxiale Näherung, oder "kleine Winkelannäherung". Das mathematische Verhalten wird dann linear, sodass optische Komponenten und Systeme durch einfache Matrizen beschrieben werden können. Dies führt zu den Techniken von Gaußsche Optik und paraxial Strahlenverfolgung, die verwendet werden, um grundlegende Eigenschaften von optischen Systemen zu finden, z. B. ungefähr Bild und Objektpositionen und Vergrößerungen.^[41]

Reflexionen

Diagramm der Spiegelreflexion

Reflexionen können in zwei Arten unterteilt werden: Spiegelreflexion und diffuse Reflexion. Specular Reflection beschreibt den Glanz von Oberflächen wie Spiegeln, die das Licht auf einfache, vorhersehbare Weise widerspiegeln. Dies ermöglicht die Produktion reflektierter Bilder, die mit einem tatsächlichen (real) oder extrapoliert (virtuell) Ort im Raum. Diffuse Reflexion beschreibt nicht glänzende Materialien wie Papier oder Gestein. Die Reflexionen aus diesen Oberflächen können nur statistisch beschrieben werden, wobei die genaue Verteilung des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der mikroskopischen Struktur des Materials. Viele diffuse Reflektoren werden beschrieben oder können von angenähert werden Lamberts Cosinus Law, die Oberflächen beschreibt, die gleich sind Luminanz Wenn aus irgendeinem Blickwinkel betrachtet. Hochglänzende Oberflächen können sowohl spektuläre als auch diffuse Reflexion ergeben.

In der spiegelenden Reflexion wird die Richtung des reflektierten Strahls durch den Winkel bestimmt, den der einfallende Strahl mit dem macht Oberfläche normal, eine Linie senkrecht zur Oberfläche an dem Punkt, an dem der Strahl trifft. Der Vorfall und die reflektierenden Strahlen und die normale Lüge in einer einzelnen Ebene, und der Winkel zwischen dem reflektierten Strahl und der Oberfläche Normal ist der gleiche wie der zwischen dem einfallenden Strahl und dem Normalen.^[42] Dies ist als die bekannt Reflexionsgesetz.

Zum flache SpiegelDas Gesetz der Reflexion impliziert, dass Bilder von Objekten aufrecht und der gleiche Abstand hinter dem Spiegel sind wie die Objekte vor dem Spiegel. Die Bildgröße entspricht der Objektgröße. Das Gesetz impliziert auch das Spiegelbilder sind Parität invertiert, die wir als Inversion von links nach rechts wahrnehmen. Bilder, die aus Reflexion in zwei (oder einer beliebigen Anzahl von) Spiegeln gebildet werden, sind nicht invertiert. Eckreflektoren Produkte reflektierte Strahlen, die in die Richtung zurückkehren, aus der die einfallenden Strahlen kamen.^[42] Das nennt man Retroreflexion.

Spiegel mit gekrümmten Oberflächen können durch Strahlenverfolgung und die Verwendung des Reflexionsgesetzes an jedem Punkt auf der Oberfläche modelliert werden. Zum Spiegel mit parabolischen Oberflächen, parallele Strahlen, die auf den Spiegel erzeugt werden, erzeugen reflektierte Strahlen, die bei einem gemeinsamen Konvertieren konvergieren Fokus. Andere gekrümmte Oberflächen können auch das Licht fokussieren, aber mit Aberrationen aufgrund der unterschiedlichen Form, was dazu führt, dass der Fokus im Weltraum verschmiert wird. Insbesondere sphärische Spiegel zeigen sphärische Aberration. Gekrümmte Spiegel können Bilder mit einer Vergrößerung von mehr oder weniger als einem bilden, und die Vergrößerung kann negativ sein, was darauf hinweist, dass das Bild invertiert ist. Ein aufrechtes Bild, das durch Reflexion in einem Spiegel gebildet wird, ist immer virtuell, während ein umgekehrtes Bild real ist und auf einen Bildschirm projiziert werden kann.^[42]

Refraktionen

Illustration des Snell -Gesetzes für den Fall n₁ < n₂, wie Luft/Wasser -Grenzfläche

Brechung tritt auf, wenn Licht durch einen Raumbereich fließt, der einen sich ändernden Brechungsindex aufweist. Dieses Prinzip ermöglicht Linsen und die Fokussierung des Lichts. Der einfachste Fall der Brechung tritt auf, wenn es eine gibt Schnittstelle zwischen einem gleichmäßigen Medium mit Brechungsindex ${\ displayStyle n_ {1}}$ und ein anderes Medium mit Brechungsindex ${\ displayStyle n_ {2}}$. In solchen Situationen, Snells Gesetz beschreibt die daraus resultierende Ablenkung des Lichtstrahls:

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

wo ${\ displayStyle \ theta _ {1}}$ und ${\ displayStyle \ theta _ {2}}$ sind die Winkel zwischen der Normalen (zur Schnittstelle) und dem einfallenden bzw. gebrochenen Wellen.^[42]

Der Brechungsindex eines Mediums hängt mit der Geschwindigkeit zusammen, vaus Licht in diesem Medium von

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

wo c ist der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Das Snell -Gesetz kann verwendet werden, um die Ablenkung von Lichtstrahlen vorherzusagen, wenn sie lineare Medien durchlaufen, solange die Brechungsindizes und die Geometrie der Medien bekannt sind. Zum Beispiel führt die Ausbreitung des Lichts durch ein Prisma dazu, dass der Lichtstrahl abhängig von der Form und Orientierung des Prismas abgelenkt wird. In den meisten Materialien variiert der Brechungsindex mit der Häufigkeit des Lichts. Unter Berücksichtigung dessen kann das Snellsche Gesetz verwendet werden, um vorherzusagen, wie ein Prisma Licht in ein Spektrum vertreibt. Die Entdeckung dieses Phänomens beim Übergeben von Licht durch ein Prisma wird Isaac Newton bekanntermaßen zugeschrieben.^[42]

Einige Medien haben einen Brechungsindex, der allmählich mit Position variiert, und daher sind Lichtstrahlen im Medium gekrümmt. Dieser Effekt ist verantwortlich für Mirages An heißen Tagen zu sehen: Eine Änderung des Index der Brechung Luft mit Höhe führt zu leichten Strahlen, wodurch das Erscheinungsbild spiegelender Reflexionen in der Entfernung (wie auf der Oberfläche eines Wasserbeckens) entsteht. Optische Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes werden als Grinsenmaterial (Grinsenindex) bezeichnet. Solche Materialien werden verwendet, um zu machen Gradienten-Index-Optik.^[43]

Bei leichten Strahlen, die von einem Material mit einem hohen Brechungsindex zu einem Material mit einem niedrigen Brechungsindex wandern, sagt Snells Gesetz voraus, dass es keine gibt ${\ displayStyle \ theta _ {2}}$ Wenn ${\ displayStyle \ theta _ {1}}$ ist groß. In diesem Fall tritt keine Übertragung auf; Das gesamte Licht wird reflektiert. Dieses Phänomen heißt Gesamtin interne Reflexion und ermöglicht die Glasfaser -Technologie. Wenn Licht eine optische Faser nach unten wandert, ermöglicht es eine totale interne Reflexion, so dass im Wesentlichen kein Licht über die Länge des Kabels verloren geht.^[42]

Linsen

Ein Strahlverfolgungsdiagramm für ein konvergierendes Objektiv.

Ein Gerät, das durch Brechung konvergierende oder divergierende Lichtstrahlen erzeugt wird Linse. Objektive sind durch ihre gekennzeichnet Brennweite: Eine konvergierende Linse hat eine positive Brennweite, während eine abweichende Linse eine negative Brennweite aufweist. Eine kleinere Brennweite zeigt an, dass das Objektiv einen stärkeren konvergierenden oder divergierenden Effekt hat. Die Brennweite einer einfachen Linse in Luft wird von der gegeben Lensmaker -Gleichung.^[44]

Die Strahlenverfolgung kann verwendet werden, um zu zeigen, wie Bilder durch ein Objektiv gebildet werden. Für ein dünne Linse In der Luft wird die Position des Bildes durch die einfache Gleichung angegeben

$oder$,

wo ${\ displayStyle s_ {1}}$ ist der Abstand vom Objekt zum Objektiv, ${\ displayStyle s_ {2}}$ ist der Abstand vom Objektiv zum Bild, und ${\ displayStyle f}$ ist die Brennweite der Linse. In dem Zeichenkonvent Hier werden das Objekt und die Bildabstände positiv, wenn sich Objekt und Bild auf den gegenüberliegenden Seiten der Linse befinden.^[44]

Eingehende parallele Strahlen werden durch eine konvergierende Linse auf eine Flecklänge von der Linse auf der anderen Seite der Linse fokussiert. Dies wird als hinterer Brennpunkt der Linse bezeichnet. Strahlen aus einem Objekt in einer endlichen Entfernung sind weiter von der Linse entfernt als die Brennweite. Je näher das Objekt an der Linse liegt, desto weiter ist das Bild vom Objektiv.

