Optik - Optics

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Optik, ışığın dağılımını incelemeyi içerir .

Optik , madde ile etkileşimleri ve onu kullanan veya tespit eden aletlerin yapımı da dahil olmak üzere ışığın davranışını ve özelliklerini inceleyen fizik dalıdır . Optik genellikle görünür , ultraviyole ve kızılötesi ışığın davranışını tanımlar . Işık elektromanyetik bir dalga olduğu için , X ışınları , mikrodalgalar ve radyo dalgaları gibi diğer elektromanyetik radyasyon biçimleri de benzer özellikler sergiler.

Çoğu optik olay , ışığın klasik elektromanyetik tanımı kullanılarak açıklanabilir . Bununla birlikte, ışığın tam elektromanyetik tanımlamalarının pratikte uygulanması genellikle zordur. Pratik optikler genellikle basitleştirilmiş modeller kullanılarak yapılır. Bunlardan en yaygın olanı olan geometrik optik , ışığı düz çizgiler halinde hareket eden ve yüzeylerden geçerken veya yansırken bükülen ışınlar topluluğu olarak ele alır . Fiziksel optik , geometrik optikte açıklanamayan kırınım ve girişim gibi dalga etkilerini içeren daha kapsamlı bir ışık modelidir . Tarihsel olarak, önce ışın tabanlı ışık modeli, ardından ışığın dalga modeli geliştirildi. 19. yüzyılda elektromanyetik teorideki ilerleme, ışık dalgalarının aslında elektromanyetik radyasyon olduğunun keşfedilmesine yol açtı.

Bazı fenomenler, ışığın hem dalga hem de parçacık benzeri özelliklere sahip olmasına bağlıdır . Bu etkilerin açıklanması kuantum mekaniğini gerektirir . Işığın parçacık benzeri özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, ışık " fotonlar " adı verilen parçacıklardan oluşan bir koleksiyon olarak modellenir . Kuantum optiği , kuantum mekaniğinin optik sistemlere uygulanmasıyla ilgilenir.

Optik bilimi, astronomi , çeşitli mühendislik alanları, fotoğrafçılık ve tıp (özellikle oftalmoloji ve optometri ) dahil olmak üzere birçok ilgili disiplinle ilgilidir ve üzerinde çalışılır . Optiklerin pratik uygulamaları, aynalar , lensler , teleskoplar , mikroskoplar , lazerler ve fiber optikler dahil olmak üzere çeşitli teknolojilerde ve günlük nesnelerde bulunur .

Tarih

Nimrud merceği

Optik, eski Mısırlılar ve Mezopotamyalılar tarafından lenslerin geliştirilmesiyle başladı . Cilalı kristalden, genellikle kuvarsdan yapılan bilinen en eski lensler, Girit'ten (Herakleon Arkeoloji Müzesi, Yunanistan) MÖ 2000'li yıllara kadar uzanmaktadır. Rodos'tan gelen lensler, Nimrud lensi gibi Asur lensleri gibi MÖ 700 civarında tarihleniyor . Antik Romalılar ve Yunanlılar yapmak lensler su ile cam küreleri doldurdu. Bu pratik gelişmeleri, eski Yunan ve Hintli filozoflar tarafından ışık ve görüş teorilerinin geliştirilmesi ve Greko-Romen dünyasında geometrik optiklerin gelişimi izledi . Kelime optikler gelen antik Yunan kelimesi ὀπτική ( optikē "görünüm, görünüm" anlamına gelir).

Yunan optik felsefesi, vizyonun nasıl çalıştığına dair iki karşıt teoriye ayrıldı: intromisyon teorisi ve emisyon teorisi . İntromisyon yaklaşımı, vizyonun, göz tarafından yakalanan kendilerinin (eidola adı verilen) kopyalarından çıkan nesnelerden geldiğini gördü. Demokritos , Epikuros , Aristoteles ve onların takipçileri de dahil olmak üzere birçok propagandacı ile bu teori, vizyonun gerçekte ne olduğuna dair modern teorilerle bir miktar bağlantıya sahip gibi görünüyor, ancak deneysel temeli olmayan sadece spekülasyon olarak kaldı.

Platon ilk olarak, görsel algının gözler tarafından yayılan ışınlarla gerçekleştirildiği fikrini ifade eden emisyon teorisini dile getirdi. Ayrıca Timaeus'daki aynaların parite tersine çevrilmesi üzerine yorum yaptı . Bazı yüz yıl sonra, Öklid (4-3 yy) başlıklı bir tez yazdı Optik o kadar vizyon bağlantılı nerede geometri oluşturma, geometrik optik . Çalışmasını, perspektifin matematiksel kurallarını tanımladığı ve kırılmanın etkilerini nitel olarak tanımladığı Platon'un emisyon teorisine dayandırdı , ancak gözden gelen bir ışık demetinin, her göz kırpışında yıldızları anında aydınlatabileceğini sorguladı. Öklid, ışığın en kısa yörüngesi ilkesini belirtti ve düz ve küresel aynalar üzerindeki çoklu yansımaları değerlendirdi. Ptolemy , Optics adlı incelemesinde , bir ekstramisyon-intromisyon görme teorisine sahipti: gözden gelen ışınlar (veya akı) bir koni oluşturdu, tepe noktası gözün içindeydi ve taban, görme alanını tanımlıyordu. Işınlar hassastı ve yüzeylerin uzaklığı ve yönü hakkında gözlemcinin aklına bilgi aktarıyordu. Öklid'in çoğunu özetledi ve kırılma açısını ölçmenin bir yolunu tanımlamaya devam etti , ancak bununla geliş açısı arasındaki ampirik ilişkiyi fark edemedi. Plutarch (MS 1. – 2. yüzyıl) küresel aynalar üzerine çoklu yansımaları tanımladı ve görüntülerin kiralitesi de dahil olmak üzere hem gerçek hem de hayali büyütülmüş ve küçültülmüş görüntülerin yaratılmasını tartıştı .

Alhazen (İbn-i Heysem), "Optiğin babası"
İbn Sahl'in kırılma yasası hakkındaki bilgisini gösteren el yazmasının bir sayfasının kopyası .

Orta Çağ boyunca, optik hakkındaki Yunan fikirleri, Müslüman dünyasındaki yazarlar tarafından yeniden dirildi ve genişletildi . Bunlardan en eskilerinden biri, optik fenomeni daha iyi ölçebildiği için emisyon teorisini destekleyen, Aristotelesçi ve Öklid optik fikirlerinin esası üzerine yazan Al-Kindi (c. 801–873) idi. 984'te İranlı matematikçi İbn Sahl, Snell yasasına eşdeğer bir kırılma yasasını doğru bir şekilde tanımlayan "Ayna ve merceklerin yakılması üzerine" incelemesini yazdı. Lensler ve kavisli aynalar için optimum şekilleri hesaplamak için bu yasayı kullandı . 11. yüzyılın başlarında, Alhazen (İbn-i Heysem), yansıma ve kırılmayı araştırdığı ve gözlem ve deneye dayalı vizyon ve ışığı açıklamak için yeni bir sistem önerdiği Optik Kitabı'nı ( Kitab al-manazir ) yazdı . Ptolemaik optiğin "emisyon teorisini", ışınlarının göz tarafından yayılmasıyla reddetti ve bunun yerine, ışığın görüntülenen nesnelerin tüm noktalarından her yöne düz çizgiler halinde yansıdığı ve ardından göze girdiği fikrini ortaya attı. gözün ışınları nasıl yakaladığını doğru bir şekilde açıklayamadı. Alhazen'in çalışması Arap dünyasında büyük ölçüde göz ardı edildi, ancak MS 1200 civarında isimsiz olarak Latince'ye çevrildi ve Polonyalı keşiş Witelo tarafından önümüzdeki 400 yıl boyunca Avrupa'da optik üzerine standart bir metin haline getirilerek özetlendi ve genişletildi .

Orta Çağ Avrupa'sında 13. yüzyılda, İngiliz piskopos Robert Grosseteste çok çeşitli bilimsel konular üzerine yazdı ve ışığı dört farklı perspektiften tartıştı: ışığın epistemolojisi , ışığın metafiziği veya kozmogonisi , ışığın etiyolojisi veya fiziği ve Işığın teolojisi , Aristoteles ve Platonculuk eserlerine dayanıyor. Grosseteste'nin en ünlü öğrencisi Roger Bacon , Alhazen, Aristoteles, İbn Sina , Averroes , Öklid, el-Kindi, Ptolemy, Tideus ve Afrikalı Konstantin dahil olmak üzere yakın zamanda çevrilmiş çok sayıda optik ve felsefi esere atıfta bulunan eserler yazdı . Bacon, ışığın nesnelerden salıverilmek yerine yansıtıldığını göstermek için cam küre parçalarını büyüteç olarak kullanabildi.

İlk giyilebilir gözlükler 1286 civarında İtalya'da icat edildi. Bu, ilk olarak 13. yüzyılda Venedik ve Floransa'da ve daha sonra her ikisinde de gözlük yapım merkezlerinde olmak üzere, bu "gözlükler" için camları taşlama ve parlatma optik endüstrisinin başlangıcıydı. Hollanda ve Almanya. Gözlük üreticileri, günün ilkel optik teorisini kullanmaktan ziyade lenslerin etkilerini gözlemleyerek elde edilen deneysel bilgiye dayalı olarak görüşün düzeltilmesi için geliştirilmiş lens türleri yarattılar (teori, çoğunlukla gözlüklerin nasıl çalıştığını yeterince açıklayamadı bile) ). Lenslerle ilgili bu pratik gelişme, ustalık ve deneyler , her ikisi de Hollanda'daki gözlük yapım merkezlerinde ortaya çıkan, 1595 civarında doğrudan bileşik optik mikroskobun ve 1608'de kırılma teleskopunun icat edilmesine yol açtı .

