Геометрическая оптика

Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

 

Краеугольным  приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

 

В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место интерференция, в результате которой ограниченный пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение т.е имеет место дифракция. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

 

Кроме отсутствия волновых эффектов, в геометрической оптике пренебрегают также квантовыми эффектами. Как правило, скорость распространения света считается бесконечной (вследствие чего динамическая физическая задача превращается в геометрическую), однако учёт конечной скорости света в рамках геометрической оптики (например, в астрофизических приложениях) не представляет трудности. Кроме того, как правило, не рассматриваются эффекты, связанные с откликом среды на прохождение лучей света. Эффекты такого рода, даже формально лежащие в рамках геометрической оптики, относят к нелинейной оптике. В случае, когда интенсивность светового пучка, распространяющегося в данной среде, достаточно мала для того, чтобы можно было пренебречь нелинейными эффектами, геометрическая оптика базируется на общем для всех разделов оптики фундаментальном законе о независимом распространении лучей. Согласно нему лучи при встрече с другими лучами продолжает распространяться в том же направлении, не изменив амплитуды, частоты, фазы и плоскости поляризации электрического вектора световой волны. В этом смысле лучи света не влияют друг на друга и распространяются независимо. Результирующая картина распределения интенсивности поля излучения во времени и пространстве при взаимодействии лучей может быть объяснена явлением интерференции.

 

Не учитывает  геометрическая оптика также и поперечного характера световой волны. Вследствие этого в геометрической оптике не рассматривается поляризация света и связанные с ней эффекты. Законы геометрической оптики

 

В основе геометрической оптики лежат несколько простых  эмпирических законов:

Закон прямолинейного распространения света

Закон независимого распространения лучей

Закон отражения  света

Закон преломления  света (Закон Снеллиуса, или Снелла)

Закон обратимости светового луча. Согласно ему, луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

 

Поскольку геометрическая оптика не учитывает волновой природы света, в ней действует постулат, согласно которому если в какой-то точке сходятся две (или большее количество) систем лучей, то освещённости, создаваемые ими, складываются.

 

Однако наиболее последовательным является вывод законов геометрической оптики из волновой оптики в эйкональном  приближении. В этом случае, основным уравнением геометрической оптики становится уравнение эйконала, которое допускает также словесную интерпретацию в виде принципа Ферма, из которого и выводятся перечисленные выше законы.

 

Частным видом геометрической оптики является матричная оптика.

[править]

Разделы геометрической оптики

 

Среди разделов геометрической оптики стоит отметить

расчёт оптических систем в параксиальном  приближении

распространение света вне параксиального приближения, формирование каустик  и прочих особенностей световых фронтов.

распространение света в неоднородных и неизотропных средах (градиентная  оптика)

распространение света в волноводах и оптоволокне

распространение света в гравитационных полях  массивных астрофизических объектов, гравитационное линзирование.

[править]

История исследований

 

Евклид  в «Оптике» показал прямолинейность  распространения света.

 

Клавдий Птолемей исследовал преломление света на границе воздух—вода и воздух—стекло. Большую роль в развитии оптики, как науки сыграли ученые Востока, такими как ученые Азербайджана Бахманияр аль Азербайджани и Насреддин Туси. Они также имели свой взгляд на природу света и указывали, что свет имеет как свойства волны, так и свойства потока частиц. Арабский учёный Ибн ал-Хайсам (Аль-Гасан) изучал законы преломления и отражения света. Одним из первых высказал мысль о том, что источником световых лучей является не глаз, а светящиеся предметы. Он также в частности доказал, что изображение предмета возникает в хрусталике глаза. Он сумел получить изображения предметов в плоских, выпуклых, вогнутых, цилиндрических стеклах и линзах, а также показал, что выпуклая линза дает увеличенное изображение.

 

 

Иоганн  Кеплер в трактате «Дополнения к  Виттелию» («Оптическая астрономия», 1604) изложил основы геометрической оптики, сформулировал закон об обратно пропорциональной зависимости освещённости и квадрата расстояния от источника.

 

Виллеброрд  Снелл в 1621 году открыл закон преломления  света (закон Снеллиуса).