Mit unterschiedlichen Objektiven unterscheiden sich eingehende parallele Strahlen nach dem Durchlaufen der Linse so, dass sie an einer Stelle, die eine Brennweite vor der Linse hat, an einer Stelle entstanden zu sein scheinen. Dies ist der vordere Schwerpunkt des Objektivs. Strahlen aus einem Objekt in endlicher Entfernung sind mit einem virtuellen Bild verbunden, das näher an der Linse ist als am Brennpunkt und auf derselben Seite der Linse wie das Objekt. Je näher das Objekt der Linse liegt, desto näher ist das virtuelle Bild der Linse. Wie bei Spiegeln sind aufrechte Bilder, die von einem einzigen Objektiv erzeugt werden, virtuell, während umgekehrte Bilder real sind.^[42]

Objektive leiden unter Aberrationen Das verzerrt Bilder. Monochromatische Aberrationen tritt auf, weil die Geometrie der Linse nicht perfekt Strahlen von jedem Objekt auf einen einzelnen Punkt auf dem Bild zeigt, während chromatische Abweichung tritt auf, weil der Brechungsindex der Linse mit der Wellenlänge des Lichts variiert.^[42]

Bilder von schwarzen Buchstaben in einer dünnen konvexen Linse der Brennweite fsind rot gezeigt. Ausgewählte Strahlen werden für Buchstaben angezeigt E, I und K in blau, grün bzw. orange. Beachten Sie, dass E (um 2f) hat ein gleichgroßes, reales und invertiertes Bild; I (bei f) hat sein Bild im Unendlichen; und K (bei f/2) hat ein doppelt großes, virtuelles und aufrechtes Bild.

Physische Optik

In der physischen Optik wird Licht als Welle angesehen. Dieses Modell prognostiziert Phänomene wie Interferenz und Beugung, die nicht durch geometrische Optik erklärt werden. Das Lichtgeschwindigkeit Wellen hinein Luft ist ungefähr 3,0 × 10⁸m/s (genau 299.792.458 m/s in Vakuum). Das Wellenlänge von sichtbaren Lichtwellen variieren zwischen 400 und 700 nm, aber der Begriff "Licht" wird jedoch auch häufig auf Infrarot (0,7–300 μm) und ultraviolette Strahlung (10–400 nm) angewendet.

Das Wellenmodell kann verwendet werden, um Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich ein optisches System verhalten wird, ohne eine Erklärung dafür zu erfordern, was in welchem ​​Medium "schwenkt". Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts glaubten die meisten Physiker an ein "ätherisches" Medium, in dem sich die Lichtstörung ausbreitete.^[45] Die Existenz von elektromagnetischen Wellen wurde 1865 durch vorhergesagt Maxwells Gleichungen. Diese Wellen verbreiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und haben unterschiedliche elektrische und magnetische Felder, die orthogonal zueinander sind, und auch zur Ausbreitung der Wellen.^[46] Lichtwellen werden jetzt allgemein als elektromagnetische Wellen behandelt, außer wenn Quantenmechanische Effekte müssen beachtet werden.

Modellierung und Design von optischen Systemen unter Verwendung physischer Optik

Viele vereinfachte Annäherungen sind zur Analyse und Gestaltung optischer Systeme verfügbar. Die meisten von ihnen verwenden eine einzige Skalar Menge, um das elektrische Feld der Lichtwelle darzustellen, anstatt a zu verwenden Vektor Modell mit orthogonalen elektrischen und magnetischen Vektoren.^[47] Das Huygens -Fresnel Gleichung ist ein solches Modell. Dies wurde 1815 empirisch von Fresnel abgeleitet, basierend auf Huygens 'Hypothese, dass jeder Punkt an einer Wellenfront eine sekundäre kugelförmige Wellenfront erzeugt Überlagerung von Wellen. Das Kirchhoff -Beugungsgleichung, die mit Maxwells Gleichungen abgeleitet wird, bringt die Huygens-Fresnel-Gleichung auf eine festere physische Fundament. Beispiele für die Anwendung des Huygens -Fresnel -Prinzips finden Sie in den Artikeln zur Beugung und in den Artikeln Fraunhofer -Beugung.

Bei der Modellierung von elektrischen und magnetischen Feldern der Lichtwelle sind strengere Modelle erforderlich, wenn es um Materialien geht, deren elektrische und magnetische Eigenschaften die Wechselwirkung von Licht mit dem Material beeinflussen. Zum Beispiel unterscheidet sich das Verhalten einer Lichtwelle, die mit einer Metalloberfläche interagiert, ganz anders als das, was passiert, wenn sie mit einem dielektrischen Material interagiert. Ein Vektormodell muss auch verwendet werden, um polarisiertes Licht zu modellieren.

Numerische Modellierung Techniken wie die Finite -Elemente -Methode, das Grenzelementmethode und die Übertragungslinie-Matrixmethode Kann verwendet werden, um die Ausbreitung von Licht in Systemen zu modellieren, die nicht analytisch gelöst werden können. Solche Modelle sind rechnerisch anspruchsvoll und werden normalerweise nur zur Lösung kleiner Probleme verwendet, die Genauigkeit erfordern, die über das hinausgehen, was mit analytischen Lösungen erreicht werden kann.^[48]

Alle Ergebnisse der geometrischen Optik können mit den Techniken von wiederhergestellt werden Fourier -Optik die viele der gleichen mathematischen und analytischen Techniken anwenden, die in verwendet werden Akustik Engineering und Signalverarbeitung.

Ausbreitung von Gaußschen Strahl ist ein einfaches Modell für paraxiale physikalische Optik zur Ausbreitung kohärenter Strahlung wie Laserstrahlen. Diese Technik berücksichtigt teilweise die Beugung und ermöglicht genaue Berechnungen der Rate, mit der sich ein Laserstrahl mit der Entfernung ausdehnt, und die Mindestgröße, auf die der Strahl fokussiert werden kann. Die Gaußsche Strahlausbreitung überbrückt somit die Lücke zwischen geometrischer und physikalischer Optik.^[49]

Überlagerung und Einmischung

In Abwesenheit von nichtlinear Effekte, das Überlagerungsprinzip kann verwendet werden, um die Form der interagierenden Wellenformen durch die einfache Zugabe der Störungen vorherzusagen.^[50] Diese Wechselwirkung von Wellen zur Erzeugung eines resultierenden Musters wird im Allgemeinen als "Interferenz" bezeichnet und kann zu einer Vielzahl von Ergebnissen führen. Wenn zwei Wellen der gleichen Wellenlänge und Frequenz sind in Phasesowohl die Wellenkämme als auch die Wellenmulden richten sich an. Das führt zu konstruktive Beeinflussung und eine Erhöhung der Amplitude der Welle, die für Licht mit einer Aufhellung der Wellenform an dieser Stelle verbunden ist. Wenn die beiden Wellen der gleichen Wellenlänge und Frequenz aus der Phase nicht mehr sind, richten sich die Wellenkämme mit Wellenmägern über und umgekehrt. Das führt zu Destruktive Interferenz und eine Abnahme der Amplitude der Welle, die für Licht mit einem Dimmen der Wellenform an dieser Stelle verbunden ist. Eine Abbildung dieses Effekts finden Sie unten.^[50]

kombiniert Wellenform
Welle 1
Welle 2
	Zwei Wellen in Phase	Zwei Wellen 180 ° aus der Phase

Wenn Öl oder Kraftstoff verschüttet wird, werden farbenfrohe Muster durch Dünnfilmstörungen gebildet.