Johannes Kepler tarafından optikle ilgili ilk inceleme , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

17. yüzyılın başlarında Johannes Kepler, mercekleri, düz ve kavisli aynalarla yansımayı, iğne deliği kameralarının ilkelerini , ışığın yoğunluğunu yöneten ters kare yasasını ve astronomik olayların optik açıklamalarını kapsayan yazılarında geometrik optik üzerine genişledi. olarak ay ve güneş tutulmaları ve astronomik paralaks . Ayrıca, retinanın görüntüleri kaydeden asıl organ olarak rolünü doğru bir şekilde çıkarabildi ve sonunda gözlük üreticilerinin son 300 yıldır gözlemlediği farklı lens türlerinin etkilerini bilimsel olarak ölçebildi. Teleskopun icadından sonra Kepler , daha yüksek büyütme elde etmek için iki dışbükey mercek kullanarak Keplerian teleskopu olarak bilinen geliştirilmiş bir versiyonu nasıl çalıştıklarına ve tanımladıklarına dair teorik temeli ortaya koydu .

Newton'un Opticks'in (1704) ilk baskısının kapağı

Optik teori, 17. yüzyılın ortalarında filozof René Descartes tarafından yazılan ve ışığı üreten nesneler tarafından yayıldığını varsayarak yansıma ve kırılma dahil olmak üzere çeşitli optik olayları açıklayan incelemelerle ilerledi . Bu, eski Yunan emisyon teorisinden önemli ölçüde farklıydı. 1660'ların sonlarında ve 1670'lerin başlarında, Isaac Newton , Descartes'ın fikirlerini bir ışık cismi teorisine genişletti ve ünlü bir şekilde beyaz ışığın, bir prizma ile bileşen parçalarına ayrılabilen bir renk karışımı olduğunu belirledi . 1690'da, Christiaan Huygens , 1664'te Robert Hooke tarafından yapılan önerilere dayanarak ışık için bir dalga teorisi önerdi. Hooke'un kendisi, Newton'un ışık teorilerini ve ikisi arasındaki çekişmeyi Hooke'un ölümüne kadar sürdü. 1704'te Newton, Opticks'i yayınladı ve o zamanlar kısmen fiziğin diğer alanlarındaki başarısı nedeniyle, genellikle ışığın doğası konusundaki tartışmada galip olarak kabul edildi.

Newton optiği, Thomas Young ve Augustin-Jean Fresnel'in ışığın dalga doğasını sağlam bir şekilde belirleyen ışığın müdahalesi üzerine deneyler yaptığı 19. yüzyılın başlarına kadar genel olarak kabul edildi . Young'ın ünlü çift ​​yarık deneyi , ışığın , Newton'un parçacık teorisi tarafından tahmin edilmeyen dalga benzeri bir özellik olan süperpozisyon ilkesini izlediğini gösterdi . Bu çalışma, ışık için bir kırınım teorisine yol açtı ve fiziksel optikte tam bir çalışma alanı açtı. Dalga optiği, 1860'larda James Clerk Maxwell tarafından elektromanyetik teori ile başarılı bir şekilde birleştirildi .

Optik teorideki bir sonraki gelişme, 1899'da Max Planck , ışık ve madde arasındaki enerji değişiminin yalnızca kuanta adını verdiği ayrı miktarlarda gerçekleştiğini varsayarak kara cisim radyasyonunu doğru bir şekilde modellediğinde geldi . 1905'te Albert Einstein , ışığın kuantizasyonunu sağlam bir şekilde kuran fotoelektrik etki teorisini yayınladı . 1913'te Niels Bohr , atomların yalnızca ayrı miktarlarda enerji yayabileceğini gösterdi, böylece emisyon ve soğurma spektrumlarında görülen ayrı çizgileri açıkladı . Bu gelişmelerden sonra ışık ve madde arasındaki etkileşimin anlaşılması sadece kuantum optiğinin temelini oluşturmakla kalmadı, aynı zamanda kuantum mekaniğinin bir bütün olarak gelişimi için çok önemliydi . Nihai doruk noktası olan kuantum elektrodinamiği teorisi, genel olarak gerçek ve sanal fotonların değişiminin sonucu olarak tüm optik ve elektromanyetik süreçleri açıklar . Kuantum optiği , 1953'te maserin ve 1960'ta lazerin icat edilmesiyle pratik bir önem kazandı .

Çalışmalarının ardından Paul Dirac içinde kuantum alan teorisi , George Sudarshan , Roy Glauber ve Leonard Mandel foto-daha detaylı bir anlayış ve kazanmak için 1950 ve 1960 yılında elektromanyetik alana kuantum teorisini uygulamalı istatistik Işık.

Klasik optik

Klasik optik iki ana bölüme ayrılır: geometrik (veya ışın) optik ve fiziksel (veya dalga) optik. Geometrik optikte ışığın düz çizgiler halinde hareket ettiği kabul edilirken, fiziksel optikte ışık bir elektromanyetik dalga olarak kabul edilir.

Geometrik optik, kullanılan ışığın dalga boyu modellenen sistemdeki optik elemanların boyutundan çok daha küçük olduğunda uygulanan fiziksel optiğin bir yaklaşımı olarak görülebilir.

Geometrik optik

Işık ışınlarının yansıma ve kırılma geometrisi

Geometrik optik veya ışın optiği , ışığın yayılmasını , düz çizgiler halinde hareket eden ve yolları farklı ortamlar arasındaki arayüzlerde yansıma ve kırılma yasaları tarafından yönetilen "ışınlar" olarak tanımlar. Bu yasalar deneysel olarak MS 984 yılına kadar keşfedildi ve o zamandan günümüze kadar optik bileşenlerin ve aletlerin tasarımında kullanıldı. Aşağıdaki gibi özetlenebilirler:

Bir ışık ışını iki saydam malzeme arasındaki sınıra çarptığında, yansıyan ve kırılan ışına bölünür.

Yansıma yasası, yansıyan ışının geliş düzleminde olduğunu ve yansıma açısının geliş açısına eşit olduğunu söyler.
Kırılma yasası, kırılan ışının geliş düzleminde bulunduğunu ve geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne bölünmesinin sabit olduğunu söyler:
,

burada n , herhangi iki malzeme ve belirli bir ışık rengi için sabittir. Birinci malzeme hava veya vakum ise n , ikinci malzemenin kırılma indisidir .

Yansıma ve kırılma yasaları, iki nokta arasında bir ışık ışını tarafından alınan yolun en kısa sürede geçilebilen yol olduğunu belirten Fermat ilkesinden türetilebilir .

Yaklaşımlar

Geometrik optik, genellikle paraksiyal yaklaşım veya "küçük açı yaklaşımı" yapılarak basitleştirilir . Matematiksel davranış daha sonra doğrusal hale gelir ve optik bileşenlerin ve sistemlerin basit matrislerle tanımlanmasına izin verir. Bu , yaklaşık görüntü ve nesne konumları ve büyütmeler gibi optik sistemlerin temel özelliklerini bulmak için kullanılan Gauss optik ve paraksiyel ışın izleme tekniklerine yol açar .

Yansımalar

Aynasal yansıma diyagramı

Yansımalar iki türe ayrılabilir: aynasal yansıma ve dağınık yansıma . Speküler yansıma, ışığı basit ve öngörülebilir bir şekilde yansıtan aynalar gibi yüzeylerin parlaklığını tanımlar. Bu, uzayda gerçek ( gerçek ) veya tahmini ( sanal ) bir konumla ilişkilendirilebilen yansıtılan görüntülerin üretimine izin verir . Dağınık yansıma, kağıt veya taş gibi parlak olmayan malzemeleri tanımlar. Bu yüzeylerden gelen yansımalar, malzemenin mikroskobik yapısına bağlı olarak yansıyan ışığın tam dağılımı ile ancak istatistiksel olarak tanımlanabilir. Birçok dağınık reflektör, herhangi bir açıdan bakıldığında eşit parlaklığa sahip yüzeyleri tanımlayan Lambert'in kosinüs yasası ile tanımlanır veya yaklaştırılabilir . Parlak yüzeyler hem yansıma hem de dağınık yansıma verebilir.

Speküler yansımada, yansıyan ışının yönü, gelen ışının yüzey normaliyle yaptığı açı ile belirlenir , ışının çarptığı noktada yüzeye dik bir çizgi. Olay ve yansıyan ışınlar ve normal tek bir düzlemde bulunur ve yansıyan ışın ile normal yüzey arasındaki açı, gelen ışın ile normal arasındaki açı ile aynıdır. Bu, Yansıma Yasası olarak bilinir .

İçin düz aynalar , yansıma yasası nesnelerin görüntüleri dik ve nesneleri olarak aynanın arkasında aynı mesafe aynanın önünde olduğunu ima eder. Görüntü boyutu, nesne boyutuyla aynıdır. Yasa aynı zamanda ayna görüntülerinin paritenin tersine çevrildiğini de ima ediyor ki biz bunu bir sol-sağ ters çevirme olarak algılıyoruz. İki (veya herhangi bir çift sayıda) aynadaki yansımadan oluşan görüntüler, parite tersine çevrilmez. Köşe reflektörleri , gelen ışınların geldiği yönde geri giden yansıyan ışınlar üretir. Buna geri yansıtma denir .

Eğri yüzeyli aynalar, yüzeydeki her noktada ışın izleme ve yansıma yasası kullanılarak modellenebilir. İçin parabolik yüzeyler ile ayna , bir ayna üretmek paralel ışınlarının, ortak bir yakınsama ışınları yansıyan odak . Diğer kavisli yüzeyler de ışığı odaklayabilir, ancak farklı şekil nedeniyle odağın uzayda dağılmasına neden olan sapmalar olabilir. Özellikle, küresel aynalar küresel sapma sergiler . Eğimli aynalar, birden fazla veya daha az büyütme oranına sahip görüntüler oluşturabilir ve büyütme, görüntünün ters çevrildiğini gösterecek şekilde negatif olabilir. Bir aynadaki yansımayla oluşturulan dik bir görüntü her zaman sanaldır, ters çevrilmiş bir görüntü ise gerçektir ve bir ekrana yansıtılabilir.

