Просмотр кода страницы Оптика

{{о|научном труде Ньютона|Оптика (Ньютон)}}
{{←|Оптик|Оптик (футбольный клуб)|о немецком футбольном клубе}}
[[Файл:Light_dispersion_of_a_mercury-vapor_lamp_with_a_flint_glass_prism_IPNr°0125.jpg|справа|мини| Оптика изучает [[Дисперсия света|рассеивание]] света.]]

'''О́птика''' (от {{lang-grc|[[wikt:ὀπτικός#Древнегреческий|ὀπτική]]}} «наука о зрительных восприятиях») — раздел [[Физика|физики]], изучающий поведение и свойства [[свет]]а, в том числе его взаимодействие с [[Материя (физика)|веществом]] и создание [[Оптические приборы|инструментов,]] которые его используют или [[Фотодетектор|детектируют]]<ref name="McGrawHill">{{Cite book|title=McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology|edition=5th|publisher=McGraw-Hill|year=1993}}</ref>. Оптика обычно описывает поведение [[Свет|видимого]], [[Ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетового]] и [[Инфракрасное излучение|инфракрасного]] излучения. Поскольку свет представляет собой [[Электромагнитное излучение|электромагнитную волну]], другие формы [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], такие как [[Рентгеновское излучение|рентгеновские лучи]], [[Микроволновое излучение|микроволны]] и [[радиоволны]], обладают аналогичными свойствами.

Большинство [[Оптическое явление|оптических явлений]] можно объяснить с помощью [[Электродинамика|классической электродинамики]]. Однако полное электромагнитное описание света часто затруднительно применять на практике. Практическая оптика обычно строится на упрощённых моделях. Самая распространённая из них, [[геометрическая оптика]], рассматривает свет как набор [[Световой луч|лучей]], которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. [[Волновая оптика]] — более полная модель света, которая включает [[Волна|волновые]] эффекты, такие как [[дифракция]] и [[Интерференция волн|интерференция]], которые не учитываются в геометрической оптике. Исторически первой была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в теории электромагнетизма в 19 веке привёл к пониманию световых волн как видимую часть спектра электромагнитного излучения.

Некоторые явления зависят от того факта, что свет демонстрирует [[Корпускулярно-волновой дуализм|волновые и корпускулярные свойства]]. Объяснение этого поведения находится в [[Квантовая механика|квантовой механике]]. При рассмотрении корпускулярных свойств, свет представляется как набор частиц называемых [[фотон]]ами. [[Квантовая оптика]] использует квантовую механику для описания оптических систем.

Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включающих [[Астрономия|астрономию]], различные области [[Инженерное дело|инженерного дела]], [[Фотография|фотографию]] и [[Медицина|медицину]] (особенно [[Офтальмология|офтальмологию]] и [[Оптометрия|оптометрию]]). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и повседневных вещах, включая [[Зеркало|зеркала]], [[Линза|линзы]], [[Оптический телескоп|телескопы]], [[микроскоп]]ы, [[лазер]]ы и [[Оптическое волокно|волоконную оптику]].

== История ==
[[Файл:Nimrud_lens_British_Museum.jpg|справа|мини| [[Линза Нимруда]]]]
Оптика началась с разработки линз [[Древний Египет|древними египтянами]] и [[Месопотамия|месопотамцами]]. Самые ранние известные линзы с [[Крит]]а, зачастую сделанные из полированных кристаллов [[кварц]]а, датируются 2000 годом до н. э. (Археологический музей Ираклиона, Греция). Линзы с [[Родос]]а датируются примерно 700 годом до н. э., как и [[Ассирия|ассирийские]] линзы, такие как [[линза Нимруда]]<ref>{{Cite news|url=http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/380186.stm|title=World's oldest telescope?|website=BBC News|date=1999-07-01|accessdate=2010-01-03|url-status=live|archiveurl=https://web.archive.org/web/20090201185740/http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/380186.stm|archivedate=2009-02-01}}</ref>. [[Древний Рим|Древние римляне]] и [[Древняя Греция|греки]] наполняли стеклянные шары водой для изготовления линз. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения [[Древнегреческая философия|древнегреческими]] и [[Индийская философия|индийскими]] философами, а также развитие [[Геометрическая оптика|геометрической оптики]] в [[греко-римский мир|греко-римском мире]]. Слово ''оптика'' происходит от [[Древнегреческий язык|древнегреческого]] слова {{Lang|grc|ὀπτική}}, что означает «внешний вид»<ref>{{cite book|title=The Concise Oxford Dictionary of English Etymology|year=1996|author=T.F. Hoad|isbn=978-0-19-283098-2|url=https://archive.org/details/conciseoxforddic00tfho}}</ref>.