Da das Huygens -Fresnel -Prinzip angibt, dass jeder Punkt einer Wellenfront mit der Produktion einer neuen Störung verbunden ist, kann eine Wellenfront an verschiedenen Stellen konstruktiv oder destruktiv stören, die helle und dunkle Rande in regelmäßigen und vorhersehbaren Muster erzeugen.^[50] Interferometrie ist die Wissenschaft, diese Muster zu messen, normalerweise als Mittel, um genaue Entfernungen zu bestimmen oder Winkelauflösungen.^[51] Das Michelson Interferometer war ein berühmtes Instrument, das Interferenzeffekte verwendete, um die Lichtgeschwindigkeit genau zu messen.^[52]

Die Erscheinung von dünne Filme und Beschichtungen wird direkt durch Interferenzeffekte beeinflusst. Antireflexbeschichtungen Verwenden Sie zerstörerische Störungen, um das Reflexionsvermögen der von ihnen beschichteten Oberflächen zu verringern, und kann verwendet werden, um Blendung und unerwünschte Reflexionen zu minimieren. Der einfachste Fall ist eine einzelne Schicht mit einer Dicke von einem Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die reflektierte Welle von der Oberseite des Films und die reflektierte Welle der Film-/Material -Grenzfläche sind dann genau 180 ° aus der Phase, was zu einer destruktiven Störung führt. Die Wellen sind für eine Wellenlänge nur genau aus der Phase, was typischerweise als in der Mitte des sichtbaren Spektrums etwa 550 nm ausgewählt wird. Komplexere Konstruktionen, die mehrere Schichten unter Verwendung mehrerer Schichten über ein breites Band oder ein extrem niedriges Reflexionsvermögen bei einer einzelnen Wellenlänge erreichen können.

Konstruktive Interferenzen in dünnen Filmen können eine starke Reflexion des Lichts in einer Reihe von Wellenlängen erzeugen, die je nach Entwurf der Beschichtung eng oder breit sein können. Diese Filme werden verwendet, um zu machen dielektrische Spiegel, Interferenzfilter, Wärmereflektorenund filtert für die Farbtrennung in Farbfernseher Kameras. Dieser Interferenzeffekt ist auch das, was die farbenfrohen Regenbogenmuster in Öl -Slicks verursacht.^[50]

Auflösung und optische Auflösung

Beugung auf zwei durch den Abstand getrennte Schlitze ${\ displayStyle d}$. Die hellen Ränder treten entlang von Linien auf, in denen sich schwarze Linien mit schwarzen Linien und weißen Linien mit weißen Linien kreuzen. Diese Fransen sind durch Winkel getrennt ${\ displayStyle \ theta}$ und werden als Reihenfolge nummeriert ${\ displayStyle n}$.

Die Beugung ist der Prozess, durch den Lichtstörungen am häufigsten beobachtet werden. Der Effekt wurde erstmals 1665 von beschrieben Francesco Maria Grimaldi, der auch den Begriff vom Latein geprägt hat Diffringere, "in Stücke einbrechen".^[53][54] Später in diesem Jahrhundert beschrieb Robert Hooke und Isaac Newton auch Phänomene Newtons Ringe^[55] während James Gregory zeichnete seine Beobachtungen von Beugungsmustern von Vogelfedern auf.^[56]

Das erste Modell der physikalischen Optik der Beugung, das sich auf das Huygens -Fresnel -Prinzip stützte, wurde 1803 von Thomas Young in seinen Interferenzversuche mit den Interferenzmustern von zwei eng verteilten Schlitzen entwickelt. Young zeigte, dass seine Ergebnisse nur erklärt werden konnten, wenn die beiden Schlitze eher als zwei einzigartige Quellen von Wellen als als Korpuskeln fungierten.^[57] In den Jahren 1815 und 1818 richtete der Augustin-Jean-Fresnel die Mathematik fest, wie Wellenstörungen die Beugung verantwortlich machen können.^[44]

Die einfachsten physikalischen Modelle der Beugung verwenden Gleichungen, die die Winkeltrennung von hellen und dunklen Rändern aufgrund des Lichts einer bestimmten Wellenlänge (λ) beschreiben. Im Allgemeinen nimmt die Gleichung die Form an

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

wo ${\ displayStyle d}$ ist die Trennung zwischen zwei Wellenfrontquellen (im Fall von Young's Experimente war es zwei Schlitze), ${\ displayStyle \ theta}$ ist die Winkeltrennung zwischen dem zentralen Rand und der ${\ displayStyle m}$TH Order Fringe, wo das zentrale Maximum ist ${\ displayStyle m = 0}$.^[58]

Diese Gleichung wird geringfügig modifiziert, um eine Vielzahl von Situationen zu berücksichtigen, z. Beugungsgitter Das enthält eine große Anzahl von Schlitzen im gleichen Abstand.^[58] Kompliziertere Modelle der Beugung erfordern die Arbeit mit der Mathematik von Fresnel oder Fraunhofer -Beugung.^[59]

Röntgenbeugung nutzt die Tatsache, dass Atome in a Kristall regelmäßig Abstand in Entfernungen haben, die in der Größenordnung von einem liegen Angstrom. Um Beugungsmuster zu sehen, werden Röntgenstrahlen mit ähnlichen Wellenlängen wie diesem Abstand durch den Kristall geleitet. Da Kristalle eher dreidimensionale Objekte als zweidimensionale Gitter sind, variiert das zugehörige Beugungsmuster in zwei Richtungen nach Bragg reflection, mit den zugehörigen Lichtstücken in Einzigartige Muster und ${\ displayStyle d}$ doppelt so hoch wie der Abstand zwischen Atomen.^[58]

Beugungseffekte begrenzen die Fähigkeit eines optischen Detektors auf optisch auflösen getrennte Lichtquellen. Im Allgemeinen ist Licht, das durch eine geht Öffnung erlebt Beugung und die besten Bilder, die erstellt werden können (wie in beschrieben in Beugungsbegrenzte Optik) erscheinen als zentraler Ort mit umgebenden hellen Ringen, getrennt durch dunkle Nulls; Dieses Muster ist als ein bekannt Luftiges Musterund der zentrale helle Lappen als Luftige Festplatte.^[44] Die Größe einer solchen Festplatte ist gegeben durch

${\ displayStyle \ sin \ theta = 1.22 {\ frac {\ lambda} {d}}}$

wo θ ist die Winkelauflösung, λ ist die Wellenlänge des Lichts, und D ist der Durchmesser der Linsenöffnung. Wenn die Winkeltrennung der beiden Punkte signifikant geringer ist als der Winkelradius des luftigen Scheibenscheiben kann daher gelöst werden. Rayleigh definierte den etwas willkürlichen "Rayleigh -Kriterium"Diese zwei Punkte, deren Winkeltrennung gleich dem luftigen Scheibenradius ist (gemessen an First Null, dh bis zum ersten Ort, an dem kein Licht zu sehen ist) als aufgelöst angesehen werden. Das Objektiv oder seine Blende, desto feiner die Auflösung.^[58] InterferometrieMit seiner Fähigkeit, extrem große Basisöffnungen nachzuahmen, ermöglicht die größtmögliche Winkelauflösung.^[51]

Für die astronomische Bildgebung verhindert die Atmosphäre eine optimale Auflösung, wenn sie im sichtbaren Spektrum aufgrund der Atmosphäre erreicht werden Streuung und Dispersion, die Sterne dazu veranlassen funkeln. Astronomen bezeichnen diesen Effekt als Qualität von astronomisches Sehen. Techniken bekannt als Adaptive Optik wurden verwendet, um die atmosphärische Störung der Bilder zu beseitigen und Ergebnisse zu erzielen, die sich der Beugungsgrenze nähern.^[60]

Dispersion und Streuung

Konzeptuelle Animation der Lichtverteilung durch ein Prisma. Hochfrequenz (blau) Licht wird am meisten abgelenkt und die niedrige Frequenz (rot) am wenigsten.