Kırılmalar

Hava / su arayüzü gibi 1 <n 2 numaralı durum için Snell Yasasının gösterimi

Kırılma, ışık, değişen bir kırılma indisine sahip bir uzay alanı boyunca hareket ettiğinde meydana gelir; bu ilke lenslere ve ışığın odaklanmasına izin verir. En basit kırılma durumu, kırılma indisine sahip tek tip bir ortam ile kırılma indisine sahip başka bir ortam arasında bir arayüz olduğunda ortaya çıkar . Bu gibi durumlarda, Snell Yasası , ışık ışınının ortaya çıkan sapmasını şöyle açıklar:

Sırasıyla normal (arayüze) ve olay ve kırılan dalgalar arasındaki açılar nerede ve bunlar.

Bir ortamın kırılma indeksi, o ortamdaki ışığın hızı v ile ilgilidir.

,

burada C olan vakumda ışık hızı .

Snell Yasası, kırılma indeksleri ve ortamın geometrisi bilindiği sürece, ışık ışınlarının doğrusal ortamdan geçerken sapmasını tahmin etmek için kullanılabilir. Örneğin, ışığın bir prizmadan yayılması, ışık ışınının prizmanın şekline ve yönüne bağlı olarak sapmasına neden olur. Çoğu malzemede kırılma indeksi, ışığın frekansına göre değişir. Bunu hesaba katarak, Snell Yasası, bir prizmanın ışığı bir spektruma nasıl dağıtacağını tahmin etmek için kullanılabilir. Işığı bir prizmadan geçirirken ortaya çıkan bu fenomenin keşfi, ünlü olarak Isaac Newton'a atfedilir.

Bazı ortamların, konuma göre kademeli olarak değişen bir kırılma indeksi vardır ve bu nedenle ortamdaki ışık ışınları eğridir. Bu etki, sıcak günlerde görülen seraplardan sorumludur : Kırılma havasının yüksekliğindeki bir değişiklik, ışık ışınlarının bükülmesine neden olarak, uzakta (sanki bir su havuzunun yüzeyindeymiş gibi) speküler yansımaların ortaya çıkmasına neden olur. Değişken kırılma indekslerine sahip optik malzemeler, gradyan indeksi (GRIN) malzemeleri olarak adlandırılır. Bu tür malzemeler, gradyan indeks optiği yapmak için kullanılır .

Snell yasası, yüksek kırılma indisine sahip bir malzemeden düşük kırılma indisine sahip bir malzemeye giden ışık ışınları için , büyük olduğunda hiçbir şeyin olmadığını öngörür . Bu durumda hiçbir iletim gerçekleşmez; tüm ışık yansıtılır. Bu fenomene toplam dahili yansıma denir ve fiber optik teknolojisine izin verir. Işık bir optik fiberden aşağı doğru ilerlerken, kablonun uzunluğu boyunca esasen hiçbir ışığın kaybolmamasına izin veren toplam dahili yansımaya maruz kalır.

Lensler
Yakınsak bir lens için ışın izleme diyagramı.

Kırılma nedeniyle yakınsayan veya uzaklaşan ışık ışınları üreten bir cihaz, mercek olarak bilinir . Lensler odak uzunluklarıyla karakterize edilir : yakınsayan bir lens pozitif odak uzunluğuna sahipken, uzaklaşan bir lens negatif odak uzunluğuna sahiptir. Daha küçük odak uzaklığı, lensin daha güçlü bir yakınsama veya uzaklaşma etkisine sahip olduğunu gösterir. Havadaki basit bir merceğin odak uzaklığı, mercek yapımcısının denklemiyle verilir .

Işın izleme, görüntülerin bir mercek tarafından nasıl oluşturulduğunu göstermek için kullanılabilir. Bir İçin ince lens havada, görüntünün konumu basit denklem ile verilir

,

burada objektif nesneye olan mesafedir, görüntü merceğinden ve objektifin odak uzunluğudur. Gelen işareti kongre Burada kullanılan, nesne ve görüntü mesafeleri nesne ve görüntü merceğin karşı tarafında ise olumludur.

Lens1.svg

Gelen paralel ışınlar, yakınsak bir mercek tarafından merceğin uzak tarafındaki merceğe bir odak uzaklığı olan bir noktaya odaklanır. Buna merceğin arka odak noktası denir. Sonlu bir mesafedeki bir nesneden gelen ışınlar, mercekten odak mesafesinden daha uzağa odaklanır; nesne merceğe ne kadar yakınsa, mercekten görüntü o kadar uzaklaşır.

Farklı merceklerle, gelen paralel ışınlar mercekten geçtikten sonra, merceğin önündeki odak uzunluğunun bir noktasından çıkmış gibi görünecek şekilde birbirinden ayrılır. Bu, lensin ön odak noktasıdır. Sonlu bir mesafedeki bir nesneden gelen ışınlar, merceğe odak noktasından daha yakın olan ve merceğin nesneyle aynı tarafındaki sanal bir görüntü ile ilişkilendirilir. Nesne merceğe ne kadar yakınsa, sanal görüntü merceğe de o kadar yakındır. Aynalarda olduğu gibi, tek bir mercek tarafından üretilen dikey görüntüler sanaldır, tersine çevrilmiş görüntüler gerçektir.

Lensler, görüntüleri bozan sapmalardan muzdariptir . Monokromatik sapmalar , merceğin geometrisinin her bir nesneden gelen ışınları görüntü üzerindeki tek bir noktaya mükemmel şekilde yönlendirmemesi nedeniyle meydana gelirken, kromatik sapma , merceğin kırılma indisinin ışığın dalga boyuna göre değişmesi nedeniyle oluşur.

Odak uzaklığı f   olan ince bir dışbükey mercek içindeki siyah harflerin görüntüleri kırmızı ile gösterilmiştir. E , I ve K harfleri için sırasıyla mavi, yeşil ve turuncu olarak seçilen ışınlar gösterilir . E'nin (2 f'de ) eşit boyutlu, gerçek ve ters çevrilmiş bir resme sahip olduğuna dikkat edin ; I ( f'de ) sonsuzda imajına sahiptir; ve K ( f / 2'de) çift boyutlu, sanal ve dik bir resme sahiptir.

Fiziksel optik

Fiziksel optikte ışığın bir dalga olarak yayıldığı kabul edilir. Bu model, geometrik optikle açıklanmayan girişim ve kırınım gibi olayları öngörür. Işık hızı dalgaların hava yaklaşık olarak 3.0 x 10 8  (/ tam 299.792.458 m s m / s , vakum ). Dalga boyu görünebilir ışık dalgalarının 400 ile 700 nm değişir, ancak "hafif", aynı zamanda, genellikle, kızılötesi (0,7-300 um) ve ultraviyole ışınım (10-400 nm) uygulanır.

Dalga modeli, hangi ortamda neyin "sallandığına" dair bir açıklama gerektirmeden bir optik sistemin nasıl davranacağına dair tahminlerde bulunmak için kullanılabilir. 19. yüzyılın ortalarına kadar, çoğu fizikçi, ışık parazitinin yayıldığı "ruhani" bir ortama inanıyordu. Elektromanyetik dalgaların varlığı, 1865'te Maxwell denklemleri ile tahmin edildi . Bu dalgalar, ışık hızında yayılır ve birbirlerine ve ayrıca dalgaların yayılma yönüne dik olan çeşitli elektrik ve manyetik alanlara sahiptir. Işık dalgaları, kuantum mekanik etkilerin dikkate alınması gerektiği durumlar dışında artık genel olarak elektromanyetik dalgalar olarak ele alınmaktadır.

Fiziksel optik kullanarak optik sistemlerin modellenmesi ve tasarımı

Optik sistemleri analiz etmek ve tasarlamak için birçok basitleştirilmiş yaklaşım mevcuttur. Bunların çoğu, ortogonal elektrik ve manyetik vektörlere sahip bir vektör modeli kullanmak yerine, ışık dalgasının elektrik alanını temsil etmek için tek bir skaler miktar kullanır . Huygens-Fresnel denklemi böyle bir modeldir. Bu, 1815'te Fresnel tarafından ampirik olarak türetildi ve Huygens'in bir dalga cephesindeki her noktanın, Fresnel'in dalgaların üst üste binmesi ilkesiyle birleştirdiği ikincil bir küresel dalga cephesi oluşturduğu hipotezine dayanıyordu . Kirchhoff kırınım denklemi Maxwell denklemlerini kullanarak türetilmiştir, daha sıkı bir fiziksel temele Huygens-Fresnel denklemini koyar. Huygens-Fresnel prensibinin uygulanmasına ilişkin örnekler kırınım ve Fraunhofer kırınımı hakkındaki makalelerde bulunabilir .

Elektrik ve manyetik özellikleri ışığın malzeme ile etkileşimini etkileyen malzemelerle uğraşırken, ışık dalgasının hem elektrik hem de manyetik alanlarının modellenmesini içeren daha titiz modeller gereklidir. Örneğin, bir metal yüzeyle etkileşime giren bir ışık dalgasının davranışı, bir dielektrik malzeme ile etkileşime girdiğinde olanlardan oldukça farklıdır. Polarize ışığı modellemek için bir vektör modeli de kullanılmalıdır.

Analitik olarak çözülemeyen sistemlerde ışığın yayılmasını modellemek için sonlu eleman yöntemi , sınır eleman yöntemi ve iletim hattı matrisi yöntemi gibi sayısal modelleme teknikleri kullanılabilir. Bu tür modeller hesaplama açısından zahmetlidir ve normalde yalnızca analitik çözümlerle elde edilebileceklerin ötesinde doğruluk gerektiren küçük ölçekli problemleri çözmek için kullanılır.

