Η κατανόηση τόσο της γεωμετρικής όσο και της φυσικής οπτικής μας επιτρέπει να μελετήσουμε φαινόμενα που προκύπτουν τόσο από σωματιδιακές όσο και από κυματομορφές του φωτός.
Ιδιότητες του φωτός
Το φως ταξιδεύει στο διάστημα ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ως σωματίδια. Ως αποτέλεσμα αυτού δυαδικότητα κύματος σωματιδίων, όταν οι φυσικοί εργάζονται με την οπτική (τη μελέτη του φωτός), πρέπει να σκεφτούν τη διάδοση του φωτός με έναν από τους δύο τρόπους, ανάλογα με την εφαρμογή.
Όταν σκεφτόμαστε τέτοια χαρακτηριστικά του φωτός όπως παρεμβολές, πόλωση ή χρώμα, η περιγραφή του φωτός ως μέτωπων εγκάρσιων κυμάτων είναι ο τρόπος να πάτε. Αλλά όταν κατασκευάζετε ένα τηλεσκόπιο ή διορθωτικό φακό και καθορίζετε πώς θα αντανακλά το φως, διαθλάται και μεταδώστε, η καλύτερη επιλογή είναι να σκεφτείτε το φως ως μια δέσμη σωματιδίων που κινούνται σε ευθείες γραμμές που ονομάζονται ακτίνες.
Οπτική κύματος και θεωρία κύματος του φωτός
Η μελέτη της φυσικής οπτικής χρησιμοποιεί τη φύση του κύματος του φωτός για να κατανοήσει τέτοια φαινόμενα, όπως μοτίβα παρεμβολών που προκαλούνται από κύματα φωτός που διέρχονται από σχάρες περίθλασης και φασματοσκοπία. Η φυσική οπτική ξεκίνησε ως πεδίο το 1800 μετά από πολλές βασικές ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της ύπαρξης φωτός έξω από το ορατό φάσμα του Sir Frederick William Herschel.
Στη φυσική οπτική, το φως αντιπροσωπεύεται ως εγκάρσιο μέτωπο, όπως το ημιτονοειδές ή "S-curve" που περιγράφει επίσης ένα κύμα που διασχίζει το νερό με κορυφές και γούρνες (ψηλά και χαμηλά σημεία). Με αυτό το μοντέλο, τα φωτεινά κύματα ακολουθούν τους ίδιους κανόνες με άλλα εγκάρσια κύματα - οι συχνότητες και τα μήκη κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογα με την εξίσωση ταχύτητας κύματος και τα μέτωπα κύματος αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο όπου βρίσκονται διατέμνω.
Για παράδειγμα, δύο κορυφές (υψηλά σημεία) ή δύο κοιλότητες (χαμηλά σημεία) που αλληλεπικαλύπτονται παρεμβαίνουν εποικοδομητικά, καθιστώντας το συνολικό ύψος υψηλότερο ή το συνολικό κατώτερο χαμηλότερο, αντίστοιχα. Όπου τα μέτωπα κύματος συναντιούνται εκτός φάσης - μια κορυφή και μια κοιλότητα μαζί - παρεμβαίνουν καταστρεπτικά, είτε ακυρώνοντας πλήρως είτε εν μέρει ο ένας τον άλλον.
Η σκέψη του φωτός ως κύματος είναι επίσης κλειδί για την κατανόηση των διαφορών μεταξύ των τύπων φωτός στον ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, όπως η διαφορά μεταξύ ραδιοφώνου, ορατής και ακτινογραφίας, καθώς αυτοί οι τύποι ταξινομούνται από το κύμα τους ιδιότητες. Αυτό σημαίνει επίσης ότι η επεξεργασία του φωτός ως κύματος είναι σημαντική στη φυσική οπτική του χρώματος, καθώς αυτό είναι ένα υποσύνολο του ορατού τμήματος του φάσματος.
Γεωμετρική Οπτική και Ανίχνευση Ακτίνων
Στη γεωμετρική οπτική, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη σωματιδιακή φύση του φωτός για να αντιπροσωπεύουν τη διαδρομή του σε ευθείες γραμμές γνωστές ως ακτίνες. Η γεωμετρική οπτική χρησιμοποιείται πολύ περισσότερο από τη φυσική οπτική, καθώς οι άνθρωποι είχαν μάθει πώς να σχεδιάζουν συσκευές κάμψη και εστίαση του φωτός για σκοπούς όπως η κατασκευή τηλεσκοπίων και διορθωτικών φακών πολύ πριν καταλάβουν τι φως ήταν. Μέχρι το 1600, η λείανση των φακών με σκοπό την ενίσχυση της ανθρώπινης όρασης ήταν συνηθισμένη.
Οι ακτίνες φωτός σχεδιάζονται ως ευθείες γραμμές που προέρχονται από μια πηγή φωτός και υποδεικνύουν την κατεύθυνση που ταξιδεύει το φως. Ένα διάγραμμα ακτίνων χρησιμοποιείται για να δείξει τις διαδρομές πολλών αντιπροσωπευτικών ακτίνων φωτός καθώς ανακλώνται, διαθλάται και μεταδίδεται διαφορετικά υλικά προκειμένου να προσδιοριστούν τέτοιες μετρήσεις όπως το εστιακό μήκος και το μέγεθος και ο προσανατολισμός του προκύπτοντος εικόνα.
Ανιχνεύοντας τις διαδρομές των ακτίνων του φωτός, οι φυσικοί μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα τα οπτικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού εικόνας σε λεπτούς φακούς και καθρέπτες επιπέδων, οπτικές ίνες και άλλα οπτικά όργανα. Δεδομένης της μακράς ιστορίας της ως πεδίου, η γεωμετρική οπτική οδήγησε σε πολλούς γνωστούς νόμους για το πώς το φως αναπηδά και κάμπτεται, ίσως πιο γνωστά ο νόμος της διάθλασης (νόμος του Snell) και ο νόμος του προβληματισμού.