Brechungsprozesse finden in der physischen Optikgrenze statt, bei der die Wellenlänge des Lichts anderen Entfernungen als eine Art Streuung ähnlich ist. Die einfachste Art der Streuung ist Thomson Streuung Dies tritt auf, wenn elektromagnetische Wellen durch einzelne Partikel abgelenkt werden. In der Grenze der Thomson -Streuung, in der die Wellenziefizität des Lichts offensichtlich ist, ist Licht unabhängig von der Frequenz im Gegensatz zu der Frequenz verteilt Compton Streuung Welches ist frequenzabhängig und ausschließlich a Quantenmechanik Prozess, der die Natur des Lichts als Partikel betrifft. In statistischer Sinne ist die elastische Lichtstreuung von Licht durch zahlreiche Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind Rayleigh Streuung Während der ähnliche Prozess zur Streuung durch Partikel, die ähnlich oder größer sind, als Wellenlänge bezeichnet werden Mie Streuung mit dem Tyndall-Effekt ein allgemein beobachtetes Ergebnis. Ein kleiner Teil der Lichtstreuung durch Atome oder Moleküle kann durchlaufen Raman -Streuung, wobei sich die Frequenz aufgrund der Anregung der Atome und Moleküle ändert. Brillouin Streuung tritt auf, wenn sich die Häufigkeit von Licht aufgrund lokaler Änderungen mit Zeit und Bewegungen eines dichten Materials ändert.^[61]

Dispersion tritt auf, wenn unterschiedliche Lichtfrequenzen unterschiedlich sind Phasengeschwindigkeiten, aufgrund materieller Eigenschaften (entweder auf Materialeigenschaften (materielle Dispersion) oder zur Geometrie eines Optischer Wellenleiter (Wellenleiter Dispersion). Die bekannteste Form der Dispersion ist eine Abnahme des Brechungsindex mit zunehmender Wellenlänge, die in den meisten transparenten Materialien zu sehen ist. Dies wird als "normale Dispersion" bezeichnet. Es kommt in allen vor dielektrische Materialien, in Wellenlängenbereichen, in denen das Material kein Licht absorbiert.^[62] In Wellenlängenbereichen, in denen ein Medium eine signifikante Absorption aufweist, kann der Brechungsindex mit der Wellenlänge zunehmen. Dies nennt man "anomale Dispersion".^[42][62]

Die Trennung von Farben durch ein Prisma ist ein Beispiel für eine normale Dispersion. An den Oberflächen des Prisms sagt das Snellsche Gesetz voraus, dass Licht, das in einem Winkel θ bis zur Normalität fällt n). Somit ist blaues Licht mit seinem höheren Brechungsindex stärker gebogen als rotes Licht, was zu dem bekannten führt Regenbogen Muster.^[42]

Dispersion: Zwei Sinusoide, die sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, machen ein bewegendes Interferenzmuster. Der rote Punkt bewegt sich mit dem Phasengeschwindigkeitund die grünen Punkte propagieren sich mit dem Gruppengeschwindigkeit. In diesem Fall ist die Phasengeschwindigkeit doppelt so hoch wie die Gruppengeschwindigkeit. Der rote Punkt überholt zwei grüne Punkte, wenn sie sich von links nach rechts von der Figur bewegt. Tatsächlich entkommen die einzelnen Wellen (die mit der Phasengeschwindigkeit reisen) aus dem Wellenpaket (das mit der Gruppengeschwindigkeit bewegt).

Materielle Dispersion wird oft durch die gekennzeichnet ABBE -Nummer, was ein einfaches Maß an Dispersion basiert, basierend auf dem Brechungsindex bei drei spezifischen Wellenlängen. Die Wellenleiter -Dispersion hängt von der ab Ausbreitungskonstante.^[44] Beide Arten von Dispersion verursachen Änderungen der Gruppeneigenschaften der Welle, die Merkmale des Wellenpakets, die sich mit der gleichen Frequenz wie der Amplitude der elektromagnetischen Welle ändern. "Gruppengeschwindigkeitsdispersion" manifestiert sich als Ausbreitung des Signal "Hüllkurve" der Strahlung und kann mit einem Parameter der Gruppendispersionsverzögerung quantifiziert werden:

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

wo ${\ displayStyle v_ {g}}$ ist die Gruppengeschwindigkeit.^[63] Für ein einheitliches Medium ist die Gruppengeschwindigkeit

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

wo n ist der Brechungsindex und c ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum.^[64] Dies ergibt eine einfachere Form für den Parameter Dispersion Delay:

$oder$

Wenn D ist weniger als Null, das Medium soll haben Positive Dispersion oder normale Dispersion. Wenn D ist größer als Null, das Medium hat negative Dispersion. Wenn ein leichter Impuls durch ein normalerweise dispersives Medium ausbreitet, ist das Ergebnis die höheren Frequenzkomponenten mehr als die Komponenten mit niedrigerer Frequenz. Der Puls wird daher positiv zwitschern, oder aufgerüstetmit der Zeit zunehmen. Dies führt dazu, dass das Spektrum aus einem Prisma mit rotem Licht das am wenigsten gebrochene und blau/violettes Licht am am meisten gebrochenen Licht erscheint. Umgekehrt, wenn ein Impuls durch ein anomal (negativ) dispersives Medium durchläuft, wandern Hochfrequenzkomponenten schneller als die unteren, und der Puls wird negativ zwitschern, oder abgeschaltetmit der Zeit abnehmen.^[65]

Das Ergebnis der Gruppengeschwindigkeitsdispersion, ob negativ oder positiv, ist letztendlich die zeitliche Ausbreitung des Impulses. Dies macht das Dispersionsmanagement in optischen Kommunikationssystemen basierend auf optischen Kommunikationssystemen äußerst wichtig Optische FasernDa die Dispersion zu hoch ist, verbreitet sich eine Gruppe von Impulsen, die Informationen darstellen, jeweils Zeit und verschmelzen, was es unmöglich macht, das Signal zu extrahieren.^[63]

Polarisation

Polarisation ist eine allgemeine Eigenschaft von Wellen, die die Ausrichtung ihrer Schwingungen beschreibt. Zum Transversalwellen Wie viele elektromagnetische Wellen beschreibt es die Ausrichtung der Schwingungen in der Ebene senkrecht zur Reiserichtung der Welle. Die Schwingungen können in eine einzelne Richtung ausgerichtet sein (Lineare Polarisation) oder die Schwingungsrichtung kann sich drehen, wenn sich die Welle bewegt (kreisförmig oder Elliptische Polarisation). Zirkular polarisierte Wellen können sich nach rechts oder nach links in Fahrtrichtung drehen und welche dieser beiden Rotationen in einer Welle vorhanden ist Chiralität.^[66]

Die typische Möglichkeit, die Polarisation zu berücksichtigen, besteht darin, die Ausrichtung des elektrischen Feldes im Auge zu behalten Vektor Wie sich die elektromagnetische Welle ausbreitet. Der elektrische Feldvektor einer Ebenewelle kann willkürlich in zwei senkrechte Teile unterteilt werden Komponenten beschriftet x und y (mit z angeben die Richtung der Reise). Die in der X-Y-Ebene durch den elektrischen Feldvektor verfolgte Form ist a Lissajous Figur das beschreibt das Polarisationszustand.^[44] Die folgenden Abbildungen zeigen einige Beispiele für die Entwicklung des elektrischen Feldvektors (blau) mit der Zeit (die vertikalen Achsen) an einem bestimmten Zeitpunkt im Raum zusammen mit seinem x und y Komponenten (rot/links und grün/rechts) und der vom Vektor in der Ebene (lila) verfolgte Pfad: Die gleiche Entwicklung würde beim Betrachten des elektrischen Feldes zu einem bestimmten Zeitpunkt auftreten und gleich Gegenüber der Ausbreitung.

Linear

Kreisförmig

Elliptische Polarisation

In der obigen Abbildung in der linken Abbildung sind die x- und y -Komponenten der Lichtwelle in Phase. In diesem Fall ist das Verhältnis ihrer Stärken konstant, so dass die Richtung des elektrischen Vektors (die Vektorsumme dieser beiden Komponenten) konstant ist. Da die Spitze des Vektors eine einzelne Linie in der Ebene verfolgt, wird dieser Sonderfall als lineare Polarisation bezeichnet. Die Richtung dieser Linie hängt von den relativen Amplituden der beiden Komponenten ab.^[66]

In der mittleren Abbildung haben die zwei orthogonalen Komponenten die gleichen Amplituden und sind 90 ° aus der Phase. In diesem Fall ist eine Komponente Null, wenn die andere Komponente eine maximale oder minimale Amplitude hat. Es gibt zwei mögliche Phasenbeziehungen, die diese Anforderung erfüllen: die x Die Komponente kann 90 ° vor dem liegen y Komponente oder es kann um 90 ° hinter dem liegen y Komponente. In diesem Sonderfall verfolgt der elektrische Vektor einen Kreis in der Ebene, so dass diese Polarisation als kreisförmige Polarisation bezeichnet wird. Die Rotationsrichtung im Kreis hängt davon ab, welche der zweiphasigen Beziehungen existiert und entspricht rechte kreisförmige Polarisation und linke kreisförmige Polarisation.^[44]

In allen anderen Fällen, in denen die beiden Komponenten entweder nicht die gleichen Amplituden haben und/oder deren Phasenunterschied weder Null noch ein Vielfachen von 90 °, wird die Polarisation als elliptische Polarisation bezeichnet, da der elektrische Vektor eine auszeichnet Ellipse im Flugzeug (die Polarisation Ellipse). Dies ist in der obigen Abbildung rechts dargestellt. Eine detaillierte Mathematik der Polarisierung erfolgt mit Verwendung Jones Calculus und ist gekennzeichnet durch die Stokes -Parameter.^[44]