Geometrik optikten elde edilen tüm sonuçlar, akustik mühendisliğinde ve sinyal işlemede kullanılan aynı matematiksel ve analitik tekniklerin çoğunu uygulayan Fourier optiği teknikleri kullanılarak geri kazanılabilir .

Gauss ışını yayılımı , lazer ışınları gibi uyumlu radyasyonun yayılması için basit bir paraksiyal fiziksel optik modelidir. Bu teknik kısmen kırınımı hesaba katarak, bir lazer ışınının mesafeyle genişlediği hızın ve ışının odaklanabileceği minimum boyutun doğru hesaplanmasına izin verir. Gauss ışını yayılımı böylece geometrik ve fiziksel optikler arasındaki boşluğu kapatır.

Süperpozisyon ve girişim

Doğrusal olmayan etkilerin yokluğunda , üst üste binme ilkesi, düzensizliklerin basit bir şekilde eklenmesi yoluyla etkileşen dalga biçimlerinin şeklini tahmin etmek için kullanılabilir. Elde edilen bir model oluşturmak için dalgaların bu etkileşimi genellikle "girişim" olarak adlandırılır ve çeşitli sonuçlarla sonuçlanabilir. Aynı dalga boyunda ve frekans iki aşamada ise de faz , dalga tepeleri ve dalga hem hizalama oluklara. Bu, yapıcı girişim ve dalganın genliğinde bir artışla sonuçlanır; bu, ışık için o konumdaki dalga formunun parlaklaşmasıyla ilişkilendirilir. Alternatif olarak, aynı dalga boyuna ve frekansa sahip iki dalga faz dışı ise, dalga tepeleri dalga olukları ile hizalanacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, yıkıcı girişim ve dalganın genliğinde bir azalma ile sonuçlanır; bu, ışık için o konumda dalga formunun kısılmasıyla ilişkilendirilir. Bu etkinin bir açıklaması için aşağıya bakın.

birleşik
dalga formu
İki dalganın girişimi.svg
dalga 1
dalga 2
Fazda iki dalga 180 °
faz dışı iki dalga
Yağ veya yakıt döküldüğünde, ince film girişimiyle renkli desenler oluşur.

Huygens-Fresnel prensibi, bir dalga cephesinin her noktasının yeni bir bozulma üretimiyle ilişkili olduğunu belirttiğinden, bir dalga cephesinin, düzenli ve öngörülebilir modellerde parlak ve karanlık saçaklar üreten farklı yerlerde yapıcı veya yıkıcı bir şekilde kendisine müdahale etmesi mümkündür. Girişimölçer , genellikle mesafelerin veya açısal çözünürlüklerin kesin olarak belirlenmesinin bir yolu olarak bu kalıpları ölçme bilimidir . Michelson interferometresi doğru, kullanılmış girişim etkileri ışık hızını ölçmek ünlü alet.

Görünümü , ince filmler ve kaplamalar ile doğrudan girişim etkilerinden etkilenmez. Yansımayı önleyici kaplamalar, kapladıkları yüzeylerin yansıtıcılığını azaltmak için tahrip edici girişim kullanır ve parlamayı ve istenmeyen yansımaları en aza indirmek için kullanılabilir. En basit durum, gelen ışığın dalga boyunun dörtte biri kalınlığında tek bir katmandır. Filmin üstünden yansıyan dalga ve film / malzeme arayüzünden yansıyan dalga, tam olarak 180 ° faz dışıdır ve yıkıcı girişime neden olur. Dalgalar, tipik olarak 550 nm civarında görünür spektrumun merkezine yakın olacak şekilde seçilecek olan bir dalga boyu için tam olarak faz dışıdır. Birden çok katman kullanan daha karmaşık tasarımlar, geniş bir bant üzerinde düşük yansıtma veya tek bir dalga boyunda son derece düşük yansıtma sağlayabilir.

İnce filmlerdeki yapıcı girişim, kaplamanın tasarımına bağlı olarak dar veya geniş olabilen bir dizi dalga boyunda güçlü bir ışık yansıması oluşturabilir. Bu filmler, renkli televizyon kameralarında renk ayrımı için dielektrik aynalar , girişim filtreleri , ısı reflektörleri ve filtreler yapmak için kullanılır . Bu girişim etkisi aynı zamanda petrol tabakalarında görülen renkli gökkuşağı desenlerine de neden olur.

Kırınım ve optik çözünürlük

Mesafe ile ayrılmış iki yarıkta kırınım . Siyah çizgilerin siyah çizgilerle ve beyaz çizgilerin beyaz çizgilerle kesiştiği çizgiler boyunca parlak saçaklar oluşur. Bu saçaklar açı ile ayrılmıştır ve sırayla numaralandırılmıştır .

Kırınım, ışık girişiminin en yaygın olarak gözlemlendiği süreçtir. Etki ilk kez 1665'te , Latince diffringere terimini de "parçalara ayırmak" olarak kullanan Francesco Maria Grimaldi tarafından tanımlandı . O yüzyılın ilerleyen saatlerinde, Robert Hooke ve Isaac Newton da, şimdi Newton halkalarında kırınım olduğu bilinen fenomeni tanımlarken , James Gregory kuş tüylerinden kırınım modellerine ilişkin gözlemlerini kaydetti.

Huygens-Fresnel prensibine dayanan ilk fiziksel optik kırınım modeli, 1803'te Thomas Young tarafından birbirine yakın iki yarıktaki girişim desenleriyle girişim deneylerinde geliştirildi. Young, sonuçlarının ancak iki yarık cisimcik yerine iki benzersiz dalga kaynağı olarak hareket etmesi durumunda açıklanabileceğini gösterdi. 1815 ve 1818'de Augustin-Jean Fresnel, dalga girişiminin kırınımı nasıl açıklayabileceğinin matematiğini sağlam bir şekilde kurdu.

Kırınımın en basit fiziksel modelleri, belirli bir dalga boyunun (λ) ışığına bağlı olarak açık ve koyu saçakların açısal ayrımını tanımlayan denklemleri kullanır. Genel olarak, denklem şeklini alır

iki dalga cephesi kaynağı arasındaki ayrım nerede (Young'ın deneylerinde bu iki yarıktı ), merkezi maksimumun olduğu merkez kenar ile üçüncü derece kenar arasındaki açısal ayrımdır .

Bu denklem, tek bir boşluktan kırınım, çok sayıda yarıktan kırınım veya eşit aralıkta çok sayıda yarık içeren bir kırınım ızgarasından kırınım gibi çeşitli durumları hesaba katmak için hafifçe değiştirilir . Daha karmaşık kırınım modelleri, Fresnel veya Fraunhofer kırınımının matematiği ile çalışmayı gerektirir .

X ışını kırınımı , bir kristaldeki atomların bir angstrom mertebesinde olan mesafelerde düzenli aralıklara sahip olduğu gerçeğini kullanır . Kırınım modellerini görmek için, bu aralığa benzer dalga boylarına sahip x-ışınları kristalden geçirilir. Kristaller, iki boyutlu ızgaralardan ziyade üç boyutlu nesneler olduklarından, ilişkili kırınım modeli, Bragg yansımasına göre iki yönde değişir ; ilişkili parlak noktalar, benzersiz desenlerde meydana gelir ve atomlar arasındaki mesafenin iki katıdır.

Kırınım etkileri, bir optik detektörün ayrı ışık kaynaklarını optik olarak çözme yeteneğini sınırlar . Genel olarak, bir açıklıktan geçen ışık kırınım deneyimleyecektir ve yaratılabilecek en iyi görüntüler ( kırınımla sınırlı optiklerde açıklandığı gibi ), karanlık boşluklarla ayrılmış, çevreleyen parlak halkalarla birlikte merkezi bir nokta olarak görünür; bu model Airy patern olarak bilinir ve merkezi parlak lob Airy disk olarak bilinir . Böyle bir diskin boyutu şu şekilde verilir:

burada θ açısal çözünürlük, λ ışığın dalga boyu ve D bir çap mercek deliği arasında. İki noktanın açısal ayrımı Airy disk açısal yarıçapından önemli ölçüde daha az ise, bu durumda iki nokta görüntüde çözülemez, ancak açısal ayrımları bundan çok daha büyükse, iki noktanın farklı görüntüleri oluşur ve bunlar bu nedenle çözülebilir. Rayleigh , açısal ayrımı Airy disk yarıçapına eşit olan (ilk sıfıra, yani ışığın görülmediği ilk yere kadar ölçülen) iki noktanın çözülebileceğine dair biraz keyfi " Rayleigh kriteri " ni tanımladı . Lensin çapı veya açıklığı ne kadar büyükse, çözünürlük o kadar iyi olduğu görülebilir. Çok büyük taban hattı açıklıklarını taklit etme yeteneği ile interferometri , mümkün olan en büyük açısal çözünürlüğü sağlar.

Astronomik görüntüleme için atmosfer, yıldızların parlamasına neden olan atmosferik saçılma ve dağılma nedeniyle görünür spektrumda optimum çözünürlüğün elde edilmesini engeller . Gökbilimciler bu etkiyi astronomik görmenin kalitesi olarak adlandırırlar . Uyarlanabilir optik olarak bilinen teknikler , görüntülerin atmosferik bozulmasını ortadan kaldırmak ve kırınım sınırına yaklaşan sonuçlar elde etmek için kullanılmıştır.

Dağılım ve saçılma

Bir prizma boyunca ışık dağılımının kavramsal canlandırılması. Yüksek frekanslı (mavi) ışık en çok, düşük frekanslı (kırmızı) ise en az yansıtılır.