Греки рассматривали оптику как часть философского учения, — она имела две противоположные теории о том, как работает зрение: [[Зрение человека|теория интромиссии]] ({{Lang-en|intromission}}) и [[Теория выбросов (видение)|теория излучения]]<ref>[http://www.stanford.edu/class/history13/earlysciencelab/body/eyespages/eye.html A History Of The Eye] {{Архивировано|url=https://web.archive.org/web/20120120085632/http://www.stanford.edu/class/history13/earlysciencelab/body/eyespages/eye.html|date=2012-01-20}}. stanford.edu. Retrieved 2012-06-10.</ref>. Подход интромиссии рассматривал зрение как исходящее от объектов, отбрасывающих копии самих себя (так называемые ''эйдола'' от {{Lang-en|eidola}}), которые захватывались глазом. Со многими основателями, включающими [[Демокрит]]а, [[Эпикур]]а, [[Аристотель|Аристотеля]] и их последователей, эта теория, кажется, имела некоторую схожесть с современными теориями о том, что такое зрение на самом деле, но она оставалась лишь предположением, не имеющим какого-либо экспериментального основания.

[[Платон]] первым сформулировал теорию излучения, идею о том, что [[Зрение человека|зрительное восприятие]] осуществляется лучами, испускаемыми глазами. Он также прокомментировал изменение [[Чётность (физика)|чётности]] зеркал в ''[[Тимей (Платон)|Тимее]]''<ref>{{Cite book|title=A manual of greek mathematics|author=T.L. Heath|publisher=Courier Dover Publications|isbn=978-0-486-43231-1|pages=181–182|year=2003}}</ref>. Спустя несколько сотен лет [[Евклид]] (4-3 вв. до н. э.) написал [[трактат]] под названием «''[[Евклид|Оптика»]], в'' котором связал зрение с [[Геометрия|геометрией]], создав ''геометрическую оптику''<ref>{{Cite book|author=William R. Uttal|title=Visual Form Detection in 3-Dimensional Space|year=1983|publisher=Psychology Press|isbn=978-0-89859-289-4|pages=25–}}</ref>. Он основывал свою работу на теории излучения Платона, в которой он описал математические правила [[Перспектива|перспективы]] и качественно описал эффекты [[Преломление|преломления]], хотя и сомневался в том, что луч света из глаза может мгновенно зажигать звезды каждый раз, когда кто-то моргает<ref>{{Cite book|author=Euclid|title=The Arabic version of Euclid's optics = Kitāb Uqlīdis fī ikhtilāf al-manāẓir|url=https://archive.org/details/arabicversionofe0000eucl|publisher=New York: Springer|year=1999|isbn=978-0-387-98523-7}}</ref>. Евклид сформулировал принцип кратчайшей траектории света и рассмотрел множественные отражения на плоских и сферических зеркалах. [[Клавдий Птолемей|Птолемей]] в своём трактате «''[[Клавдий Птолемей|Оптика»]]'' придерживался теории зрения «интромиссии-излучения»: лучи (или поток) из глаза образуют конус, вершина которого находится внутри глаза, а основание определяет поле зрения. Лучи были чувствительными и передавали разуму наблюдателя информацию о расстоянии и ориентации поверхностей. Он резюмировал большую часть геометрической оптики Евклида и продолжил описывать способ измерения [[Закон Снеллиуса|угла преломления]], хотя он не заметил эмпирической связи между ним и углом падения<ref name="Ptolemy">{{Cite book|title=Ptolemy's theory of visual perception: an English translation of the Optics with introduction and commentary|author=Ptolemy|publisher=DIANE Publishing|year=1996|isbn=978-0-87169-862-9}}</ref>. [[Плутарх]] (I-II века нашей эры) описал множественные отражения на сферических зеркалах и обсудил создание увеличенных и уменьшенных изображений, как реальных, так и воображаемых, включая случай [[Хиральность|хиральности]] изображений.
[[Файл:Hazan.png|мини| [[Ибн аль-Хайсам|Альхазен]] (Ибн аль-Хайсам), «отец оптики»<ref>{{Citation|first=RL|last=Verma|year=1969|title=Al-Hazen: father of modern optics|pmid=11634474|volume=8|journal=Al-Arabi|pages=12–3}}</ref>]]
[[Файл:Ibn_Sahl_manuscript.jpg|справа|мини| Репродукция страницы [[Ибн Саль (математик)|рукописи Ибн Сала]], свидетельствующей о его знании [[Закон Снеллиуса|закона преломления]].]]
В [[Средние века]] греческие идеи об оптике были возрождены и распространены писателями [[Исламский мир|мусульманского мира]]. Одним из первых из них был [[Аль-Кинди]] (ок. 801—873), который писал о достоинствах аристотелевских и евклидовых идей оптики, отдавая предпочтение теории излучения, поскольку она позволяла лучше количественно определять оптические явления<ref>Adamson, Peter (2006). «Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy». In Adamson, Peter; Taylor, R.. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. {{ISBN|978-0-521-52069-0}}.