Polarisation ändern

Medien, die unterschiedliche Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsmodi haben, werden aufgerufen doppelbrechend.^[66] Bekannte Manifestationen dieses Effekts erscheinen in optisch Wellenplatten/Retarders (lineare Modi) und in Faraday -Rotation/optische Drehung (Rundmodi).^[44] Wenn die Pfadlänge im doppelbrechenden Medium ausreichend ist, verlässt die Ebenenwellen aufgrund der Brechung das Material mit einer signifikant unterschiedlichen Ausbreitungsrichtung. Dies ist beispielsweise bei makroskopischen Kristallen von der Fall von Calcit, die den Betrachter mit zwei Offset -, orthogonal polarisierten Bildern von allem präsentieren, was durch sie betrachtet wird. Es war dieser Effekt, der die erste Entdeckung der Polarisation lieferte durch Erasmus Bartholinus 1669. Zusätzlich ist die Phasenverschiebung und damit die Änderung des Polarisationszustands normalerweise frequenzabhängig, was in Kombination mit Dichroismusführt oft zu leuchtenden Farben und Regenbogen-ähnlichen Effekten. Im Mineralogie, solche Eigenschaften, bekannt als Pleochroismuswerden häufig ausgenutzt, um Mineralien mit Polarisationsmikroskopen zu identifizieren. Darüber hinaus werden viele Kunststoffe, die normalerweise nicht doppelbrechend sind mechanische Spannung, ein Phänomen, das die Grundlage von der Grundlage ist Photoelastizität.^[66] Nicht mehrseitige Methoden, um die lineare Polarisation von Lichtstrahlen zu drehen, umfasst die Verwendung von Prismatik Polarisationsrotatoren die gesamte interne Reflexion in einem Prisma -Set verwenden, das für eine effiziente kollineare Übertragung ausgelegt ist.^[67]

Ein Polarisator, der die Ausrichtung von linear polarisiertem Licht ändert.
In diesem Bild, θ₁ – θ₀ = θ_i.

Medien, die die Amplitude bestimmter Polarisationsmodi verringern, werden aufgerufen dichroisch, mit Geräten, die fast die gesamte Strahlung in einem Modus blockieren als Polarisierungsfilter oder einfach "Polarisser". Malus 'Gesetz, das nach benannt ist Étienne-Louis Malus, sagt, wenn ein perfekter Polarisator in einen linearen polarisierten Lichtstrahl, die Intensität, gelegt wird, I, des Lichts, das durchgeht, wird gegeben von

${\ displayStyle i = i_ {0} \ cos ^{2} \ theta _ {i} \ quad,}$

wo

I₀ ist die anfängliche Intensität,

und θ_i ist der Winkel zwischen der anfänglichen Polarisationsrichtung des Lichts und der Achse des Polarisers.^[66]

Ein Strahl von unpolarisiertem Licht kann als ein gleichmäßiges Gemisch von linearen Polarisationen in allen möglichen Winkeln angesehen werden. Da der Durchschnittswert von ${\ displaystyle \ cos ^{2} \ theta}$ IS 1/2, der Übertragungskoeffizient wird

${\ displaystyle {\ frac {i} {i_ {0}}} = {\ frac {1} {2} \ quad}$

In der Praxis geht das Licht im Polarisator verloren, und die tatsächliche Übertragung von unpolarisiertem Licht wird etwas niedriger sein als bei einigen doppelbrechenden Prisma-Typen, bei Polaroid-Polarisatoren etwa 38% für Polarisatoren vom Typ Polaroid, jedoch erheblich höher (> 49,9%).^[44]

Zusätzlich zu Doppelbrechung und Dichroismus in erweiterten Medien können Polarisationseffekte auch an der (reflektierenden) Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex auftreten. Diese Effekte werden von der behandelt Fresnel -Gleichungen. Ein Teil der Welle wird übertragen und ein Teil reflektiert, wobei das Verhältnis abhängig vom Inzidenzwinkel und dem Brechungswinkel abhängt. Auf diese Weise erholt sich die physische Optik Brewsters Winkel.^[44] Wenn Licht von a reflektiert dünner Film Auf einer Oberfläche kann die Störung zwischen den Reflexionen von den Oberflächen des Films Polarisation im reflektierten und übertragenen Licht erzeugen.

Natürliches Licht

Die Auswirkungen von a Polarisierungsfilter Auf dem Himmel auf einem Foto. Das linke Bild wird ohne Polarisator aufgenommen. Für das richtige Bild wurde der Filter eingestellt, um bestimmte Polarisationen des verstreuten blauen Lichts vom Himmel zu beseitigen.

Die meisten elektromagnetischen Strahlungsquellen enthalten eine große Anzahl von Atomen oder Molekülen, die Licht emittieren. Die Ausrichtung der von diesen Emitter erzeugten elektrischen Feldern ist möglicherweise nicht korreliertIn diesem Fall soll das Licht sein unpolarisiert. Wenn zwischen den Emitter teilweise Korrelation besteht, ist das Licht das Licht teilweise polarisiert. Wenn die Polarisation über das Spektrum der Quelle konsistent ist, kann ein teilweise polarisiertes Licht als Überlagerung einer vollständig unpolarisierten Komponente beschrieben werden, und eine vollständig polarisierte. Man kann dann das Licht in Bezug auf das beschreiben Polarisationsgradund die Parameter der Polarisation Ellipse.^[44]

Licht, das durch glänzende transparente Materialien reflektiert wird, wird teilweise oder vollständig polarisiert, außer wenn das Licht normal (senkrecht) zur Oberfläche ist. Es war dieser Effekt, der es dem Mathematiker Étienne-Louis Malus ermöglichte, die Messungen vorzunehmen, die seine Entwicklung der ersten mathematischen Modelle für polarisiertes Licht ermöglichten. Polarisation tritt auf, wenn Licht in der verstreut ist Atmosphäre. Das verstreute Licht erzeugt die Helligkeit und Farbe in klar Himmel. Diese partielle Polarisation von gestreutetem Licht kann die Verwendung von Polarisierungsfiltern nutzen, um den Himmel in den Himmel zu verdunkeln Fotos. Die optische Polarisation ist hauptsächlich von Bedeutung in Chemie wegen Kreisendichroismus und optische Rotation ("kreisförmige Dokr") ausgestellt von optisch aktiv (chiral) Moleküle.^[44]

Moderne Optik

Moderne Optik umfasst die Bereiche der optischen Wissenschaft und Ingenieurwesen, die im 20. Jahrhundert populär wurden. Diese Bereiche der optischen Wissenschaft beziehen sich typischerweise auf die elektromagnetischen oder quanteneigenen Lichteigenschaften, enthalten jedoch andere Themen. Ein großes Unterfeld der modernen Optik, Quantenoptik, befasst sich mit spezifisch quantenmechanischen Eigenschaften von Licht. Quantenoptik ist nicht nur theoretisch; Einige moderne Geräte wie Laser haben Betriebsprinzipien, die von der Quantenmechanik abhängen. Lichtdetektoren wie z. Fotomultiplierer und Channeltronsreagieren Sie auf einzelne Photonen. Elektronisch Bildsensoren, wie zum Beispiel CCDs, Ausstellungsstück Schuss Lärm entspricht der Statistik einzelner Photonenereignisse. Leuchtdioden und Photovoltaik-ZellenAuch nicht ohne Quantenmechanik verstanden werden. Bei der Untersuchung dieser Geräte überschneidet sich die Quantenoptik häufig mit Quantenelektronik.^[68]

Spezialbereiche der Optikforschung umfassen die Untersuchung, wie Licht mit bestimmten Materialien wie in interagiert Kristalloptik und Metamaterialien. Andere Forschungen konzentrieren sich auf die Phänomenologie elektromagnetischer Wellen wie in Singularoptik, Nicht-Imaging-Optik, Nichtlineare Optikstatistische Optik und Radiometrie. Zusätzlich, Computeringenieure haben sich interessiert an integrierte Optik, Maschinenaufwand, und Photonisches Computer als mögliche Komponenten der "nächsten Generation" von Computern.^[69]

Heute wird die reine Wissenschaft der Optik als optische Wissenschaft bezeichnet oder Optische Physik Um es von angewandten optischen Wissenschaften zu unterscheiden, die als als bezeichnet werden Optische Ingenieurwesen. Zu den prominenten Teilfeldern des optischen Ingenieurwesens gehören Illuminationstechnik, Photonik, und Optoelektronik mit praktischen Anwendungen wie Objektivdesign, Herstellung und Prüfung optischer Komponenten, und Bildverarbeitung. Einige dieser Felder überschneiden sich mit nebulösen Grenzen zwischen den Begriffen der Probanden, die in verschiedenen Teilen der Welt und in verschiedenen Bereichen der Industrie etwas unterschiedliche Dinge bedeuten. Eine professionelle Gemeinschaft von Forschern in nichtlinearer Optik hat sich in den letzten Jahrzehnten aufgrund von Fortschritten in der Lasertechnologie entwickelt.^[70]

Laser

Experimente wie diese mit Hochleistungen Laser sind Teil der modernen Optikforschung.