Kırılma süreçleri, bir tür saçılma olarak, ışığın dalga boyunun diğer mesafelere benzer olduğu fiziksel optik sınırında gerçekleşir. En basit saçılma türü, elektromanyetik dalgalar tek parçacıklar tarafından saptırıldığında meydana gelen Thomson saçılmasıdır . Işığın dalgalı doğasının açıkça görüldüğü Thomson saçılımının sınırında , frekansa bağlı olan ve kesinlikle ışığın doğasını parçacıklar olarak içeren bir kuantum mekaniksel işlem olan Compton saçılmasının aksine, ışık frekanstan bağımsız olarak dağıtılır . İstatistiksel anlamda, ışığın dalga boyundan çok daha küçük çok sayıda parçacık tarafından elastik saçılması, Rayleigh saçılması olarak bilinen bir işlemken , dalga boyunda benzer veya daha büyük parçacıkların saçılması için benzer işlem Tyndall ile Mie saçılması olarak bilinir. etkisi yaygın olarak gözlemlenen bir sonuçtur. Atomlardan veya moleküllerden saçılan küçük bir ışık oranı , atomların ve moleküllerin uyarılmasına bağlı olarak frekansın değiştiği Raman saçılımına uğrayabilir . Brillouin saçılması , zamanla ve yoğun bir malzemenin hareketleriyle yerel değişiklikler nedeniyle ışığın frekansı değiştiğinde meydana gelir.

Dağılım, farklı ışık frekansları, malzeme özelliklerine ( malzeme dağılımı ) veya bir optik dalga kılavuzunun geometrisine ( dalga kılavuzu dispersiyonu ) bağlı olarak farklı faz hızlarına sahip olduğunda meydana gelir . En bilinen dispersiyon şekli, çoğu şeffaf malzemede görülen, artan dalga boyu ile kırılma indisinde bir azalmadır. Buna "normal dağılım" denir. Tüm dielektrik malzemelerde , malzemenin ışığı absorbe etmediği dalga boyu aralıklarında oluşur . Bir ortamın önemli absorpsiyona sahip olduğu dalga boyu aralıklarında, kırılma indisi dalga boyu ile artabilir. Buna "anormal dağılım" denir.

Renklerin bir prizma ile ayrılması normal dağılım örneğidir. Prizmanın yüzeylerinde, Snell yasası, normal ile angle açısındaki ışık olayının, bir açı yayında (sin (θ) / n ) kırılacağını öngörür . Bu nedenle, daha yüksek kırılma indisine sahip mavi ışık, kırmızı ışıktan daha güçlü bir şekilde bükülür ve bu, iyi bilinen gökkuşağı deseniyle sonuçlanır .

Dağılım: Farklı hızlarda yayılan iki sinüzoid, hareketli bir girişim modeli oluşturur. Kırmızı nokta, faz hızıyla hareket eder ve yeşil noktalar, grup hızıyla birlikte ilerler . Bu durumda, faz hızı grup hızının iki katıdır. Kırmızı nokta, şeklin solundan sağına doğru hareket ederken iki yeşil noktayı geride bırakır. Gerçekte, bireysel dalgalar (faz hızıyla hareket eden) dalga paketinden (grup hızıyla hareket eden) kaçar.

Materyal dağılımı genellikle , üç spesifik dalga boyundaki kırılma indisine dayalı basit bir dağılım ölçüsü veren Abbe sayısı ile karakterize edilir . Dalga kılavuzu dağılımı, yayılma sabitine bağlıdır . Her iki tür dağılım da dalganın grup özelliklerinde, dalga paketinin elektromanyetik dalganın genliği ile aynı frekansta değişen özelliklerinde değişikliklere neden olur. "Grup hız dağılımı", radyasyonun sinyal "zarfının" yayılması olarak ortaya çıkar ve bir grup dağılım gecikme parametresi ile ölçülebilir:

grup hızı nerede . Düzgün bir ortam için, grup hızı

burada n , kırılma indisi ve c , bir boşluktaki ışığın hızıdır. Bu, dağılım gecikmesi parametresi için daha basit bir form verir:

Eğer D sıfırdan daha küçük olduğu, orta olduğu söylenir pozitif bir dispersiyon ya da normal dağılım. Eğer D sıfırdan büyük olduğu, orta sahip olumsuz bir dağılım . Bir ışık darbesi, normal olarak dağılan bir ortamda yayılırsa, sonuç, daha yüksek frekanslı bileşenlerin, düşük frekans bileşenlerine göre daha fazla yavaşlamasıdır. Bu nedenle, nabız pozitif bir şekilde cıvıl cıvıl hale gelir veya zamanla frekansı artarak yükselir . Bu, bir prizmadan çıkan spektrumun en az kırılan kırmızı ışık ve en çok kırılan mavi / mor ışıkla görünmesine neden olur. Tersine, bir nabız anormal (negatif) bir dağıtıcı ortamdan geçerse, yüksek frekanslı bileşenler, düşük olanlardan daha hızlı hareket eder ve nabız , zamanla frekansta düşerek negatif olarak cıvıldar veya kısılır hale gelir .

Negatif veya pozitif olsun, grup hızı dağılımının sonucu, nihayetinde atımın geçici olarak yayılmasıdır. Bu, optik fiberlere dayalı optik iletişim sistemlerinde dağılım yönetimini son derece önemli hale getirir , çünkü dağılım çok yüksekse, bilgiyi temsil eden bir grup atımın her biri zaman içinde yayılır ve birleşerek sinyalin çıkarılmasını imkansız hale getirir.

Polarizasyon

Polarizasyon, dalgaların salınımlarının yönünü tanımlayan genel bir özelliğidir. İçin çapraz dalgalar gibi bir çok elektromanyetik dalgaların olarak, takip edenlerden meydana gelir dalganın yönüne düzlem dikmesine salınımların yönünü tarif eder. Salınımlar tek bir yönde yönlendirilebilir ( doğrusal polarizasyon ) veya dalga ilerledikçe salınım yönü dönebilir ( dairesel veya eliptik polarizasyon ). Dairesel polarize dalgalar, hareket yönünde sağa veya sola dönebilir ve bir dalgada bu iki dönüşten hangisinin mevcut olduğu, dalganın kiralitesi olarak adlandırılır .

Polarizasyonu göz önünde bulundurmanın tipik yolu , elektromanyetik dalga yayılırken elektrik alan vektörünün yönünü takip etmektir . Bir düzlem dalgasının elektrik alan vektörü, keyfi olarak x ve y olarak etiketlenmiş iki dikey bileşene bölünebilir ( z , hareket yönünü gösterir). Xy düzleminde elektrik alan vektörü tarafından izlenen şekil , polarizasyon durumunu tanımlayan bir Lissajous şeklidir . Aşağıdaki şekiller, x ve y bileşenleri (kırmızı / sol ve yeşil / sağ) ile birlikte, uzayda belirli bir noktada elektrik alan vektörünün (mavi) zamanla (dikey eksenler) evriminin bazı örneklerini göstermektedir. ve düzlemdeki vektör tarafından izlenen yol (mor): Aynı evrim, belirli bir zamanda elektrik alanına bakarken, uzaydaki noktayı yayılmanın tersi yönde geliştirirken meydana gelir.

Doğrusal polarizasyon diyagramı
Doğrusal
Dairesel polarizasyon diyagramı
Sirküler
Eliptik polarizasyon diyagramı
Eliptik polarizasyon

Yukarıdaki en soldaki şekilde, ışık dalgasının x ve y bileşenleri aynı fazdadır. Bu durumda, kuvvetlerinin oranı sabittir, dolayısıyla elektrik vektörünün yönü (bu iki bileşenin vektörel toplamı) sabittir. Vektörün ucu düzlemde tek bir çizgi izlediğinden, bu özel duruma doğrusal polarizasyon denir. Bu çizginin yönü, iki bileşenin göreli genliklerine bağlıdır.

Ortadaki şekilde, iki ortogonal bileşen aynı genliklere sahiptir ve 90 ° faz dışıdır. Bu durumda, diğer bileşen maksimum veya minimum genlikte olduğunda bir bileşen sıfırdır. : Orada bu gereksinimi karşılamak iki olası faz ilişkileri olan x ilerisinde ° bileşeni 90 olabilir y bileşen veya bunun arkasında ° 90 olabilmektedir y bileşeni. Bu özel durumda, elektrik vektörü düzlemde bir daire çizer, bu nedenle bu polarizasyona dairesel polarizasyon denir. Dairedeki dönüş yönü, iki fazlı ilişkilerin hangisinin mevcut olduğuna bağlıdır ve sağ taraftaki dairesel polarizasyona ve sol taraftaki dairesel polarizasyona karşılık gelir .

İki bileşenin aynı genliklere sahip olmadığı ve / veya faz farkının ne sıfır ne de 90 ° 'nin katı olmadığı diğer tüm durumlarda, polarizasyon eliptik polarizasyon olarak adlandırılır çünkü elektrik vektörü düzlemde bir elipsi izler ( polarizasyon elips ). Bu, sağdaki yukarıdaki şekilde gösterilmektedir. Polarizasyonun ayrıntılı matematiği Jones hesabı kullanılarak yapılır ve Stokes parametreleri ile karakterize edilir .

