Геометрическая оптика — это раздел оптики, где волновая природа света и связанных с этим явлений не учитывается.
Геометрическая оптика занимается изучением распространения света в бесцветных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей, т. е. линий, вдоль которых идет световая энергия. Лучи прямолинейны, если среда является оптически однородной. Лучи подчиняются законам отражения и преломления. Световые лучи могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь после пересечения независимо друг от друга.
Условие применимости геометрической оптики: площадь волнового фронта, ограниченная входным отверстием линзы, должна быть значительно больше произведения расстояние от линзы до точки наблюдения на длину волны.
Отражение волн — это процесс, происходящий на границе раздела двух сред в следствие которого волна меняет направление своего распространения, оставаясь в первой среде.
Отражение бывает:
1) диффузное (рассеянное), при котором отраженные от шероховатой поверхности раздела сред лучи распространяются в первой среде в разных направлениях;
2) зеркальное, где поверхность отражает падающий на нее пучок света направленно, наблюдается на гладких поверхностях.
Угол падения — угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения луча.
Угол отражения — угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения луча.
Законы отражения:
1) падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
2) угол отражения равен углу падения.
Поглощение волн — это уменьшение энергии волны в итоге ее взаимодействия со средой, где она распространяется, или с телами, расположенными на пути ее распространения. При этом энергия волны переходит в другие виды энергии.
Показатель преломления — это величина, являющаяся оптической характеристикой среды, связанная с преломлением света на границе раздела двух бесцветных сред при переходе его из одной среды в другую и обусловленная различием скоростей распространения света в этих средах.
Угол преломления — это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения.
Законы преломления:
1) падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
2) отношение синуса угла падения электромагнитных волн к си- нусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, такую величину называют относительным показателем преломления двух данных сред.
Показатели преломления:
- абсолютный показатель преломления — это отношение скорости электромагнитных волн в вакууме к фазовой скорости волны в среде, для любой среды:
- относительный показатель преломления — это отношение фазовой скорости электромагнитных волн в первой среде к фазовой скорости волны во второй среде:
Рассеяние света — явление преобразования света веществом, которое сопровождается изменением направления распространения света и выражающееся как несобственное свечение вещества.
Оптически неоднородная среда — это среда, с помощью которой показатель преломления нерегулярно изменяется от точки к точке среды.
Рэлеевское рассеяние — рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей не свыше ( длина волны света).
Закон Рэлея: при прочих равных условиях интенсивность света, рассеянного в мелкодисперсной мутной среде, пропорциональна — частота падающего света.
Индикатриса рассеяния — это зависимость от изображенная в сферических координатах.
Молекулярное рассеяние — это рассеяние света, наблюдаемое в средах, не содержащих инородных частиц, за счет флуктуации плотности, появляющихся из-за теплового движения атомов (молекул), флуктуации ориентации молекул (флуктуации анизотропии), флуктуации концентрации в истинных растворах.
Гомоцентрический пучок — это источник света, который является центром расходящегося пучка лучей.
Линза — это прозрачное тело, которое ограниченно двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями.
Тонкая линза — это линза, которая имеет малую толщину по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.
Толстая линза — это линза, которая имеет большую толщину по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.
Главная оптическая ось линзы — это прямая, которая проходит через центры кривизны ее поверхностей.
Главная плоскость линзы — это плоскость, которая является общей для обеих поверхностей тонкой линзы, перпендикулярная ее главной оптической оси.
Побочные оптические оси линзы — все прямые, проходящие через оптический центр линзы и не совпадающие с ее главной оптической осью.
Главные фокусы линзы — точки, которые располагаются на главной оптической оси линзы по обе стороны от оптического центра на одинаковых расстояниях, называемых фокусными.
Фокальные плоские линзы — это плоскости, которые располагаются через главные фокусы линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.
Формула тонкой линзы:
где
— абсолютные показатели преломления для материала линзы и окружающей среды,
где R1 и R2 — радиусы кривизны передней и задней поверхности линзы, a1 и а2 — расстояния до предмета и его изображения.
Фокусное расстояние линзы:
Оптическая сила — это физическая величина, которая характеризует преломляющее действие линзы или оптической системы, обратная ее фокусному расстоянию:
Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем больше отклоняются лучи от начального направления распространения при прохождении через линзу, тем больше оптическая сила линзы.
Виды линз:
1) собирающая;
2) рассеивающая.
Собирающая линза — это линза, которая преобразовывает пучок параллельных лучей в сходящийся. Оптическая сила собирающей линзы всегда положительна, т. е. D>0.
Рассеивающая линза — это линза, после прохождения через которую, пучок параллельных лучей становится расходящимся.
Оптическая сила рассеивающей линзы является отрицатель- ной величиной, т. е. D < 0.
Правило знаков в геометрической оптике (f — фокусное расстояние линзы):
если линза собирающая, то f>0;
если линза рассеивающая, то f<0;
если изображение действительное, то a2>0;
если изображение мнимое, то a2<0;
если пучок света, падающий на линзу, является расходящимся, то a1>0;
если пучок света, падающий на линзу, является сходящимся, то a1<0.
Параксиальный (приосевой) пучок — это пучок световых лучей, расположенных в узком конусе световых лучей с осью, нормальной к сферической границе раздела (поверхности линзы).