Ein Laser ist ein Gerät, das Licht, eine Art elektromagnetische Strahlung, durch einen Prozess abgibt, der genannt wird stimulierte Emission. Der Begriff Laser- ist ein Akronym zum Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.^[71] Laserlicht ist normalerweise räumlich kohärentwas bedeutet, dass das Licht entweder in einem schmalen, emittiert ist, Strahl mit niedriger Divergenzoder kann mit Hilfe optischer Komponenten wie Objektiven in eine umgewandelt werden. Weil das Mikrowellenäquivalent des Lasers die Maserwurde zuerst entwickelt, Geräte, die Mikrowelle aussenden und Radio Frequenzen werden normalerweise genannt Maser.^[72]

Vlt'S Laser Guide Star^[73]

Der erste funktionierende Laser wurde am 16. Mai 1960 von demonstriert Theodore Maiman bei Hughes Research Laboratories.^[74] Als sie zum ersten Mal erfunden wurden, wurden sie als "Lösung nach einem Problem" bezeichnet.^[75] Seitdem sind Laser zu einer milliardenschweren Branche geworden, die in Tausenden von unterschiedlich vielfältigen Anwendungen einen Dienstprogramm findet. Die erste Anwendung von Lasern, die im täglichen Leben der allgemeinen Bevölkerung sichtbar waren, war der Supermarkt Barcode Scanner, 1974 eingeführt.^[76] Das Laserdisc Der 1978 eingeführte Spieler war das erste erfolgreiche Verbraucherprodukt, das einen Laser umfasste, aber die Compact Disc Der Spieler war das erste mit Laser ausgestattete Gerät, das ab 1982 in den Häusern der Verbraucher wirklich verbreitet war.^[77] Diese optische Speicherung Geräte verwenden a Halbleiterlaser Weniger als ein Millimeter breit, um die Oberfläche der Scheibe zum Datenabruf zu scannen. Faseroptische Kommunikation stützt sich auf Laser, um große Informationsmengen mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Andere gängige Anwendungen von Lasern umfassen Laserdrucker und Laserzeiger. Laser werden in Medikamenten in Bereichen wie verwendet Blutlose Operation, Laser-Augenchirurgie, und Laserfassungsmikrodissektion und in militärischen Anwendungen wie z. Raketenabwehrsysteme, Elektrooptische Gegenmaßnahmen (EOCM), und LIDAR. Laser werden auch in verwendet Hologramme, BubbleGrams, Laserlicht zeigt, und Laser-Haarentfernung.^[78]

Kapitsa–Dirac effect

Das Kapitsa–Dirac effect führt dazu, dass Strahlen von Partikeln beendet werden, wenn es darum geht, eine stehende Lichtwelle zu treffen. Licht kann verwendet werden, um Materie mit verschiedenen Phänomenen zu positionieren (siehe Optische Pinzetten).

Anwendungen

Optik ist Teil des Alltags. Die Allgegenwart von visuelle Systeme in der Biologie gibt die zentrale Rolle an, die Optik als Wissenschaft eines der der fünf Sinne. Viele Menschen profitieren von Brille oder Kontaktlinsenund Optik sind ein wesentlicher Bestandteil der Funktionsweise vieler Konsumgüter, einschließlich Kameras. Regenbogen und Mirages sind Beispiele für optische Phänomene. Optische Kommunikation Bietet das Rückgrat für beide Internet und modern Telefonie.

Menschliches Auge

Modell eines menschlichen Auges. In diesem Artikel erwähnte Funktionen sind 1. Glaskörper Humor 3. Ziliarmuskel, 6. Schüler, 7. Vorderkammer, 8. Hornhaut, 10. Objektivrinde, 22. Sehnerv, 26. Fovea, 30. Retina

Das menschliche Auge funktioniert, indem sie Licht auf eine Schicht von fokussieren Photorezeptorzellen nannte die Retina, die die innere Auskleidung des Hintergrundrückens bildet. Die Fokussierung wird durch eine Reihe transparenter Medien erreicht. Licht, das in das Auge eintritt, verläuft zuerst durch die Hornhaut, die einen Großteil der optischen Kraft des Auges liefert. Das Licht wird dann durch die Flüssigkeit direkt hinter der Hornhaut fortgesetzt - das Vorderkammer, dann geht die durch die Schüler. Das Licht geht dann durch die Linse, was das Licht weiter konzentriert und die Anpassung des Fokus ermöglicht. Das Licht geht dann durch den Hauptkörper der Flüssigkeit im Auge - das Glaskörper Humorund erreicht die Netzhaut. Die Zellen in der Netzhaut säumen den Augenrücken, außer wo der Sehnerv ausgeht; Dies führt zu a blinder Fleck.

Es gibt zwei Arten von Photorezeptorzellen, Stäben und Zapfen, die für verschiedene Aspekte des Lichts empfindlich sind.^[79] Stäbchenzellen reagieren empfindlich gegenüber der Lichtintensität über einen weiten Frequenzbereich und sind somit verantwortlich für Schwarz-Weiß-Vision. Stabzellen sind auf der Fovea nicht vorhanden, dem Bereich der Retina, das für das zentrale Sehen verantwortlich ist, und reagieren nicht so reaktionsschnell wie Kegelzellen für räumliche und zeitliche Lichtveränderungen. Es gibt jedoch zwanzig Mal mehr Stabzellen als Kegelzellen in der Netzhaut, da die Stabzellen in einem breiteren Bereich vorhanden sind. Aufgrund ihrer breiteren Verteilung sind Stäbe dafür verantwortlich peripherale Sicht.^[80]

Im Gegensatz dazu reagieren Kegelzellen weniger empfindlich gegenüber der Gesamtintensität des Lichts, sind jedoch in drei Sorten enthalten, die für unterschiedliche Frequenzbereiche empfindlich sind und daher bei der Wahrnehmung von verwendet werden Farbe und photopische Sicht. Kegelzellen sind in der Fovea stark konzentriert und haben eine hohe Sehschärfe, was bedeutet, dass sie bei räumlicher Auflösung besser sind als Stabzellen. Da Kegelzellen nicht so empfindlich gegenüber düsterem Licht sind wie Stabzellen, die meisten Nachtsicht ist auf Stabzellen beschränkt. Da sich Kegelzellen in der Fovea befinden, wird von Kegelzellen in der Fovea ein zentrales Sehen (einschließlich des Sehvermögens, das für die meiste Lektüre, feine Detailarbeiten wie das Nähen oder eine sorgfältige Untersuchung von Objekten erforderlich ist).^[80]

Ziliäre Muskeln rund um die Linse ermöglichen es, dass der Fokus des Auges angepasst wird. Dieser Prozess ist als bekannt als Unterkunft. Das Nahpunkt und weit Punkte Definieren Sie die nächstgelegenen und am weitesten entfernten Entfernungen aus dem Auge, bei dem ein Objekt in scharfem Fokus gebracht werden kann. Für eine Person mit normalem Sehvermögen befindet sich der ferne Punkt im Unendlichen. Der Standort des Nahpunkts hängt davon ab, wie viel die Muskeln die Krümmung der Linse erhöhen können und wie unflexibel die Linse mit dem Alter geworden ist. Optiker, Augenärzte, und Optiker Betrachten Sie normalerweise einen angemessenen Nahpunkt, um näher als der normale Leseabstand zu sein - ungefähr 25 cm.^[79]

