Геометрическая оптика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах.

Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место дифракция, и в результате узкий пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Кроме отсутствия волновых эффектов, в геометрической оптике пренебрегают также квантовыми эффектами. Как правило, скорость распространения света считается бесконечной (вследствие чего динамическая физическая задача превращается в геометрическую), однако учёт конечной скорости света в рамках геометрической оптики (например, в астрофизических приложениях) не представляет трудности. Кроме того, как правило, не рассматриваются эффекты, связанные с откликом среды на прохождение лучей света. Эффекты такого рода, даже формально лежащие в рамках геометрической оптики, относят к нелинейной оптике.

[править] Законы геометрической оптики

В основе «наивного подхода» к геометрической оптике лежат несколько простых эмпирических законов:

Закон прямолинейного распространения света

Закон преломления света

Закон отражения света
Закон независимого распространения лучей. Согласно нему отдельные лучи не влияют друг на друга и распространяются независимо. Если в какой-то точке сходятся две системы лучей, то освещённости создаваемые ими, складываются.

Однако наиболее последовательным является вывод законов геометрической оптики из волновой оптики в эйкональном приближении. В этом случае, основным уравнением геометрической оптики становится уравнение эйконала, которое допускает также словесную интерпретацию в виде принципа Ферма, из которого и следуют перечисленные выше законы.

[править] Разделы геометрической оптики

Среди разделов геометрической оптики стоит отметить

расчёт оптических систем в параксиальном приближении
распространение света вне параксиального приближения, формирование каустик и прочих особенностей световых фронтов.
распространение света в неоднородных и неизотропных средах (градиентная оптика)
распространение света в волноводах и оптоволокне
распространение света в гравитационных полях массивных астрофизических объектов, гравитационное линзирование.