</ref>. В 984 году [[Иран|персидский]] математик Ибн Саль написал трактат «О горящих зеркалах и линзах», правильно описав закон преломления, эквивалентный закону Снеллиуса<ref name="j1">{{Cite journal|doi=10.1086/355456|author=Rashed|first=Roshdi|title=A pioneer in anaclastics: Ibn Sahl on burning mirrors and lenses|journal=Isis|volume=81|issue=3|year=1990|pages=464–491}}</ref>. Он использовал этот закон для вычисления оптимальных форм линз и [[Сферическое зеркало|изогнутых зеркал]]. В начале XI века Альхазен (Ибн аль-Хайтам) написал ''[[Книга оптики|Книгу оптики]]'' (''Китаб ал-маназир''), в которой он исследовал отражение и преломление и предложил новую систему для объяснения зрения и света, основанную на наблюдении и эксперименте<ref>{{cite book |editor1-last=Hogendijk |editor1-first=Jan P. |editor2-last=Sabra |editor2-first=Abdelhamid I. |year=2003|title=The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives |url=https://archive.org/details/enterprisescienc00hoge |pages=[https://archive.org/details/enterprisescienc00hoge/page/n107 85]–118 |publisher=MIT Press |isbn=978-0-262-19482-2 |oclc=50252039}}</ref><ref>{{cite book |author=G. Hatfield |contribution=Was the Scientific Revolution Really a Revolution in Science? |url=https://books.google.com/books?id=Kl1COWj9ubAC&pg=PA489 |isbn=978-90-04-10119-7 |editor1=F.J. Ragep |editor2=P. Sally |editor3=S.J. Livesey |year=1996 |title=Tradition, Transmission, Transformation: Proceedings of Two Conferences on Pre-modern Science held at the University of Oklahoma |page=500 |publisher=Brill Publishers |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20160427045853/https://books.google.com/books?id=Kl1COWj9ubAC&pg=PA489 |archive-date=2016-04-27 }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=Kl1COWj9ubAC&pg=PA489 |date=20210709181322 }}</ref><ref>{{Cite journal|author=Nader El-Bizri|title=A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics|url=https://archive.org/details/sim_arabic-sciences-and-philosophy_2005-09_15_2/page/189|journal=Arabic Sciences and Philosophy|volume=15|issue=2|year=2005|pages=189–218|doi=10.1017/S0957423905000172}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Nader El-Bizri|title=In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place|url=https://archive.org/details/sim_arabic-sciences-and-philosophy_2007-03_17_1/page/57|doi=10.1017/S0957423907000367|journal=Arabic Sciences and Philosophy|volume=17|year=2007|pages=57–80}}</ref><ref>{{Cite journal|journal=The Medieval History Journal|volume=9|pages=89–98|year=2006|doi=10.1177/097194580500900105|title=The Gaze in Ibn al-Haytham|author=G. Simon}}</ref>. Он отверг «теорию излучения», используемой в оптике Птолемея, то есть, когда для зрения необходимые лучи испускаются глазом, и вместо этого выдвинул идею о том, что свет отражается во всех направлениях по прямым линиям от всех точек наблюдаемых объектов и затем попадает в глаз, хотя не смог правильно объяснить, как глаз улавливает лучи<ref>{{cite book |author1=Ian P. Howard |author2=Brian J. Rogers |title=Binocular Vision and Stereopsis |url=https://books.google.com/books?id=I8vqITdETe0C&pg=PA7 |year=1995 |publisher=Oxford University Press |isbn=978-0-19-508476-4 |page=7 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20160506053650/https://books.google.com/books?id=I8vqITdETe0C&pg=PA7 |archive-date=2016-05-06 }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=I8vqITdETe0C&pg=PA7 |date=20210709181740 }}</ref>. Работа Альхазена в основном игнорировалась в арабском мире, но она была анонимно переведена на латынь около 1200 года нашей эры, а затем резюмирована и расширена польским монахом [[Витело]]<ref>{{cite book |author1=Elena Agazzi |author2=Enrico Giannetto |author3=Franco Giudice |title=Representing Light Across Arts and Sciences: Theories and Practices |url=https://books.google.com/books?id=ipyT7askd8EC&pg=PA42 |year=2010 |publisher=V&R unipress GmbH |isbn=978-3-89971-735-8 |page=42 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20160510030553/https://books.google.com/books?id=ipyT7askd8EC&pg=PA42 |archive-date=2016-05-10 }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=ipyT7askd8EC&pg=PA42 |date=20210709181457 }}</ref>, что сделало её стандартным текстом по оптике в Европе на следующие 400 лет.

В 13 веке в средневековой Европе английский епископ [[Роберт Гроссетест]] писал по широкому кругу научных тем и обсуждал свет с четырёх различных точек зрения: [[Эпистемология|эпистемологии]] света, [[Метафизика|метафизики]] или [[Космогония|космогонии]] света, [[Этиология (философия)|этиологии]] или физики света и [[Богословие|богословии]] света<ref>D.C. Lindberg, ''Theories of Vision from al-Kindi to Kepler'', (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 94-99.</ref>, основанные на трудах Аристотеля и платонизме. Самый известный ученик Гроссетеста, [[Бэкон, Роджер|Роджер Бэкон]], написал работы, цитируя широкий спектр недавно переведённых работ по оптике и философии, включая работы Альхазена, Аристотеля, [[Ибн Сина|Авиценны]], [[Ибн Рушд|Аверроэса]], Евклида, аль-Кинди, Птолемея, Тидеуса и [[Константин Африканский|Константина Африканского]]. Бэкон смог использовать части стеклянных сфер в качестве [[Лупа|увеличительных стекол]], чтобы продемонстрировать, что свет отражается от объектов, а не исходит от них.