Sehstörungen können mit optischen Prinzipien erklärt werden. Mit zunehmendem Alter wird die Linse weniger flexibel und der Nahpunkt geht aus dem Auge, ein Zustand bekannt als Presbyopie. In ähnlicher Weise leiden Menschen unter Weitsichtigkeit Kann die Brennweite ihrer Linse nicht genug verringern, damit die Objekte in der Nähe auf ihrer Netzhaut abgebildet werden können. Umgekehrt leiden Menschen, die die Brennweite ihrer Linse nicht genug erhöhen, damit entfernte Objekte auf der Netzhaut abgebildet werden können Kurzsichtigkeit und haben einen fernen Punkt, der erheblich näher als unendlich ist. Ein Zustand, der als als bekannt ist Astigmatismus Ergebnisse, wenn die Hornhaut nicht kugelförmig ist, sondern in einer Richtung mehr gekrümmt ist. Dies führt dazu, dass sich horizontal erweiterte Objekte auf verschiedene Teile der Netzhaut konzentrieren als vertikal erweiterte Objekte, und führt zu verzerrten Bildern.^[79]

Alle diese Bedingungen können unter Verwendung korrigiert werden Korrekturlinsen. Für Presbyopie und Hyperopie a Sammellinse Bietet die zusätzliche Krümmungs- abweichende Linse Bietet die Krümmung, die erforderlich ist, um den fernen Punkt an Unendlichkeit zu senden. Astigmatismus wird mit a korrigiert Zylindrische Oberfläche Linse, die stärker in eine Richtung krümmt als in einer anderen und die Ungleichmäßigkeit der Hornhaut ausgleichen.^[81]

Die optische Kraft von Korrekturlinsen wird in gemessen Diopter, ein Wert, der dem entspricht gegenseitig der in Meter gemessenen Brennweite; mit einer positiven Brennweite, die einer konvergierenden Linse entspricht und einer negativen Brennweite einer divergierenden Linse entspricht. Für Objektive, die auch für Astigmatismus korrekt sind, werden drei Zahlen angegeben: eine für die sphärische Kraft, eine für die zylindrische Kraft und einen für den Orientierungswinkel des Astigmatismus.^[81]

Visuelle Effekte

Die Ponzo -Illusion beruht auf der Tatsache, dass parallele Linien bei der Annäherung an Unendlichkeit zu konvergieren scheinen.

Optische Illusionen (auch visuelle Illusionen genannt) sind durch visuell wahrgenommene Bilder gekennzeichnet, die sich von der objektiven Realität unterscheiden. Die vom Auge gesammelten Informationen werden im Gehirn verarbeitet, um a zu geben Wahrnehmung Das unterscheidet sich von dem abgebildeten Objekt. Optische Illusionen können das Ergebnis einer Vielzahl von Phänomenen sein, einschließlich physikalischer Effekte, die Bilder erzeugen, die sich von den Objekten unterscheiden, die sie machen, die physiologischen Wirkungen auf die Augen und das Gehirn übermäßiger Stimulation (z. B. Helligkeit, Neigung, Farbe, Bewegung) und kognitive Illusionen, wo sich Auge und Gehirn machen unbewusste Schlussfolgerungen.^[82]

Zu den kognitiven Illusionen gehören einige, die sich aus der unbewussten Fehlanwendung bestimmter optischer Prinzipien ergeben. Zum Beispiel die Ames Zimmer, Hering, Müller-Lyer, Orbison, Ponzo, Schleifer, und Wundt Illusionen Alle stützen sich auf den Vorschlag des Auftretens der Entfernung, indem konvergierende und divergierende Linien verwendet werden, ebenso wie parallele Lichtstrahlen (oder in der Tat jeder Satz paralleler Linien) bei einem konvergieren Fluchtpunkt bei unendlich in zweidimensional gerenderten Bildern mit künstlerischer Perspektive.^[83] Dieser Vorschlag ist auch für die Berühmten verantwortlich Mond -Illusion wo der Mond, obwohl er im Wesentlichen die gleiche Winkelgröße hat, in der Nähe der viel größer erscheint Horizont als es tut bei Zenit.^[84] Diese Illusion ist so verwirrt Ptolemäus dass er es fälschlicherweise auf die atmosphärische Brechung zurückführte, als er es in seiner Abhandlung beschrieb, Optik.^[8]

Eine andere Art von optischer Täuschung nutzt gebrochene Muster aus, um den Geist dazu zu bringen, Symmetrien oder Asymmetrien wahrzunehmen, die nicht vorhanden sind. Beispiele sind die Caféwand, Ehrenstein, Fraser Spiral, Poggendorff, und Zöllner Illusionen. Verwandte, aber nicht streng Illusionen sind Muster, die aufgrund der Überlagerung periodischer Strukturen auftreten. Zum Beispiel, transparent Gewebe mit einer Gitterstruktur erzeugen Formen, die als als bekannt sind Moiré Muster, während die Überlagerung periodischer transparenter Muster, die parallele undurchsichtige Linien oder Kurven umfassen, erzeugt Linie Moiré Muster.^[85]

Optische Instrumente

Abbildungen verschiedener optischer Instrumente aus dem 1728 Cyclopaedia

Single -Objektive haben eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Fotobinsen, Korrekturlinsen und Vergrößerungsbrillen, während einzelne Spiegel in parabolischen Reflektoren verwendet werden und Rückspiegel. Die Kombination einer Reihe von Spiegeln, Prismen und Linsen erzeugt zusammengesetzte optische Instrumente, die praktische Verwendungszwecke haben. Zum Beispiel a Periskop Ist einfach zwei Ebenenspiegel ausgerichtet, um die Hinsicht um Hindernisse zu ermöglichen. Die berühmtesten optischen Instrumente der Wissenschaft in der Wissenschaft sind das Mikroskop und das Teleskop, das beide Ende des 16. Jahrhunderts von den Holländern erfunden wurden.^[86]

Mikroskope wurden zuerst mit nur zwei Objektiven entwickelt: a Objektivlinse und ein Okular. Die objektive Linse ist im Wesentlichen ein Lupenglas und wurde mit einer sehr kleinen Brennweite entworfen, während das Okular eine längere Brennweite hat. Dies hat den Effekt, vergrößerte Bilder von engen Objekten zu erzeugen. Im Allgemeinen wird eine zusätzliche Beleuchtungsquelle verwendet Energieerhaltung und die Ausbreitung von Lichtstrahlen über eine größere Oberfläche. Moderne Mikroskope, bekannt als als Verbindungsmikroskope Haben Sie viele Objektive (normalerweise vier), um die Funktionalität zu optimieren und die Bildstabilität zu verbessern.^[86] Eine leicht unterschiedliche Vielfalt an Mikroskop, die Vergleichsmikroskop, betrachtet nebeneinander Bilder, um a zu produzieren stereoskopisch Fernglas Ansicht, die dreidimensional erscheint, wenn sie von Menschen verwendet werden.^[87]

Die ersten Teleskope, die als refraktierende Teleskope bezeichnet werden, wurden ebenfalls mit einem einzigen Objektiv- und Augenweiserobjektiv entwickelt. Im Gegensatz zum Mikroskop wurde die objektive Linse des Teleskops mit einer großen Brennweite ausgelegt, um optische Aberrationen zu vermeiden. Das Ziel fokussiert ein Bild eines entfernten Objekts an seinem Brennpunkt, das sich an den Brennpunkt eines Okulars einer viel kleineren Brennweite befindet. Das Hauptziel eines Teleskops ist nicht unbedingt eine Vergrößerung, sondern die Sammlung von Licht, die durch die physikalische Größe der objektiven Linse bestimmt wird. Daher werden Teleskope normalerweise eher durch die Durchmesser ihrer Ziele als durch die Vergrößerung angezeigt, die durch Wechseln von Augenleisten geändert werden kann. Da die Vergrößerung eines Teleskops gleich der fokalen Länge des Ziels ist, geteilt durch die Brennweite des Augenweide, verursachen kleinere Augenhäkchen mit Brennlänge eine größere Vergrößerung.^[86]

Da es viel schwieriger ist, große Objektive zu basteln, sind es die meisten modernen Teleskope ReflexionsteleskopeDas heißt, Teleskope, die eher einen primären Spiegel als eine objektive Linse verwenden. Die gleichen allgemeinen optischen Überlegungen gelten für reflektierende Teleskope, die auf die Beugung von Teleskopen angewendet werden. Je größer der primäre Spiegel ist, desto mehr gesammeltes Licht und die Vergrößerung ist immer noch gleich der Brennweite des Primärspiegel . Professionelle Teleskope haben im Allgemeinen keine Augenfänger und platzieren stattdessen stattdessen ein Instrument (häufig ein ladungsgekoppeltes Gerät) am Brennpunkt.^[86]

