Optyki geometrycznej jest oddziałem optyczny , który opiera się w szczególności na modelu wiązki światła . To proste podejście pozwala między innymi na geometryczne konstrukcje obrazów, stąd jego nazwa. Jest to najbardziej elastyczne i wydajne narzędzie do pracy z układami dioptrycznymi i odblaskowymi . W ten sposób pomaga wyjaśnić powstawanie obrazów.
Optyka geometryczna (pierwsza sformułowana teoria optyczna) jest weryfikowana a posteriori przez optykę falową , poprzez przybliżenie, że wszystkie użyte elementy są duże w stosunku do długości fali światła.
W debacie otaczających XIX th century dualizm falowo-cząstka światła, optyki geometrycznej nie określa naturę światła i jest następnie kompatybilny z obu podejść.
Z fizycznego punktu widzenia optyka geometryczna jest alternatywnym podejściem do optyki falowej (często nazywanej optyką fizyczną ) i optyki kwantowej . Z drugiej strony jest starszy, rozwijany od czasów starożytnych. Pojęcie wiązki światła został wprowadzony przez Euklidesa w IV -go wieku pne.
Aż do XVI, XX wieku, optyka opierać się na koncepcji wiązki światła i postępuje doświadczalnie, więc, dzięki czemu występ pierwszych soczewek korygujących w 1285 Ustawodawstwo Snell a według Snell w 1621 i w roku 1637 przez Kartezjusza.
Pierwszy eksperyment ukazujący granice optyki geometrycznej przeprowadził Grimaldi w 1665 roku, który nazwał dyfrakcję . Optyka fala wykazać przy XIX p wieku z doświadczenia Młode szczelin i optyki kwantowej wyjdzie tylko podczas XX p wieku.
Promień światła jest obiektem teoretyczna: nie ma fizycznego istnienia. Służy jako podstawowy model optyki geometrycznej, w której każda wiązka światła jest reprezentowana przez zestaw promieni świetlnych. Promień światła jest przybliżeniem kierunku propagacji fali świetlnej lub fotonów.
Biorąc pod uwagę falę świetlną, jeśli powierzchnia fali jest płaszczyzną, wszystkie promienie są równoległe do siebie, a jeśli powierzchnia fali jest kulista, wszystkie promienie idą do punktu lub wydają się pochodzić z punktu: mamy wiązka, która zbiega się w punkcie lub odchodzi od punktu.
Pojęcie drogi optycznej pozwala w sposób geometryczny przełożyć wpływ współczynnika załamania światła ośrodka na prędkość światła. Droga optyczna jest równa odległości, jaką światło przebyłoby w tym samym czasie w próżni.
W praktyce na jednorodnym nośniku wskaźnikowym dla przebytej odległości droga optyczna jest wyrażana:
.W ciągłym podejściem, a nie dyskretnych ścieżka optyczna: .
Zasada Fermata opiera się na koncepcji ścieżki optycznej „pomiędzy 2 punktami światło podąża drogą odpowiadającą stacjonarnej (stałej) ścieżce optycznej, to znaczy ścieżce z minimalną trasą czasową”.
Aby odnieść model promienia świetlnego do falowej teorii światła, konieczne jest energetyczne podejście do rozchodzenia się światła. Promień świetlny przedstawia kierunek propagacji energii świetlnej. Kierunek ten jest prostopadły do frontów fali świetlnej.
Dwie główne zasady założyły optykę geometryczną:
Zasady te zostały sformalizowane dopiero późno w porównaniu z prawem refleksji, ale postulował je już w starożytności Heron z Aleksandrii . Prawo załamania pojawiło się później. Odbicie i załamanie podlegają prawom Snella-Kartezjusza . Zjawisko granicznego załamania i całkowitego odbicia zostanie stwierdzone dopiero później.
Załamanie w optyce geometrycznej na dioptrii płaskiej w przypadku, gdy n 1 <n 2 .
Ilustracja prawa refleksji.
Optyka geometryczna nie jest w stanie wyjaśnić wszystkich zjawisk świetlnych. W szczególności nie bierze pod uwagę, czy światło ma charakter falowy czy cząsteczkowy. Gdy wszystkie obiekty oddziałujące ze światłem mają charakterystyczne rozmiary duże w stosunku do długości fali promienia świetlnego, wygodniej i prościej jest zastosować optykę geometryczną do opisu jego zachowania z dużą dokładnością. Ale kiedy światło rozprasza się lub przechodzi przez obiekty, których rozmiar jest tego samego rzędu wielkości (lub nawet mniejszy) niż długość jego fali, to nie jest już możliwe zaniedbanie aspektu falowego i wkraczamy w pole optyki fizycznej .
Dwa charakterystyczne zjawiska optyki falowej, niewytłumaczalne w kontekście optyki geometrycznej, to interferencja światła i dyfrakcja .
W elektromagnetycznym modelu w świetle , optyki geometrycznej odpowiada w szczególnym przypadku, w którym długość fali jest uważany zera w obecności wszystkich układów ( soczewek , lustra , itp) i w którym promienie są uważane za wszystkie niezgodne z sobą.. To przybliżenie pozwala uzasadnić skupienie promieni świetlnych w punkcie, jak również brak zjawiska dyfrakcji .