Polarizasyonu değiştirme

Farklı polarizasyon modları için farklı kırılma indekslerine sahip ortamlara çift ​​kırılma denir . Bu etkinin iyi bilinen tezahürleri, optik dalga plakalarında / geciktiricilerde (doğrusal modlar) ve Faraday rotasyonunda / optik rotasyonda (dairesel modlar) ortaya çıkar. Çift kırılımlı ortamdaki yol uzunluğu yeterli ise, düzlem dalgaları malzemeden kırılma nedeniyle önemli ölçüde farklı bir yayılma yönü ile çıkacaktır. Örneğin , izleyiciye, içinden görüntülenen her şeyin ortogonal olarak polarize edilmiş iki ofset görüntüsünü sunan makroskopik kalsit kristalleri için durum budur. 1669'da Erasmus Bartholinus tarafından kutuplaşmanın ilk keşfini sağlayan bu etkiydi. Ek olarak, faz kayması ve dolayısıyla kutuplaşma durumundaki değişiklik, genellikle frekansa bağlıdır ve bu, dikroizmle birlikte , genellikle parlaklığa yol açar. renkler ve gökkuşağı benzeri efektler. In mineraloji olarak bilinen bu tür özellikleri, pleokroyizma , sık polarizasyon mikroskopları kullanarak minerallerin belirlenmesi amacıyla istismar edilmektedir. Ek olarak, normalde çift kırılmalı olmayan birçok plastik , fotoelastisitenin temelini oluşturan bir fenomen olan mekanik gerilime maruz kaldığında öyle hale gelecektir . Işık demetlerinin doğrusal polarizasyonunu döndürmek için çift kırılmalı olmayan yöntemler, verimli eşdoğrusal iletim için tasarlanmış bir prizma setinde toplam iç yansımayı kullanan prizmatik polarizasyon döndürücülerin kullanımını içerir .

Doğrusal polarize ışığın yönünü değiştiren bir polarizör.
Bu resimde θ 1 - θ 0 = θ i .

Belirli polarizasyon modlarının genliğini azaltan medyaya, polarize filtreler veya basitçe " polarizörler " olarak bilinen tek bir modda neredeyse tüm radyasyonu bloke eden cihazlarla dikroik denir . Almıştır Malus yasası, Etienne-Louis Malus , mükemmel bir polarize ışık, yoğunluk, bir doğrusal polarize kiriş yerleştirildiği zaman söylüyor I , ışık verilir geçtiği

nerede

I 0 başlangıç ​​yoğunluğu,
ve θ i , ışığın başlangıç ​​polarizasyon yönü ile polarizörün ekseni arasındaki açıdır.

Polarize olmayan ışık demetinin, tüm olası açılarda doğrusal polarizasyonların tekdüze bir karışımını içerdiği düşünülebilir. Ortalama değer 1/2 olduğundan, iletim katsayısı olur

Uygulamada, polarizörde bir miktar ışık kaybolur ve polarize edilmemiş ışığın gerçek iletimi bundan biraz daha düşük olacaktır, Polaroid tipi polarizörler için yaklaşık% 38, ancak bazı çift kırılımlı prizma türleri için oldukça yüksek (>% 49.9).

Genişletilmiş ortamda çift kırılma ve dikroizme ek olarak, farklı kırılma indisine sahip iki malzeme arasındaki (yansıtıcı) arayüzde polarizasyon etkileri de meydana gelebilir. Bu etkiler Fresnel denklemleriyle işlenir . Geliş açısına ve kırılma açısına bağlı olan oran ile dalganın bir kısmı iletilir ve bir kısmı yansıtılır. Bu şekilde, fiziksel optik Brewster'ın açısını kurtarır . Işık , bir yüzey üzerindeki ince bir filmden yansıdığında, filmin yüzeylerinden gelen yansımalar arasındaki girişim, yansıyan ve iletilen ışıkta polarizasyon oluşturabilir.

Doğal ışık
Bir fotoğrafta polarize filtrenin gökyüzü üzerindeki etkileri . Sol fotoğraf polarizör kullanılmadan çekilmiştir. Doğru resim için filtre, gökyüzünden yayılan mavi ışığın belirli polarizasyonlarını ortadan kaldıracak şekilde ayarlandı.

Çoğu elektromanyetik radyasyon kaynağı, ışık yayan çok sayıda atom veya molekül içerir. Bu yayıcılar tarafından üretilen elektrik alanlarının yönü ilişkilendirilemeyebilir , bu durumda ışığın polarize olmadığı söylenir . Yayıcılar arasında kısmi bir korelasyon varsa, ışık kısmen polarize olur . Polarizasyon, kaynağın spektrumu boyunca tutarlıysa, kısmen polarize ışık, tamamen polarize olmayan bir bileşenin ve tamamen polarize olanın üst üste binmesi olarak tanımlanabilir. Daha sonra ışığı , polarizasyon derecesi ve polarizasyon elipsin parametreleri açısından tanımlayabiliriz .

Parlak şeffaf malzemelerden yansıyan ışık, ışığın yüzeye normal (dik) olması dışında kısmen veya tamamen polarize olur. Matematikçi Étienne-Louis Malus'un polarize ışık için ilk matematiksel modelleri geliştirmesine izin veren ölçümleri yapmasına izin veren bu etkiydi. Polarizasyon, atmosfere ışık saçıldığında meydana gelir . Dağınık ışık, parlaklığı ve rengi berrak gökyüzünde üretir . Dağınık ışığın bu kısmi polarizasyonu, fotoğraflarda gökyüzünü karartmak için polarize filtrelerin kullanımından yararlanılabilir . Optik polarizasyon, optik olarak aktif ( kiral ) moleküller tarafından sergilenen dairesel dikroizm ve optik rotasyon (" dairesel çift kırılma ") nedeniyle kimyada temel olarak önemlidir .

Modern optik

Modern optik , 20. yüzyılda popüler hale gelen optik bilim ve mühendislik alanlarını kapsar. Optik biliminin bu alanları tipik olarak ışığın elektromanyetik veya kuantum özellikleriyle ilgilidir, ancak başka konuları da içerir. Modern optiğin önemli bir alt alanı olan kuantum optiği , özellikle ışığın kuantum mekaniği özellikleriyle ilgilenir. Kuantum optiği sadece teorik değildir; Lazerler gibi bazı modern cihazların kuantum mekaniğine bağlı çalışma prensipleri vardır. Fotoçoğaltıcılar ve kanal tronları gibi ışık dedektörleri, ayrı ayrı fotonlara yanıt verir. CCD'ler gibi elektronik görüntü sensörleri , ayrı foton olaylarının istatistiklerine karşılık gelen atış gürültüsü sergiler . Işık yayan diyotlar ve fotovoltaik hücreler de kuantum mekaniği olmadan anlaşılamaz. Bu cihazların çalışmasında, kuantum optiği genellikle kuantum elektroniği ile örtüşüyor .

Optik araştırmalarının özel alanları, ışığın kristal optik ve metamalzemelerde olduğu gibi belirli malzemelerle nasıl etkileşime girdiğinin incelenmesini içerir . Diğer araştırmalar, tekil optikler , görüntülemeyen optikler , doğrusal olmayan optikler , istatistiksel optikler ve radyometride olduğu gibi elektromanyetik dalgaların fenomenolojisine odaklanmaktadır . Ek olarak, bilgisayar mühendisleri , "yeni nesil" bilgisayarların olası bileşenleri olarak entegre optik , makine görüşü ve fotonik hesaplamaya ilgi duydular .

Günümüzde saf optik bilimi, onu optik mühendisliği olarak adlandırılan uygulamalı optik bilimlerden ayırmak için optik bilim veya optik fizik olarak adlandırılmaktadır . Optik mühendisliğin öne çıkan alt alanları arasında aydınlatma mühendisliği , fotonik ve optoelektronik lens tasarımı , optik bileşenlerin üretimi ve testi ve görüntü işleme gibi pratik uygulamalarla yer alır . Bu alanlardan bazıları, dünyanın farklı bölgelerinde ve endüstrinin farklı alanlarında biraz farklı şeyler ifade eden deneklerin terimleri arasındaki belirsiz sınırlarla örtüşüyor. Lazer teknolojisindeki gelişmeler nedeniyle son birkaç on yılda doğrusal olmayan optik alanında profesyonel bir araştırmacılar topluluğu gelişmiştir.

Lazerler

Bunun gibi yüksek güçlü lazerlerle yapılan deneyler , modern optik araştırmalarının bir parçasıdır.

Lazer, uyarılmış emisyon adı verilen bir işlemle ışığı, bir tür elektromanyetik radyasyon yayan bir cihazdır . Terim lazer bir olduğunu kısaltması için Radyasyonun Uyarılmış Emisyonu Light Amplification by . Lazer ışığı genellikle uzamsal olarak tutarlıdır , bu da ışığın dar, düşük sapmalı bir ışın olarak yayıldığı veya lensler gibi optik bileşenlerin yardımıyla bir ışığa dönüştürülebileceği anlamına gelir . Lazer, mikrodalga eşdeğer Çünkü maser , yayarlar mikrodalga ve cihazlar olduğunu, ilk geliştirilen radyo frekansları genellikle denir maserleri .

VLT’nin lazer kılavuzlu yıldızı.

İlk çalışma lazer tarafından 16 Mayıs 1960 tarihinde gösterilmiştir Theodore Maiman at Hughes Araştırma Laboratuarları . İlk icat edildiklerinde, "problem arayan çözüm" olarak adlandırıldılar. O zamandan beri lazerler, binlerce çok çeşitli uygulamada fayda sağlayan milyarlarca dolarlık bir endüstri haline geldi. Genel nüfusun günlük yaşamlarında görünür lazerlerin ilk uygulama süpermarket oldu barkod 1974'te tanıtılan tarayıcı, lazerdisk bir lazer dahil etmek, ilk başarılı tüketici ürünü 1978 yılında tanıtılan çalar,, ama kompakt disk çalar oldu 1982'den başlayarak tüketicilerin evlerinde gerçekten yaygın hale gelen ilk lazer donanımlı cihaz. Bu optik depolama cihazları , veri almak üzere diskin yüzeyini taramak için bir milimetreden daha küçük bir yarı iletken lazer kullanıyor . Fiber optik iletişim , büyük miktarda bilgiyi ışık hızında iletmek için lazerlere dayanır. Lazerlerin diğer yaygın uygulamaları arasında lazer yazıcılar ve lazer işaretçiler bulunur . Lazerler tıpta kansız cerrahi , lazer göz ameliyatı ve lazer yakalama mikro diseksiyonu gibi alanlarda ve füze savunma sistemleri , elektro-optik karşı önlemler (EOCM) ve lidar gibi askeri uygulamalarda kullanılmaktadır . Lazerler ayrıca hologramlarda , bubblegramlarda , lazer ışığı gösterilerinde ve lazer epilasyonda kullanılır .