Первые носимые очки были изобретены в Италии около 1286 года<ref>{{Cite book|first=Ilardi|last=Vincent|year=2007|title=Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes|url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC|location=Philadelphia, PA|publisher=American Philosophical Society|isbn=978-0-87169-259-7|pages=[https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC/page/n87 4]–5}}</ref>. Это было началом оптической индустрии шлифовки и полировки линз для этих «очков», сначала в Венеции и Флоренции в тринадцатом веке, а затем в центрах изготовления очков в Нидерландах и Германии<ref>{{Cite book|last=Henry C. King|title=The History of the Telescope|year=2003|publisher=Courier Dover Publications|isbn=978-0-486-43265-6}}</ref>. Создатели очков делали улучшенные типы линз для коррекции зрения, основанные больше на эмпирических знаниях, полученных при наблюдении за эффектами линз, а не на элементарной оптической теории того времени (теории, которая по большей части не могла даже адекватно объяснить, как работают очки)<ref>{{Cite book|last=Paul S. Agutter|title=Thinking about Life: The History and Philosophy of Biology and Other Sciences|url=https://archive.org/details/thinkingaboutlif0000agut|year=2008|publisher=Springer|isbn=978-1-4020-8865-0}}</ref><ref>{{Cite book|first=Vincent|last=Ilardi|title=Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes|url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC|year=2007|publisher=American Philosophical Society|isbn=978-0-87169-259-7}}</ref>. Это практическое развитие, мастерство и эксперименты с линзами привели непосредственно к изобретению составного [[Оптический микроскоп|оптического микроскопа]] около 1595 года и [[Рефрактор|телескопа-рефрактора]] в 1608 году, оба из которых появились в центрах изготовления очков в Нидерландах<ref name="LZZginzib4C page 55">{{Cite book|first=Fred|last=Watson|title=Stargazer: The Life and Times of the Telescope|year=2007|publisher=Allen & Unwin|isbn=978-1-74175-383-7}}</ref>.
[[Файл:Kepler_-_Ad_Vitellionem_paralipomena_quibus_astronomiae_pars_optica_traditur,_1604_-_158093_F.jpg|слева|мини| Первый трактат об оптике [[Кеплер, Иоганн|Иоганна Кеплера]], ''Ad Vitellionem paralipomen quibus astronomiae pars optica traditur'' (1604 г.)]]
В начале XVII века Иоганн Кеплер дополнил геометрическую оптику в своих трудах, рассмотрев линзы, отражение плоскими и изогнутыми зеркалами, принципы [[Стеноп|камер-обскур]], закон обратных квадратов, регулирующий интенсивность света, и оптические объяснения астрономических явлений, таких как [[Лунное затмение|лунные]] и [[Солнечное затмение|солнечные затмения]] и астрономический [[параллакс]]. Он также смог правильно определить роль [[Сетчатка|сетчатки]] как фактического органа, записывающего изображения, и наконец получил возможность с научной точки зрения количественно оценить эффекты различных типов линз, которые создатели очков наблюдали за предыдущие 300 лет<ref>{{Cite book|first=Vincent|last=Ilardi|title=Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes|url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC|year=2007|publisher=American Philosophical Society|isbn=978-0-87169-259-7|page=[https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC/page/n255 244]}}</ref>. После изобретения телескопа Кеплер изложил теоретические основы того, как они работали, и описал улучшенную версию, известную как ''[[Рефрактор|телескоп Кеплера]]'', с использованием двух выпуклых линз для получения большего увеличения<ref>Caspar, ''Kepler'', [https://books.google.com/books?id=0r68pggBSbgC&pg=PA198 pp. 198—202] {{Архивировано|url=https://web.archive.org/web/20160507173748/https://books.google.com/books?id=0r68pggBSbgC&pg=PA198}}, Courier Dover Publications, 1993, {{ISBN|0-486-67605-6}}.</ref>.
[[Файл:Opticks.jpg|справа|мини| Обложка первого издания ''Оптики'' Ньютона (1704 г.)]]
Оптическая теория развивалась в середине XVII века с появлением [[Мир (Декарт)|трактатов]], написанных философом [[Декарт, Рене|Рене Декартом]], в котором объяснялось множество оптических явлений, включая отражение и преломление, предполагая, что свет излучается объектами, которые его создали<ref name="Sabra">{{Cite book|title=Theories of light, from Descartes to Newton|url=https://archive.org/details/theoriesoflightf0000sabr|author=A.I. Sabra|publisher=CUP Archive|year=1981|isbn=978-0-521-28436-3}}</ref>. Это существенно отличалось от древнегреческой ''теории излучения''. В конце 1660-х — начале 1670-х годов [[Ньютон, Исаак|Исаак Ньютон]] расширил идеи Декарта до [[баллистическая теория|корпускулярной теории света]], определив, что белый свет представляет собой смесь цветов, которые можно разделить на составные части с помощью [[Призма (оптика)|призмы]]. В 1690 году [[Гюйгенс, Христиан|Христиан Гюйгенс]] предложил [[Волновая теория|волновую теорию]] света, основанную на предположениях [[Гук, Роберт|Роберта Гука]] в 1664 году. Сам Гук публично критиковал теории света Ньютона, и вражда между ними длилась до самой смерти Гука. В 1704 году Ньютон опубликовал «''[[Оптика (Ньютон)|Оптику»]],'' и в то время, отчасти из-за его успехов в других областях физики, он, как правило, считался победителем в дебатах о природе света.

Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда [[Юнг, Томас|Томас Янг]] и [[Френель, Огюстен Жан|Огюстен-Жан Френель]] провели эксперименты по [[Интерференция волн|интерференции]] света, которые твёрдо установили волновую природу света. Знаменитый эксперимент Юнга с [[Опыт Юнга|двойной щелью]] показал, что свет следует [[Принцип суперпозиции|принципу суперпозиции]], который является волнообразным свойством, не предсказываемым теорией корпускул Ньютона. Эта работа привела к возникновению теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике<ref>{{Cite book|author=W.F. Magie|title=A Source Book in Physics|url=https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.449479|publisher=Harvard University Press|year=1935}}</ref>. Волновая оптика была успешно объединена с [[Электромагнетизм|теорией электромагнетизма]] [[Максвелл, Джеймс Клерк|Джеймсом Клерком Максвеллом]] в 1860-х годах<ref>{{Cite journal|author=J.C. Maxwell|title=A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field|journal=Philosophical Transactions of the Royal Society of London|volume=155|pages=459–512|year=1865|bibcode=1865RSPT..155..459C|doi=10.1098/rstl.1865.0008}}</ref>.

Дальнейшее развитие оптической теории произошло в 1899 году, когда [[Планк, Макс|Макс Планк]] правильно смоделировал [[излучение абсолютно чёрного тела|излучение чёрного тела]], предположив, что обмен энергией между светом и веществом происходит только малыми порциями, которые он назвал ''квантами''<ref>For a solid approach to the complexity of Planck’s intellectual motivations for the quantum, for his reluctant acceptance of its implications, see H. Kragh, [http://physicsworld.com/cws/article/print/373 Max Planck: the reluctant revolutionary] {{Wayback|url=http://physicsworld.com/cws/article/print/373 |date=20120401221617 }}, ''Physics World''. December 2000.</ref>. В 1905 году [[Эйнштейн, Альберт|Альберт Эйнштейн]] опубликовал теорию [[Фотоэффект|фотоэлектрического эффекта,]] которая твёрдо установила квантование самого света<ref>{{Cite book|last1=Einstein|first1=A.|author-link1=Albert Einstein|title=The Old Quantum Theory|url=https://archive.org/details/oldquantumtheory0000haar|year=1967|publisher=Pergamon|pages=[https://archive.org/details/oldquantumtheory0000haar/page/91 91–107]|chapter=On a heuristic viewpoint concerning the production and transformation of light}} The chapter is an English translation of Einstein’s 1905 paper on the photoelectric effect.</ref><ref name="AnnPhysik322132">{{Cite journal|first=A.|author=Einstein|year=1905|title=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt|language=de|journal=Annalen der Physik|volume=322|issue=6|pages=132–148|doi=10.1002/andp.19053220607|bibcode=1905AnP...322..132E}}</ref>. В 1913 году [[Бор, Нильс|Нильс Бор]] показал, что атомы могут излучать энергию только частями, объясняя тем самым дискретные линии, наблюдаемые в [[Абсорбционная спектроскопия|спектрах]] [[Эмиссионный спектр|излучения]] и поглощения<ref>{{Cite journal|url=http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html|year=1913|title=On the Constitution of Atoms and Molecules|journal=Philosophical Magazine|volume=26, Series 6|pages=1–25|access-date=2021-06-30|archive-date=2007-07-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20070704225134/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html|url-status=dead}}. The landmark paper laying the [[Боровская модель атома|Bohr model of the atom]] and [[Ковалентная связь|molecular bonding]].</ref>. Понимание взаимодействия между светом и материей, которое последовало за этими достижениями, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для [[История возникновения квантовой физики|развития]] квантовой механики в целом. Конечная кульминация, теория [[Квантовая электродинамика|квантовой электродинамики]], объясняет всю оптику и электромагнитные процессы в целом как результат обмена реальными и [[Виртуальная частица|виртуальными]] фотонами<ref>{{Cite book|last1=R. Feynman|year=1985|title=QED: The Strange Theory of Light and Matter|chapter=Chapter 1|publisher=Princeton University Press|isbn=978-0-691-08388-9}}</ref>. Квантовая оптика приобрела практическое значение с изобретением [[мазер]]а в 1953 г. и лазера в 1960 г.<ref>{{Cite book|last1=N. Taylor|title=LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war|url=https://archive.org/details/laser00nick|year=2000|publisher=Simon & Schuster|isbn=978-0-684-83515-0}}</ref>.

