Геометрическая оптика

Оптика в эпоху Ньютона

Геометрическая оптика — раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света на основе положений о световых лучах. Световой луч принят как линия, вдоль которой распространяется поток световой (квантовой) энергии.

Понятие луча согласуется с реальностью только в том случае, когда можно пренебрегать дифракцией света на оптических неоднородностях. Это допустимо в случае, когда длина световой волны намного меньше размеров неоднородностей. Законы геометрической оптики позволяют создать упрощённую и в большинстве случаев достаточно точную теорию оптических систем. На основе геометрическаой оптики можно объясняить образование оптических изображений, возможность вычислять аберрации оптических систем и разрабатывать методы их исправления; вывести энергетические соотношения в световых пучках, проходящих через оптические системы. Однако волновые явления, в том числе дифракционные, влияющие на качество изображений и определяющие разрешающую способность оптических приборов, в геометрической оптике не рассматриваются

История

Время, за которое свет, пущенный с Земли, достигает Луны.

Еще в античной науке возникло редставление о световых лучах. Евклид, обобщив достижения своих предшественников, сформулировал закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.

В 17 в. в связи с изобретением ряда оптических приборов (зрительная труба, лупа, телескоп, микроскоп и т.д.) и началом их широкого использования Геометрическая оптика начала бурно развиваться. Большая роль в этом развитии принадлежит И. Кеплеру, Р. Декарту и В. Снеллю. Так Снелля открыл закон преломления света. Построение теоретических основ геометрической оптики к середине 17 в. было завершено установлением Ферма принципа, утверждающего, что луч света, вышедший из одной точки и проходящий через несколько сред с произвольными границами и меняющимся показателем преломления, попадает в другую точку за минимальное (точнее, за экстремальное) время. Для однородной среды принцип Ферма сводится просто к закону прямолинейного распространения света. Законы преломления и отражения, исторически открытые ранее, также являются следствиями этого принципа, который сыграл значительную роль в развитии и др. разделов физической теории.

Исторически на опытах с призмой было начато исследование первых спектров — оптических. Первым был Исаак Ньютон, который в своем труде «Оптика», вышедшем в 1704 г. опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносятся призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII столетии.

С 18 в. Геометрическая оптика, совершенствуя методы расчёта оптических систем, развивалась как прикладная наука. После создания классической электродинамики было показано, что формулы геометрической оптики могут быть получены из уравнений Максвелла в качестве предельного случая, соответствующего переходу к исчезающе малой длине волны.

Трёхгранная призма раcщепляет белый свет, лучи с разной длиной волны преломляются по-разному

Геометрическая оптика — пример теории, позволившей при малом числе фундаментальных понятий и законов (представление о лучах света, законы отражения и преломления) получать много практически важных результатов. В теории и практике изготовления оптических устройств она сохранила большое значение до настоящего времени. Например, Коши пришел к формуле, выражающей зависимость коэффициента преломления от длины волны:

$n=a+b/L^2+c/L^4+$…,

где:

• L — длина волны в вакууме;
• a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.

см. также

• Оптика
• Параксиальная геометрическая оптика
• Призма (оптика)