La comprensione dell'ottica sia geometrica che fisica ci consente di studiare i fenomeni derivanti da aspetti sia particellari che ondulatori della luce.
Proprietà della luce
La luce viaggia nello spazio come onde elettromagnetiche e come particelle. Come risultato di questo dualità particella-onda, quando i fisici lavorano con l'ottica (lo studio della luce), devono pensare alla propagazione della luce in uno dei due modi, a seconda dell'applicazione.
Quando si pensa a caratteristiche della luce come l'interferenza, la polarizzazione o il colore, descrivere la luce come fronti d'onda trasversali è la strada da percorrere. Ma quando si costruisce un telescopio o una lente correttiva e si determina come la luce rifletterà, rifrangerà e... trasmettere, l'opzione migliore è pensare alla luce come un raggio di particelle che si muovono in linee rette chiamate raggi.
Ottica ondulatoria e teoria ondulatoria della luce
Lo studio dell'ottica fisica utilizza la natura ondulatoria della luce per comprendere fenomeni come i modelli di interferenza causati dalle onde luminose che passano attraverso i reticoli di diffrazione e la spettroscopia. L'ottica fisica è decollata come campo nel 1800 dopo diverse scoperte chiave, inclusa l'esistenza di luce al di fuori dello spettro visibile di Sir Frederick William Herschel.
In ottica fisica, la luce è rappresentata come un fronte d'onda trasversale, come il sinusoidale o "S-curve" che descrive anche un'onda che viaggia attraverso l'acqua con creste e depressioni (alta ehigh punti bassi). Con questo modello, le onde luminose seguono le stesse regole delle altre onde trasversali: le loro frequenze e lunghezze d'onda sono inversamente proporzionale a causa dell'equazione della velocità dell'onda, e i fronti d'onda interferiscono tra loro dove essi intersecare.
Ad esempio, due creste (punti alti) o due avvallamenti (punti bassi) che si sovrappongono interferiscono costruttivamente, rendendo rispettivamente la cresta complessiva più alta o la depressione complessiva più bassa. Dove i fronti d'onda si incontrano fuori fase - una cresta e una depressione insieme - interferiscono distruttivamente, annullandosi in tutto o in parte.
Pensare alla luce come un'onda è anche la chiave per comprendere le differenze tra i tipi di luce nel campo elettromagnetico spettro, come la differenza tra radio, visibile e raggi X, poiché questi tipi sono classificati in base alla loro onda proprietà. Ciò significa anche che trattare la luce come un'onda è importante nell'ottica fisica del colore, poiché è un sottoinsieme della porzione visibile dello spettro.
Ottica geometrica e Ray Tracing
Nell'ottica geometrica, i fisici usano la natura particellare della luce per rappresentare il suo percorso in linee rette note come raggi. L'ottica geometrica è in uso da molto più tempo dell'ottica fisica, poiché le persone avevano imparato a progettare dispositivi che piegare e focalizzare la luce per scopi come realizzare telescopi e lenti correttive molto prima che capissero quale luce era. Nel 1600, la molatura delle lenti allo scopo di aiutare la visione umana era all'ordine del giorno.
I raggi luminosi sono disegnati come linee rette che emanano da una sorgente luminosa e indicano la direzione in cui viaggia la luce. Un diagramma dei raggi viene utilizzato per mostrare i percorsi di diversi raggi di luce rappresentativi mentre riflettono, rifrangono e trasmettono attraverso materiali diversi per determinare misurazioni come la lunghezza focale e la dimensione e l'orientamento del risultante Immagine.
Tracciando i percorsi dei raggi di luce, i fisici possono comprendere meglio i sistemi ottici, compresa la formazione dell'immagine in lenti sottili e specchi piani, fibre ottiche e altri strumenti ottici. Data la sua lunga storia come campo, l'ottica geometrica ha portato a diverse leggi ben note su come la luce rimbalza e si piega, forse la più famosa legge di rifrazione (legge di Snell) e la legge di riflessione.