Kapitsa-Dirac etkisi

Kapitsa Dirac etkisi nedeni ışık bir dalga yerine bir sonucu olarak, difraksiyon parçacıkların kirişler. Işık, çeşitli fenomenler kullanarak maddeyi konumlandırmak için kullanılabilir (bkz. Optik cımbız ).

Başvurular

Optik, günlük yaşamın bir parçasıdır. Biyolojide görsel sistemlerin her yerde bulunması, optiğin beş duyudan birinin bilimi olarak oynadığı merkezi rolü gösterir . Pek çok insan gözlük veya kontakt lenslerden faydalanır ve optikler, kameralar dahil birçok tüketim malının işleyişinin ayrılmaz bir parçasıdır . Gökkuşakları ve seraplar optik olayların örnekleridir. Optik iletişim , hem İnternet hem de modern telefonun omurgasını oluşturur .

İnsan gözü

İnsan gözü modeli. Bu yazıda bahsedilen özellikler 1. vitreus mizahı 3. siliyer kas , 6. pupil , 7. ön kamara , 8. kornea , 10. lens korteksi , 22. optik sinir , 26. fovea , 30. retinadır.

İnsan gözü, ışığı gözün arka kısmının iç kaplamasını oluşturan retina adı verilen bir fotoreseptör hücre katmanına odaklayarak işlev görür . Odaklama, bir dizi şeffaf medya ile gerçekleştirilir. Göze giren ışık önce gözün optik gücünün çoğunu sağlayan korneadan geçer. Işık daha sonra korneanın hemen arkasındaki sıvıda devam eder - ön oda ve daha sonra göz bebeğinden geçer . Işık daha sonra ışığı daha fazla odaklayan ve odak ayarına izin veren mercekten geçer . Işık daha sonra gözdeki sıvının ana gövdesi olan vitröz mizahtan geçer ve retinaya ulaşır. Retinadaki hücreler, optik sinirin çıktığı yer hariç, gözün arkasını sıralar; bu kör nokta ile sonuçlanır .

Işığın farklı yönlerine duyarlı olan iki tür fotoreseptör hücre vardır: çubuklar ve koniler. Çubuk hücreler geniş bir frekans aralığında ışığın yoğunluğuna duyarlıdır, bu nedenle siyah-beyaz görüşten sorumludur . Rod hücreleri, retinanın merkezi görmeden sorumlu bölgesi olan foveada mevcut değildir ve ışıktaki uzaysal ve zamansal değişikliklere koni hücreler kadar duyarlı değildir. Bununla birlikte, retinada koni hücrelerden yirmi kat daha fazla çubuk hücresi vardır, çünkü çubuk hücreler daha geniş bir alanda mevcuttur. Daha geniş dağılımları nedeniyle, çubuklar çevresel görüşten sorumludur .

Aksine, koni hücreleri ışığın genel yoğunluğuna daha az duyarlıdır, ancak farklı frekans aralıklarına duyarlı olan ve bu nedenle renk ve fotopik görüşün algılanmasında kullanılan üç çeşittir . Koni hücreleri foveada oldukça yoğunlaşmıştır ve yüksek bir görme keskinliğine sahiptirler, yani uzaysal çözünürlükte çubuk hücrelerden daha iyidirler. Koni hücreleri loş ışığa çubuk hücreler kadar duyarlı olmadığından, çoğu gece görüşü çubuk hücreler ile sınırlıdır. Benzer şekilde, koni hücreleri foveada olduğu için, merkezi görüş (çoğu okumayı yapmak için gereken görme, dikiş gibi ince detay işleri veya nesnelerin dikkatli incelenmesi dahil) koni hücreler tarafından yapılır.

Merceğin etrafındaki siliyer kaslar, gözün odaklanmasının ayarlanmasına izin verir. Bu süreç, konaklama olarak bilinir . Yakın nokta ve uzak nokta bir nesne keskinleşinceye getirilebilir hangi gözün en yakın ve en uzak mesafeleri tanımlar. Normal görüşe sahip bir kişi için uzak nokta sonsuzdadır. Yakın noktanın konumu, kasların merceğin eğriliğini ne kadar artırabileceğine ve merceğin yaşla birlikte ne kadar esnek olmadığına bağlıdır. Optometristler , oftalmologlar ve gözlükçüler genellikle uygun bir yakın noktanın normal okuma mesafesinden daha yakın olduğunu düşünürler - yaklaşık 25 cm.

Görmedeki kusurlar optik ilkeler kullanılarak açıklanabilir. İnsanlar yaşlandıkça, lens daha az esnek hale gelir ve yakın nokta, presbiyopi olarak bilinen bir durum olan gözden uzaklaşır . Benzer şekilde, hipermetropiden muzdarip insanlar , lenslerinin odak uzaklığını yakındaki nesnelerin retinalarında görüntülenmesine izin verecek kadar azaltamazlar. Tersine, lenslerinin odak uzaklığını, uzaktaki nesnelerin retinada görüntülenmesine izin verecek kadar artıramayan insanlar miyopiden muzdariptir ve sonsuzdan çok daha yakın bir uzak noktaya sahiptir. Astigmatizm olarak bilinen bir durum , korneanın küresel olmadığı, bunun yerine bir yönde daha eğimli olduğu zaman ortaya çıkar. Bu, yatay olarak genişletilmiş nesnelerin, dikey olarak genişletilmiş nesnelerden farklı olarak retinanın farklı kısımlarına odaklanmasına neden olur ve bozuk görüntülere neden olur.

Bu koşulların tümü, düzeltici lensler kullanılarak düzeltilebilir . Presbiyopi ve hipermetrop için yakınsayan bir lens , yakın noktayı göze yaklaştırmak için gereken ekstra eğriliği sağlarken, miyopi için uzaklaşan bir lens uzak noktayı sonsuza göndermek için gerekli olan eğriliği sağlar. Astigmatizm, bir yönde diğerine göre daha güçlü bir şekilde kıvrılan silindirik yüzeyli bir mercekle düzeltilir ve korneanın tekdüzeliğini telafi eder.

Düzeltici lenslerin optik güç olarak ölçülür diyoptri bir değer için eşit karşılıklı metre ölçülen odak uzunluğu; yakınsak bir lense karşılık gelen pozitif bir odak uzaklığı ve uzaklaşan bir lense karşılık gelen bir negatif odak uzunluğu ile. Astigmatizmayı da düzelten lensler için üç sayı verilir: biri küresel güç için, biri silindirik güç için ve biri astigmatizmanın yönelim açısı için.

Görsel efektler

Ponzo İllüzyonu, paralel çizgilerin sonsuzluğa yaklaştıkça birleşiyor gibi görünmesine dayanır.

Optik illüzyonlar (görsel yanılsamalar olarak da adlandırılır), nesnel gerçeklikten farklı, görsel olarak algılanan görüntülerle karakterize edilir. Gözün topladığı bilgiler beyinde işlenerek görüntülenen nesneden farklı bir algı kazandırır . Optik illüzyonlar, onları oluşturan nesnelerden farklı görüntüler oluşturan fiziksel etkiler, aşırı uyarmanın gözler ve beyin üzerindeki fizyolojik etkileri (örneğin, parlaklık, eğim, renk, hareket) ve göz ve beynin bilinçsiz çıkarımlar yaptığı bilişsel yanılsamalar .

Bilişsel yanılsamalar, bazı optik ilkelerin bilinçsizce yanlış uygulanmasından kaynaklanan bazılarını içerir. Örneğin, Ames odası , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander ve Wundt illüzyonlarının tümü, paralel ışık ışınları (veya aslında herhangi bir paralel çizgi seti) sanatsal perspektifli iki boyutlu olarak oluşturulmuş görüntülerde sonsuzda bir ufuk noktasında birleşiyor gibi görünür . Bu öneri, aynı açısal boyuta sahip olmasına rağmen, ayın ufukta zirvede olduğundan çok daha büyük göründüğü ünlü ay yanılsamasından da sorumludur . Bu yanılsama, Ptolemy'yi o kadar şaşırttı ki, bunu optik kırılmalarında tanımladığı zaman yanlış bir şekilde atmosferik kırılmaya bağladı .

Başka bir optik illüzyon türü, zihni mevcut olmayan simetrileri veya asimetrileri algılaması için kandırmak için kırık kalıpları kullanır. Örnekler arasında kafe duvarı , Ehrenstein , Fraser spiral , Poggendorff ve Zöllner illüzyonları sayılabilir . İlişkili, ancak kesin olarak yanılsamalar, periyodik yapıların üst üste binmesi nedeniyle oluşan kalıplardır. Örneğin, ızgara yapısına sahip saydam dokular hareli desenler olarak bilinen şekiller üretirken, paralel opak çizgiler veya eğriler içeren periyodik saydam desenlerin üst üste binmesi çizgi hareli desenler üretir .

Optik enstrümanlar

1728
Cyclopaedia'dan çeşitli optik aletlerin resimleri

Tekli mercekler, fotoğraf mercekleri , düzeltici mercekler ve büyüteç camları gibi çeşitli uygulamalara sahipken, tek aynalar parabolik reflektörlerde ve dikiz aynalarında kullanılır . Birkaç ayna, prizma ve lensi birleştirmek, pratik kullanımlara sahip bileşik optik aletler üretir. Örneğin, bir periskop , engellerin etrafını görmeye izin vermek için hizalanmış iki düzlem aynadır. Bilimdeki en ünlü bileşik optik aletler, her ikisi de 16. yüzyılın sonlarında Hollandalılar tarafından icat edilen mikroskop ve teleskoptur.

