Optica geometrică (reflexia și refracția)

 (Geometria reflexiei și refracției luminii)

Optica geometrică, sau optica razelor, descrie propagarea luminii în termeni de raze. Raza din optica geometrică este o abstracție utilă pentru aproximarea căilor prin care lumina se propagă în anumite circumstanțe.

Ipotezele simplificatoare ale opticii geometrice includ că razele de lumină:

• se propagă în linie dreaptă cât timp călătoresc într-un mediu omogen
• se curbează și, în anumite circumstanțe, se pot împărți în două, la interfața dintre două medii diferite
• urmează traiectorii curbate într-un mediu în care se modifică indicele de refracție
• pot fi absorbite sau reflectate.

Optica geometrică nu ține cont de anumite efecte optice, cum ar fi difracția și interferența. Această simplificare este utilă în practică; este o aproximație excelentă atunci când lungimea de undă este mică comparativ cu dimensiunea structurilor cu care interacționează lumina. Tehnicile sunt deosebit de utile în descrierea aspectelor geometrice ale imaginii, inclusiv aberațiilor optice.

O rază luminoasă este o linie sau o curbă perpendiculară pe frontul de undă al luminii (și, prin urmare, este coliniară cu vectorul de undă).

O definiție puțin mai riguroasă a unei raze de lumină rezultă din principiul lui Fermat, care afirmă că traseul parcurs între două puncte de o rază de lumină este calea care poate fi traversată în cel mai scurt timp.

Optica geometrică este deseori simplificată prin realizarea aproximării paraxiale sau prin „aproximarea unghiului mic”. Comportamentul matematic devine apoi liniar, permițând componentelor și sistemelor optice să fie descrise prin matrice simple. Aceasta conduce la tehnicile de optică gaussiană și de urmărire a raselor paraxiale, care sunt folosite pentru a găsi proprietățile de bază ale sistemelor optice, cum ar fi pozițiile aproximative ale imaginilor și obiectelor și măriri.

Istorie

Optica a început cu dezvoltarea lentilelor de către vechii egipteni și mesopotamieni. Cele mai vechi lentile cunoscute, realizate din cristal lustruit, de multe ori cuarț, datează încă din anul 700 î.e.n. pentru lentilele asiriene, cum ar fi lentilele Layard/Nimrud. Vechii romani și greci au umplut sfere de sticlă cu apă pentru a face lentile. Aceste evoluții practice au fost urmate de dezvoltarea teoriilor despre lumină și vedere de către filosofii greci și indieni antici, și de dezvoltarea opticii geometrice în lumea greco-romană. Cuvantul optica provine din cuvantul grecesc antic Ïπτική (optikē), adica „aparență, aspect”.

Filosofia greacă despre optică s-a desprins în două teorii opuse referitor la modul în care funcționează vederea, „teoria intromisiei” și „teoria emisiilor”. Teoria intromisiei consideră vederea ca provenind din obiecte care transmit copii ale lor însele (numite eidola) care sunt captate de ochi. Cu mulți adepți, printre care Democrit, Epicur, Aristotel și urmașii lor, această teorie pare să aibă un anumit contact cu teoriile moderne despre ceea ce este cu adevărat vederea, dar a rămas doar speculații fără o bază experimentală.

Plato a articulat mai întâi teoria emisiilor, ideea că percepția vizuală este realizată de raze emise de ochi. El a comentat, de asemenea, inversarea parității oglinzilor în Timaeus. La sute de ani mai târziu, Euclid a scris un tratat intitulat „Optica„, unde a legat vederea de geometrie, creând o optică geometrică. El și-a bazat lucrarea pe teoria emisiilor a lui Platon, descriind regulile matematice ale perspectivei și efectele calitative ale refracției, deși a pus la îndoială ideea că un fascicul de lumină din ochi ar putea lumina instant stelele de fiecare dată când cineva clipește. Ptolemeu, în tratatul său Optica, a dezvoltat o teorie a extramisiei-intromisiei vederii: razele (sau fluxul) din ochi formează un con, vârful fiind în ochi și baza definind câmpul vizual. Razele sunt sensibile și transmit informații înapoi intelectului observatorului cu privire la distanța și orientarea suprafețelor. El a rezumat o mare parte din Euclid și a descris o modalitate de a măsura unghiul de refracție, deși nu a observat relația empirică dintre acesta și unghiul de incidență.

În Evul Mediu, ideile grecești despre optică au fost resuscitate și extinse de scriitori în lumea musulmană. Unul dintre primii a fost Al-Kindi (c. 801-73) care a scris despre meritele ideilor aristotelice și euclideene din optică, favorizând teoria emisiilor, deoarece ar putea cuantifica mai bine fenomenele optice. În anul 984, matematicianul persan Ibn Sahl a scris tratatul „Despre arderea oglinzilor și lentilelor„, descriind în mod corect o lege a refracției echivalentă cu legea lui Snell. El a folosit această lege pentru a calcula formele optime pentru lentilele și oglinzile curbate. La începutul secolului al XI-lea, Alhazen (Ibn al-Haytham) a scris Cartea opticii (Kitab al-manazir) în care a explorat reflexia și refracția și a propus un nou sistem de explicare a vederii și a luminii bazat pe observație și experiment. El a respins „teoria emisiilor” a lui Ptolemeu cu razele sale fiind emise de ochi, și în schimb a prezentat ideea că lumina reflectată în toate direcțiile în linii drepte din toate punctele obiectelor văzute intră apoi în ochi, deși el nu a fost capabil să explice corect modul în care ochiul a captat razele. Activitatea lui Alhazen a fost în mare parte ignorată în lumea arabă, dar a fost tradusă anonim în latină în jurul anului 1200 și a fost în continuare rezumată și extinsă de călugărul polonez Witelo, făcând din el un text standard privind optica în Europa pentru următorii 400 de ani.

Primii ochelari au fost inventați în Italia în jurul anului 1286. Acesta a fost începutul industriei optice de șlefuire și lustruire a lentilelor pentru acești „ochelari”, mai întâi în Veneția și Florența în secolul al XIII-lea, și mai târziu în centrele de producție a ochelarilor din Olanda și Germania. Producătorii de ochelari au creat tipuri îmbunătățite de lentile pentru corectarea vederii bazate mai mult pe cunoștințele empirice obținute din observarea efectelor lentilelor decât pe utilizarea teoriei optice rudimentare a zilei (teorie care în cea mai mare parte nu a putut explica în mod adecvat modul în care au funcționat ochelarii ) Această dezvoltare practică, stăpânirea și experimentarea cu lentile, au condus direct la inventarea microscopului optic compus în jurul anului 1595 și a telescopului refractar în 1608, ambele apărând în centrele de fabricare a ochelarilor din Olanda.

La începutul secolului al XVII-lea, Johannes Kepler a extins optica geometrică în scrierile sale, acoperind lentilele, reflexia oglinzilor plate și curbate, principiile camerelor cu orificiu, legea invers-pătrată care guvernează intensitatea luminii și explicațiile optice ale fenomenelor astronomice, cum ar fi eclipsele lunare și solare și paralaxele astronomice. De asemenea, a reușit să deducă corect rolul retinei ca organ efectiv care înregistrează imagini, fiind capabil să cuantifice în mod științific efectele diferitelor tipuri de lentile pe care producătorii de ochelari le observaseră în ultimii 300 de ani. După inventarea telescopului, Kepler a stabilit baza teoretică a modului în care funcționează și a descris o versiune îmbunătățită, cunoscută sub numele de telescopul keplerian, folosind două lentile convexe pentru a produce o mărire mai mare.

Traducere din Wikipedia