Pochopenie geometrickej aj fyzikálnej optiky nám umožňuje študovať javy vyplývajúce z časticových aj vlnových aspektov svetla.
Vlastnosti svetla
Svetlo putuje vesmírom ako elektromagnetické vlny a ako častice. V dôsledku toho dualita časticových vĺn, keď fyzici pracujú s optikou (štúdium svetla), musia myslieť na šírenie svetla jedným z dvoch spôsobov, v závislosti od aplikácie.
Keď premýšľame o takých vlastnostiach svetla, ako je interferencia, polarizácia alebo farba, je dobrou cestou popísať svetlo ako priečne vlny. Ale pri stavbe ďalekohľadu alebo korekčných šošoviek a určovaní toho, ako bude svetlo odrážať, lámať a prenášať, najlepšou možnosťou je myslieť na svetlo ako na lúč častíc pohybujúcich sa v priamych líniách tzv lúče.
Vlnová optika a vlnová teória svetla
Štúdium fyzikálnej optiky využíva vlnovú povahu svetla na pochopenie takých javov, ako sú interferenčné vzory spôsobené svetelnými vlnami prechádzajúcimi difrakčnými mriežkami a spektroskopiou. Fyzická optika sa rozbehla ako pole v 18. rokoch 20. storočia po niekoľkých kľúčových objavoch, vrátane existencie svetla mimo viditeľného spektra od sira Fredericka Williama Herschela.
Vo fyzickej optike je svetlo reprezentované ako priečna vlna, ako sínusový alebo „S-krivka“, ktorá tiež popisuje vlnu pohybujúcu sa cez vodu s hrebeňmi a žľabmi (vysokými a nízke body). S týmto modelom sa svetelné vlny riadia rovnakými pravidlami ako iné priečne vlny - ich frekvencie a vlnové dĺžky sú nepriamo úmerné vzhľadom na rovnicu vlnovej rýchlosti a vlnové fronty sa navzájom rušia tam, kde sú pretínajú sa.
Prekážajú napríklad dva vrcholy (vysoké body) alebo dva žľaby (nízke body), ktoré sa prekrývajú konštruktívne, takže celkový hrebeň je vyšší, respektíve celkový žľab nižší. Tam, kde sa vlnové fronty stretávajú mimo fázy - hrebeň a koryto spolu - zasahujú deštruktívne, buď sa navzájom úplne alebo čiastočne vzájomne rušia.
Myslenie na svetlo ako na vlnu je tiež kľúčové pre pochopenie rozdielov medzi typmi svetla v elektromagnetickom poli spektrum, napríklad rozdiel medzi rádiovým, viditeľným a röntgenovým žiarením, pretože tieto typy sa klasifikujú podľa ich vĺn vlastnosti. To tiež znamená, že ošetrenie svetla ako vlny je dôležité vo fyzickej optike farieb, pretože to je podmnožina viditeľnej časti spektra.
Geometrická optika a sledovanie lúčov
V geometrickej optike fyzici používajú časticovú povahu svetla na vyjadrenie svojej dráhy v priamkach známych ako lúče. Geometrická optika sa používala oveľa dlhšie ako fyzická optika, pretože ľudia sa naučili, ako to navrhovať ohýbať a zaostrovať svetlo na účely, ako je napríklad výroba ďalekohľadov a korekčných šošoviek, skôr ako pochopia, aké svetlo bol. Do roku 1600 bolo brúsenie šošoviek na účely podpory ľudského zraku samozrejmosťou.
Svetelné lúče sú nakreslené ako priame čiary vychádzajúce zo zdroja svetla a indikujúce smer, ktorým sa svetlo pohybuje. Pomocou lúčového diagramu sa zobrazujú dráhy niekoľkých reprezentatívnych svetelných lúčov, ktoré sa odrážajú, lámu a prechádzajú cez rôznych materiálov, aby bolo možné určiť také merania, ako je ohnisková vzdialenosť a veľkosť a orientácia výsledku obrázok.
Sledovaním dráhy lúčov svetla môžu fyzici lepšie pochopiť optické systémy vrátane formovania obrazu v tenkých šošovkách a rovných zrkadlách, optických vlákien a iných optických prístrojov. Vzhľadom na svoju dlhú históriu poľa viedla geometrická optika k niekoľkým známym zákonom o tom, ako ľahké odskakuje a ohýba sa, asi najslávnejšie je to zákon lomu (Snellov zákon) a zákon odrazu.