Следуя работе [[Дирак, Поль Адриен Морис|Поля Дирака]] в [[Квантовая теория поля|квантовой теории поля]], [[Сударшан, Джордж|Джордж Сударшан]], [[Глаубер, Рой|Рой Дж. Глаубер]] и [[Леонард Мандель]] применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более подробное понимание фотодетектирования и [[Статистическая механика|статистических свойств]] света.

== Характеристики света ==
Длина световой волны <math>\lambda</math> зависит от скорости распространения волны в среде <math>v</math> и связана с нею и частотой <math>\nu</math> соотношением:
: <math>\lambda  = \frac{v}{\nu}=\frac {c}{n\nu},</math>
где <math>n</math> — [[показатель преломления]] среды.

В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: <math> n=n(\lambda)</math>. Зависимость показателя преломления от длины волны проявляется в виде явления [[дисперсия света|дисперсии]] света.

Характеристиками света являются:
* [[спектр]]альный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
* обширный класс [[Фотометрическая величина|фотометрических величин]], среди которых по широте использования выделяются [[Энергетическая фотометрическая величина|энергетические]] и [[световая величина|световые]] фотометрические величины.
* [[Поляризация электромагнитных волн|поляризация]], определяемая изменением пространственной ориентации электрического [[вектор]]а по мере распространения волны в пространстве.
* направление распространения [[луч света|луча света]], совпадающее с направлением нормали к [[волновой фронт|волновому фронту]] (при отсутствии явления [[двойное лучепреломление|двойного лучепреломления]])<ref>Используется в приближении [[Геометрическая оптика|геометрической оптики]]</ref>.

=== Скорость света ===
Универсальным понятием в физике является [[скорость света]] <math>c</math>. Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения информации или любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах [[фазовая скорость]] света <math>v</math> обычно уменьшается: <math>v = c/n</math>, где <math>n</math> есть [[показатель преломления]] среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: <math>n = n(\nu)</math>. В области [[Аномальная дисперсия света|аномальной дисперсии света]] показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше <math>c</math>. Последнее утверждение не входит в противоречие с [[Теория относительности|теорией относительности]], поскольку передача информации с помощью света происходит не с фазовой, а, как правило, с [[Групповая скорость|групповой скоростью]].

== Классическая оптика ==
В классической оптике выделяют два основных раздела: геометрическую (или лучевую) оптику и физическую (или волновую) оптику. В геометрической оптике предполагается, что свет распространяется по прямым путям, а в волновой оптике свет рассматривается как электромагнитная волна.

Геометрическую оптику можно рассматривать как первое приближение к волновой оптике, которое применяется, когда длина волны используемого света намного меньше, чем размер оптических элементов в моделируемой системе.

=== Геометрическая оптика ===
[[Файл:Reflection_and_refraction.svg|справа|мини| Геометрия отражения и преломления световых лучей]]
''Геометрическая оптика'', или ''лучевая оптика'', описывает [[Распространение волн|распространение]] света в виде «лучей», которые показывают траекторию света, движущегося по прямым линиям и чьи пути регулируются законами отражения и преломления на границах раздела между различными средами<ref>{{cite book|author1=Ariel Lipson|author2=Stephen G. Lipson|author3=Henry Lipson|title=Optical Physics|url=https://books.google.com/books?id=aow3o0dhyjYC&pg=PA48|access-date=12 July 2012|date=28 October 2010|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0-521-49345-1|page=48|url-status=live|archive-url=https://web.archive.org/web/20130528233136/http://books.google.com/books?id=aow3o0dhyjYC&pg=PA48|archive-date=28 May 2013}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=aow3o0dhyjYC&pg=PA48 |date=20210709182039 }}</ref>. Эти законы были установлены эмпирически ещё в 984 году нашей эры<ref name="j1" /> и используются при разработке оптических компонентов и инструментов с тех пор и до наших дней. Их можно обобщить следующим образом:

Когда луч света попадает на границу между двумя прозрачными материалами, он разделяется на отражённый и преломлённый лучи.

: Закон отражения гласит, что отражённый луч лежит в плоскости падения, а угол отражения равен углу падения.

: Закон преломления гласит, что преломлённый луч лежит в плоскости падения, а синус угла падения, делённый на синус угла преломления, является постоянной величиной:

:: <math>\frac {\sin {\theta_1}}{\sin {\theta_2}} = n</math> ,

где {{Math|''n''}} — константа для любых двух материалов и заданного цвета (длины волны) света. Если первым материалом является воздух или вакуум, {{Math|''n''}} — [[показатель преломления]] второго материала.

