Разбирането както на геометричната, така и на физическата оптика ни позволява да изучаваме явления, произтичащи както от частиците, така и от вълновите аспекти на светлината.
Свойства на светлината
Светлината пътува през космоса като електромагнитни вълни и като частици. В резултат на това двойственост частица-вълна, когато физиците работят с оптика (изследване на светлината), те трябва да мислят за разпространението на светлината по един от двата начина, в зависимост от приложението.
Когато мислим за такива характеристики на светлината като интерференция, поляризация или цвят, описването на светлината като напречни вълнови фронтове е начинът, по който трябва да се върви. Но когато се изгражда телескоп или коригираща леща и се определя как светлината ще отразява, пречупва и предават, най-добрият вариант е да мислите за светлината като за лъч от частици, движещи се в прави линии лъчи.
Вълнова оптика и вълновата теория на светлината
Изследването на физическата оптика използва вълновата природа на светлината, за да разбере такива явления като интерференционни модели, причинени от светлинни вълни, преминаващи през дифракционни решетки и спектроскопия. Физическата оптика излетя като поле през 1800 г. след няколко ключови открития, включително съществуването на светлина извън видимия спектър от сър Фредерик Уилям Хершел.
Във физическата оптика светлината е представена като напречен фронт на вълната, подобно на синусоидалния или "S-крива", която също описва вълна, пътуваща през водата с гребени и корита (високи и ниски точки). С този модел светлинните вълни следват същите правила като другите напречни вълни - техните честоти и дължини на вълните са обратно пропорционални поради уравнението на скоростта на вълната и фронтовете на вълната си пречат помежду си, където те пресичат.
Например, два гребена (високи точки) или две корита (ниски точки), които се припокриват, пречат конструктивно, което прави общия гребен по-висок или общия корито съответно по-нисък. Там, където вълновите фронтове се срещат извън фазата - гребен и корито заедно - те се намесват разрушително, или напълно или частично се отменят.
Мисленето за светлина като вълна също е ключово за разбирането на разликите между типовете светлина в електромагнитната спектър, като разликата между радио, видими и рентгенови лъчи, тъй като тези видове се класифицират по тяхната вълна Имоти. Това също означава, че третирането на светлината като вълна е важно във физическата оптика на цвета, тъй като това е подмножество на видимата част от спектъра.
Геометрична оптика и проследяване на лъчи
В геометричната оптика физиците използват елементарната природа на светлината, за да представят нейния път в прави линии, известни като лъчи. Геометричната оптика се използва от много по-дълго от физическата, тъй като хората са се научили как да проектират устройства огънете и фокусирайте светлината за цели като правене на телескопи и коригиращи лещи много преди да разберат каква светлина беше. До 1600 г. шлифоването на лещи с цел подпомагане на човешкото зрение е нещо обичайно.
Светлинните лъчи се нарисуват като прави линии, излъчвани от източник на светлина и обозначаващи посоката, в която се движи светлината. Лъчевата диаграма се използва, за да покаже пътищата на няколко представителни светлинни лъчи, тъй като те отразяват, пречупват и предават различни материали, за да се определят такива измервания като фокусно разстояние и размера и ориентацията на полученото изображение.
Чрез проследяването на пътищата на лъчите на светлината, физиците могат да разберат по-добре оптичните системи, включително формиране на изображения в тънки лещи и равни огледала, оптични влакна и други оптични инструменти. Предвид дългата си история като поле, геометричната оптика е довела до няколко добре познати закона за това как светлината скача и се огъва, може би най-известният закон за пречупване (законът на Снел) и законът на отражението.