Mikroskoplar ilk olarak sadece iki lensle geliştirildi: bir objektif lens ve bir göz merceği . Objektif lens esasen bir büyüteçtir ve çok küçük bir odak uzaklığı ile tasarlanmıştır, göz merceği ise genellikle daha uzun bir odak uzaklığına sahiptir. Bu, yakın nesnelerin büyütülmüş görüntülerini üretme etkisine sahiptir. Genel olarak, büyütülmüş görüntüler enerjinin korunumu ve ışık ışınlarının daha geniş bir yüzey alanına yayılması nedeniyle daha sönük olduğu için ek bir aydınlatma kaynağı kullanılır . Bileşik mikroskoplar olarak bilinen modern mikroskoplar, işlevselliği optimize etmek ve görüntü stabilitesini artırmak için içlerinde birçok lens (tipik olarak dört) içerir. Biraz farklı bir mikroskop çeşidi olan karşılaştırma mikroskobu , insanlar tarafından kullanıldığında üç boyutlu görünen stereoskopik binoküler bir görünüm elde etmek için yan yana görüntülere bakar .

Kırılma teleskopları olarak adlandırılan ilk teleskoplar da tek bir objektif ve göz merceği lensi ile geliştirildi. Mikroskobun aksine, teleskobun objektif lensi, optik sapmaları önlemek için büyük bir odak uzaklığı ile tasarlanmıştır. Amaç, çok daha küçük bir odak uzaklığına sahip bir göz merceğinin odak noktasında olacak şekilde ayarlanmış odak noktasında uzaktaki bir nesnenin görüntüsüne odaklanır. Bir teleskobun temel amacı, ille de büyütme değil, objektif merceğin fiziksel boyutuna göre belirlenen ışığın toplanmasıdır. Bu nedenle, teleskoplar, oküler değiştirilerek değiştirilebilen büyütmeden ziyade normal olarak hedeflerinin çapları ile gösterilir. Bir teleskobun büyütmesi, objektifin odak uzunluğunun göz merceğinin odak uzunluğuna bölünmesine eşit olduğundan, daha küçük odak uzunluklu göz mercekleri daha fazla büyütmeye neden olur.

Büyük merceklerin işlenmesi büyük aynalar yapmaktan çok daha zor olduğundan, çoğu modern teleskop, teleskopları , yani objektif mercek yerine birincil ayna kullanan teleskopları yansıtır . Aynı genel optik hususlar, kırılan teleskoplara uygulanan yansıtıcı teleskoplar için de geçerlidir; yani, birincil ayna ne kadar büyükse, o kadar fazla ışık toplanır ve büyütme, yine de birincil aynanın odak uzunluğunun göz merceğinin odak uzunluğuna bölünmesine eşittir. . Profesyonel teleskoplarda genellikle göz mercekleri yoktur ve bunun yerine odak noktasına bir alet (genellikle şarj bağlantılı bir cihaz) yerleştirilir.

Fotoğrafçılık

F / 32 diyafram açıklığıyla çekilmiş fotoğraf
Diyafram f / 5 ile çekilmiş fotoğraf

Fotoğrafın optiği hem lensleri hem de elektromanyetik radyasyonun kaydedildiği ortamı, ister plaka , ister film , ister yüke bağlı cihaz olsun, içerir. Fotoğrafçılar , kamera ile ilişkinin özetlediği çekimin karşılıklılığını göz önünde bulundurmalıdır.

Pozlama ∝ Diyafram Alanı × Pozlama Süresi × Sahne Parlaklığı

Diğer bir deyişle, diyafram açıklığı ne kadar küçükse (daha fazla odak derinliği sağlar), gelen ışık o kadar azdır, bu nedenle sürenin uzatılması gerekir (hareket olursa olası bulanıklığa yol açar). Karşılıklılık yasasının kullanımına bir örnek, gün ışığında uygun pozlamayı tahmin etmek için gereken ayarlar için kabaca bir tahmin veren Sunny 16 kuralıdır .

Bir kameranın diyafram açıklığı, f-numarası veya f-noktası, f / # olarak adlandırılan birimsiz bir sayı ile ölçülür , genellikle şu şekilde gösterilir ve şu şekilde verilir:

odak uzaklığı nerede ve giriş göz bebeğinin çapıdır. Geleneksel olarak, " f / #" tek bir sembol olarak ele alınır ve belirli f / # değerleri , sayı işaretinin değeri ile değiştirilerek yazılır . F-stop'u artırmanın iki yolu, ya giriş gözbebeğinin çapını azaltmak ya da daha uzun bir odak uzaklığına geçmektir ( zum lens söz konusu olduğunda , bu sadece lensi ayarlayarak yapılabilir). Mesafeden bağımsız olarak tüm görüntüleri mükemmel bir şekilde odaklayabilen, ancak çok uzun pozlama süreleri gerektiren bir iğne deliği kamerasının sınırına yaklaşan lens nedeniyle daha yüksek f değerleri de daha büyük bir alan derinliğine sahiptir .

Lensin odak uzaklığı ile değişiklik sağlayacağı görüş alanı. Filmin köşegen boyutu veya kameranın sensör boyutu ile lensin odak uzaklığı arasındaki ilişkiye göre üç temel sınıflandırma vardır:

  • Normal lens : yaklaşık 50 ° görüş açısı ( bu açı kabaca insan görüşüne eşdeğer kabul edildiği için normal olarak adlandırılır ) ve yaklaşık olarak filmin veya sensörün köşegenine eşit odak uzaklığı.
  • Geniş açılı lens : 60 ° 'den geniş görüş açısı ve normal bir lensten daha kısa odak uzaklığı.
  • Uzun odaklı lens : normal bir lensten daha dar görüş açısı. Bu, odak uzaklığı filmin veya sensörün diyagonal ölçüsünden daha uzun olan herhangi bir lenstir. En yaygın uzun odaklı lens türü, fiziksel olarak odak uzaklığından daha kısa olan özel bir telefoto grubu kullanan bir tasarım olan telefoto lenstir .

Modern zoom lensler bu özelliklerin bir kısmına veya tümüne sahip olabilir.

Gereken pozlama süresinin mutlak değeri , kullanılan ortamın ışığa ne kadar duyarlı olduğuna bağlıdır ( film hızıyla veya dijital ortam için kuantum verimliliği ile ölçülür ). İlk fotoğrafçılıkta çok düşük ışık duyarlılığına sahip medya kullanıldı ve bu nedenle çok parlak çekimler için bile pozlama süreleri uzun olmalıydı. Teknoloji geliştikçe, film kameraları ve dijital kameralarla duyarlılık da gelişti.

Fiziksel ve geometrik optiklerden elde edilen diğer sonuçlar kamera optiği için geçerlidir. Örneğin, belirli bir kamera kurulumunun maksimum çözünürlük kapasitesi , gözbebeği boyutuyla ilişkili kırınım limiti tarafından belirlenir ve kabaca Rayleigh kriteri ile verilir.

Atmosferik optik

Renkli bir gökyüzü genellikle, Ekim 2007 California yangınları sırasında bir gün batımı fotoğrafında olduğu gibi, ışığın parçacıklardan ve kirlilikten saçılması nedeniyle oluşur .

Atmosferin benzersiz optik özellikleri, çok çeşitli muhteşem optik olaylara neden olur. Gökyüzünün mavi rengi, yüksek frekanslı (mavi) güneş ışığını gözlemcinin görüş alanına geri yönlendiren Rayleigh saçılmasının doğrudan bir sonucudur. Mavi ışık kırmızı ışıktan daha kolay dağıldığı için, güneş, gün doğumu veya gün batımı gibi kalın bir atmosferde gözlendiğinde kırmızımsı bir renk alır . Gökyüzündeki ilave partikül maddeler, farklı renkleri farklı açılardan saçarak alacakaranlıkta ve şafakta renkli parlayan gökyüzü oluşturabilir. Buz kristallerinin kapalı Saçılma ve atmosferde diğer parçacıklar sorumludur haleler , afterglows , coronas , güneş ışınları ve güneş köpekler . Bu tür fenomenlerdeki varyasyon, farklı partikül boyutları ve geometrilerinden kaynaklanmaktadır.

Seraplar, havanın kırılma indisindeki termal değişimler nedeniyle ışık ışınlarının büküldüğü ve uzaktaki nesnelerin yer değiştirmiş veya ağır şekilde bozulmuş görüntülerini oluşturduğu optik olaylardır. Bununla ilişkili diğer dramatik optik fenomenler arasında , güneşin çarpık bir şekil ile tahmin edilenden daha erken doğduğu Novaya Zemlya etkisi yer alıyor. Fata Morgana adı verilen ve ufuktaki adalar, uçurumlar, gemiler veya buzdağları gibi nesnelerin uzun ve yüksek göründüğü Fata Morgana adı verilen bir sıcaklık ters çevirme ile muhteşem bir kırılma şekli meydana gelir .

Gökkuşakları, yağmur damlalarında iç yansıma ve ışığın dağıtıcı kırılmasının bir kombinasyonunun sonucudur. Bir dizi yağmur damlasının arka tarafındaki tek bir yansıma, gökyüzünde 40 ° ile 42 ° arasında değişen, dışı kırmızı olan bir gökkuşağı oluşturur. Çift gökkuşakları, dışta menekşe ile 50,5 ° ila 54 ° arasında açısal boyuta sahip iki iç yansıma ile üretilir. Gökkuşakları, gökkuşağının merkezinden 180 ° uzakta güneş ile görüldüğü için, gökkuşakları güneş ufka yaklaştıkça daha belirgindir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

İlgili tartışmalar
Ders kitapları ve öğreticiler
Vikikitap modülleri
daha fazla okuma
Toplumlar