Fotografie

Foto mit Blende aufgenommen f/32

Foto mit Blende aufgenommen f/5

Die Optik der Fotografie umfasst sowohl Linsen als auch das Medium, in dem die elektromagnetische Strahlung aufgezeichnet wird, ob es sich um a Teller, Film, oder ladungsgekoppeltes Gerät. Fotografen müssen die berücksichtigen Gegenseitigkeit der Kamera und der Aufnahme, die durch die Beziehung zusammengefasst ist

Exposition ∝ Aperturearea × Exposuretime × Szeneluminanz^[88]

Mit anderen Worten, je kleiner die Apertur (die eine größere Fokusstiefe aufweist), desto weniger Licht kommt so, dass die Zeitdauer erhöht werden muss (was zu einer möglichen Unschärfe führt, wenn Bewegung auftritt). Ein Beispiel für die Verwendung des Gesetzes der Gegenseitigkeit ist das Sonnige 16 Regel Dies ergibt eine grobe Schätzung für die Einstellungen, die erforderlich sind, um die richtigen Schätzungen abzuschätzen Exposition bei Tageslicht.^[89]

Die Blende einer Kamera wird durch eine einheitlose Zahl gemessen, die als die genannt wird Fnummer oder f-stop, f/#, oft notiert als ${\ displayStyle n}$und gegeben durch

${\ displayStyle f/\#= n = {\ frac {f} {d}} \}$

wo ${\ displayStyle f}$ ist die Brennweite und ${\ displayStyle d}$ ist der Durchmesser des Eingangspupille. Vereinbarungs, "f/#"wird als einzelnes Symbol und spezifische Werte von behandelt f/# werden geschrieben, indem die ersetzt werden Nummernschild mit dem Wert. Die beiden Möglichkeiten zur Erhöhung des F-Stopps bestehen darin, entweder den Durchmesser des Eingangspupille zu verringern oder auf eine längere Brennweite zu wechseln (im Fall von a ZoomobjektivDies kann durch einfaches Einstellen der Linse erfolgen. Höhere F-Zahlen haben auch eine größere Tiefenschärfe Aufgrund der Linse, die sich der Grenze einer Lochkamera nähert, die alle Bilder perfekt fokussieren kann, unabhängig von der Entfernung, erfordert jedoch sehr lange Belichtungszeiten.^[90]

Das Sichtfeld, dass die Linse Änderungen mit der Brennweite der Linse liefert. Es gibt drei grundlegende Klassifikationen, die auf der Beziehung zur diagonalen Größe des Film- oder Sensorgröße der Kamera zur Brennweite der Linse basieren:^[91]

• Normales Objektiv: Sichtwinkel von etwa 50 ° (genannt normal Weil dieser Winkel, der ungefähr dem menschlichen Sehen entspricht^[91]) und eine Brennweite, die ungefähr der Diagonale des Films oder des Sensors entspricht.^[92]
• Weitwinkelobjektiv: Sichtwinkel breiter als 60 ° und Brennlänge kürzer als eine normale Linse.^[93]
• Langes Fokusobjektiv: Sichtwinkel schmaler als eine normale Linse. Dies ist eine Linse mit einer Brennweite länger als das diagonale Maß des Films oder Sensors.^[94] Die häufigste Art der langen Fokusobjektiv ist die Teleobjektiv, ein Design, das ein besonderes verwendet Telegruppe physisch kürzer sein als seine Brennweite.^[95]

Moderne Zoomlinsen können einige oder alle diese Attribute haben.

Der absolute Wert für die erforderliche Belichtungszeit hängt davon ab, wie empfindlich Zum Licht des verwendeten Mediums wird (gemessen durch die Filmgeschwindigkeit, oder für digitale Medien von der Quanteneffizienz).^[96] Frühe Fotografie verwendeten Medien mit sehr schlechten Lichtempfindlichkeit, und so mussten die Belichtungszeiten selbst für sehr helle Aufnahmen lang sein. Wie sich die Technologie verbessert hat, hat auch die Sensibilität durch Filmkameras und Digitalkameras.^[97]

Andere Ergebnisse der physischen und geometrischen Optik gelten für die Kameraoptik. Beispielsweise wird die maximale Auflösung der Fähigkeit einer bestimmten Kamera-Einrichtung durch die bestimmt Beugungsgrenze mit der Pupillengröße verbunden und ungefähr durch das Rayleigh -Kriterium gegeben.^[98]

Atmosphärische Optik

Ein farbenfroher Himmel ist oft auf die Streuung von Licht von Partikeln und Verschmutzung zurückzuführen, wie auf diesem Foto eines Sonnenuntergangs während der Oktober 2007 Kalifornien Waldbrände.

Die einzigartigen optischen Eigenschaften der Atmosphäre verursachen eine Vielzahl spektakulärer optischer Phänomene. Die blaue Farbe des Himmels ist ein direktes Ergebnis der Rayleigh -Streuung, die das Sonnenlicht mit höherer Frequenz (blau) wieder in das Sichtfeld des Beobachters umleitet. Da blaues Licht leichter verstreut ist als rotes Licht, nimmt die Sonne einen rötlichen Farbton an, wenn es durch eine dicke Atmosphäre beobachtet wird Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang. Zusätzliche Partikel am Himmel können verschiedene Farben in verschiedenen Winkeln verstreuen, die in der Abenddämmerung und des Morgengrauens farbenfrohen Himmel erzeugen. Die Streuung von Eiskristallen und anderen Partikeln in der Atmosphäre sind verantwortlich für Halos, Nachglühungen, Coronas, Sonnenlichtstrahlen, und Sonnenhunde. Die Variation dieser Phänomene ist auf unterschiedliche Partikelgrößen und Geometrien zurückzuführen.^[99]

Mirages sind optische Phänomene, bei denen Lichtstrahlen aufgrund thermischer Schwankungen im Brechungsindex von Luft gebogen werden und verdrängte oder stark verzerrte Bilder von entfernten Objekten erzeugen. Andere dramatische optische Phänomene, die damit verbunden sind Novaya Zemlya -Effekt wo die Sonne früher zu steigen scheint als mit einer verzerrten Form vorhergesagt. Eine spektakuläre Form der Brechung tritt bei a Temperaturinversion genannt Fata Morgana Wo Objekte am Horizont oder sogar über den Horizont wie Inseln, Klippen, Schiffe oder Eisberge hinaus länglich und erhöht erscheinen, wie "Märchenburgen".^[100]

Regenbogen sind das Ergebnis einer Kombination aus innerer Reflexion und dispersiven Lichtbrechung bei Regentropfen. Eine einzelne Reflexion von den Rücken einer Reihe von Regentropfen erzeugt einen Regenbogen mit einer Winkelgröße am Himmel, die von 40 ° bis 42 ° mit rot an der Außenseite reicht. Doppelte Regenbogen werden durch zwei interne Reflexionen mit Winkelgröße von 50,5 ° bis 54 ° mit Violett außen hergestellt. Da Regenbogen mit der Sonne 180 ° von der Mitte des Regenbogens entfernt sind, sind Regenbogen deutlicher, je näher die Sonne am Horizont liegt.^[66]

Siehe auch

• Ionenoptik
• Wichtige Veröffentlichungen in der Optik
• Liste der optischen Themen

Verweise

Weitere Lektüre

• Geboren, max; Wolf, Emil (2002). Prinzipien der Optik. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-64340-5.
• Hecht, Eugene (2002). Optik (4 ed.). Addison-Wesley Longman, Incorporated. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physik für Wissenschaftler und Ingenieure (6, illustrated ed.). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2004). Physik für Wissenschaftler und Ingenieure: Strom, Magnetismus, Licht und elementare moderne Physik. Vol. 2. W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Lipson, Stephen G.; Lipson, Henry; Tannhauser, David Stefan (1995). Optische Physik. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-43631-1.
• Fowles, Grant R. (1975). Einführung in die moderne Optik. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-65957-2.

Externe Links

Relevante Diskussionen

• Optik an In unserer Zeit Bei der BBC

Lehrbücher und Tutorials

• Licht und Materie -Ein Open-Source-Lehrbuch mit einer Behandlung von Optik in Ch. 28-32
• Optics2001 - Optikbibliothek und Community
• Grundlegende Optik - Melles Griot Technical Guide
• Physik von Licht und Optik – Brigham Young Universität Bachelorbuch
• Optik für PV -Eine Schritt-für-Schritt-Einführung in die klassische Optik

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Weitere Lektüre

• Optik und Photonik: Physik verstärkt unser Leben durch Veröffentlichungen des Instituts für Physik

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