Законы отражения и преломления можно вывести из [[Принцип Ферма|принципа Ферма,]] который гласит, что ''путь, пройденный лучом света между двумя точками, — это путь, который можно пройти за наименьшее время''<ref>{{Cite book|author=Arthur Schuster|title=An Introduction to the Theory of Optics|url=https://archive.org/details/anintroductiont02schugoog|year=1904|publisher=E. Arnold|page=[https://archive.org/details/anintroductiont02schugoog/page/n62 41]}}</ref>.

==== Приближения ====
Геометрическую оптику часто упрощают, используя [[параксиальное приближение]] или «приближение малых углов». Тогда математическое поведение интересующих нас величин становится линейным, что позволяет описывать оптические компоненты и системы с помощью простых матриц. Это приводит к методам [[Гауссовская оптика|гауссовой оптики]] и ''параксиальной [[Трассировка лучей (физика)|трассировки лучей]]'', которые используются для определения основных свойств оптических систем, таких как приблизительное положение и [[увеличение]] [[Оптическое изображение|изображения]] и объекта<ref>{{cite book|author=J.E. Greivenkamp|year=2004|title=Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Field Guides vol. '''FG01'''|url=https://archive.org/details/fieldguidetogeom0000grei/page/19|publisher=SPIE|isbn=978-0-8194-5294-8|pages=19–20}}</ref>.

==== Отражения ====
[[Файл:Reflection_angles.svg|обрамить|Схема зеркального отражения]]
Отражения можно разделить на два типа: [[Закон отражения света|зеркальное отражение]] и [[диффузное отражение]]. Зеркальное отражение описывает блеск поверхностей, таких как зеркала, которые отражают свет простым и предсказуемым образом. Это позволяет создавать отражённые изображения, которые связаны с фактическим ([[Реальное изображение|реальным]]) или экстраполированным ([[Оптическое изображение|виртуальным]]) местоположением в пространстве. Диффузное отражение описывает не глянцевые материалы, такие как бумага или камень. Отражения от этих поверхностей можно описать только статистически, с точным распределением отражённого света в зависимости от микроскопической структуры материала. Многие диффузные отражатели описываются или могут быть аппроксимированы законом [[Закон Ламберта|косинуса Ламберта]], который используется для поверхностей с одинаковой [[яркость]]ю при наблюдении под любым углом. Глянцевые поверхности могут давать как зеркальное, так и диффузное отражение.

При зеркальном отражении направление отражённого луча определяется углом, под которым падающий луч образует [[нормаль]] к поверхности — линию, перпендикулярную поверхности в точке, где луч падает. Падающий и отражённый лучи и нормаль лежат в одной плоскости, а угол между отражённым лучом и нормалью к поверхности совпадает с углом между падающим лучом и нормалью<ref name="Geoptics">{{Cite book|title=University Physics: Extended Version With Modern Physics|url=https://archive.org/details/universityphysic8edyoun|author=Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=978-0-201-52981-4}}</ref>. Это наблюдение известно как [[Закон отражения света|закон отражения]].

Для [[Плоское зеркало|плоских зеркал]] закон отражения подразумевает, что изображения объектов находятся в вертикальном положении и на том же расстоянии за зеркалом, что и объекты перед зеркалом. Размер изображения такой же, как и размер объекта. Закон также подразумевает, что [[отражение|зеркальные изображения]] инвертируются по чётности, что воспринимается глазом как [[Инверсия (геометрия)|инверсия]] влево-вправо. Изображения, сформированные в результате отражения в двух (или любом чётном количестве) зеркал, не инвертируются по чётности. [[Уголковый отражатель|Угловые отражатели]] создают отражённые лучи, которые возвращаются в том направлении, откуда пришли падающие лучи<ref name="Geoptics" />. Это устройство называется [[катафот]]ом.

Зеркала с изогнутыми поверхностями можно моделировать с помощью трассировки лучей и использования закона отражения в каждой точке поверхности. Для [[параболический отражатель|зеркал с параболическими поверхностями]] параллельные лучи, падающие на зеркало, создают отражённые лучи, которые сходятся в общем [[Фокус (физика)|фокусе]]. Другие изогнутые поверхности также могут фокусировать свет, но с [[Аберрация света|аберрациями]] из-за расходящейся формы, из-за которых фокус размывается в пространстве. В частности, сферические зеркала демонстрируют [[Сферическая аберрация|сферическую аберрацию]]. Изогнутые зеркала могут формировать изображения с увеличением больше или меньше единицы, а увеличение может быть отрицательным, указывая на то, что изображение инвертировано. Вертикальное изображение, образованное отражением в зеркале, всегда виртуально, в то время как перевернутое изображение реально и может проецироваться на экран<ref name="Geoptics" />.

==== Преломление ====
[[Файл:Snells_law.svg|мини|Иллюстрация закона Снеллиуса для случая n<sub>1</sub> < n<sub>2</sub>, например для границы раздела воздух/вода]]
Преломление возникает, когда свет проходит через область пространства с изменённым показателем преломления; этот принцип позволяет использовать линзы для фокусировки света. Простейший случай преломления возникает, когда существует [[граница раздела]] между однородной средой с показателем преломления <math>n_1</math> и другой средой с показателем преломления <math>n_2</math>. В таких ситуациях [[закон Снеллиуса]] описывает результирующее отклонение светового луча:

: <math>n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\ </math>

где <math>\theta_1</math> и <math>\theta_2</math> — углы между нормалью (к границе раздела) и падающим и преломленным лучами соответственно<ref name="Geoptics" />.

Показатель преломления среды связан с фазовой скоростью {{Math|''v''}} света в этой среде соотношением

: <math>n=c/v</math> ,

где {{Math|''c''}} — [[Скорость света|скорость света в вакууме]].

Закон Снеллиуса можно использовать для предсказания отклонения световых лучей при их прохождении через линейную среду, если известны её показатели преломления и геометрия. Например, распространение света через призму приводит к тому, что световой луч отклоняется в зависимости от формы и ориентации призмы. В большинстве материалов показатель преломления также зависит от частоты света. Принимая это во внимание, закон Снеллиуса можно использовать для предсказания того, как призма будет разлагать свет в спектр. Открытие явления прохождении света через призму приписывают Исааку Ньютону<ref name="Geoptics" />.

Некоторые среды имеют показатель преломления, который постепенно меняется в зависимости от координат, и поэтому траектории световых лучей в среде искривлены. Этот эффект отвечает, в частности, за [[Мираж|миражи,]] наблюдаемые в жаркие дни: изменение показателя преломления воздуха с высотой заставляет световые лучи изгибаться, создавая видимость зеркальных отражений на расстоянии (как при отражении от поверхности водоёма). Оптические материалы с переменными показателями преломления называются материалами с градиентным показателем преломления (GRIN). Такие материалы используются для изготовления оптических элементов с [[Градиентная оптика|градиентным показателем преломления]]<ref>{{Cite book|first=E.W.|last=Marchand|title=Gradient Index Optics|url=https://archive.org/details/gradientindexopt0000marc|location=New York|publisher=Academic Press|year=1978}}</ref>.

Для световых лучей, идущих от материала с высоким показателем преломления к материалу с низким показателем преломления, [[закон Снеллиуса]] предсказывает, что отсутствует угол <math>\theta_2</math>, при некоторых больших значениях <math>\theta_1</math>. В этом случае не происходит прохождения луча света во вторую среду, а весь свет отражается. Это явление называется [[Внутреннее отражение|полным внутренним отражением]] и позволяет использовать оптоволоконную технологию. Когда свет проходит по оптическому волокну, он подвергается полному внутреннему отражению, что позволяет практически не терять свет по длине кабеля<ref name="Geoptics" />.

===== Линзы =====
[[Файл:Lens3b.svg|мини|Схема трассировки лучей собирающей линзы.]]
Устройство, создающее сходящиеся или расходящиеся световые лучи из-за преломления, известно как ''линза''. Линзы характеризуются своим [[Фокусное расстояние|фокусным расстоянием]]: собирающая линза имеет положительное фокусное расстояние, а рассеивающая линза имеет отрицательное фокусное расстояние. Меньшее фокусное расстояние означает, что объектив имеет более сильный эффект схождения или расхождения. Фокусное расстояние простой линзы в воздухе определяется [[Линза|уравнением линзы]]<ref name="hecht">{{Cite book|author=E. Hecht|year=1987|title=Optics|url=https://archive.org/details/optics0000hech|edition=2nd|publisher=Addison Wesley|isbn=978-0-201-11609-0}} Chapters 5 & 6.</ref>.

Трассировку лучей можно использовать, объяснения формирования линзой изображения. Для [[Тонкая линза|тонкой линзы]] в воздухе положение изображения определяется простым уравнением

: <math>\frac{1}{S_1} + \frac{1}{S_2} = \frac{1}{f} </math> ,

где <math>S_1</math> — расстояние от объекта до линзы, <math>S_2</math> — расстояние от линзы до изображения, а <math>f</math> — фокусное расстояние объектива. В [[Правила знаков (в оптике)|используемом здесь соглашении]] о знаках расстояния между объектом и изображением положительны, если объект и изображение находятся на противоположных сторонах линзы<ref name="hecht" />.
[[Файл:Lens1.svg|мини|Параллельный пучок света]]
Входящие параллельные лучи фокусируются собирающей линзой в точку на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы, на дальней стороне линзы. Это называется задней фокусной точкой линзы. Лучи от объекта на конечном расстоянии фокусируются дальше от линзы, чем фокусное расстояние; чем ближе объект к линзе, тем дальше изображение от неё.

В случае рассеивающих линз приходящие параллельные лучи расходятся после прохождения через линзу таким образом, что кажется, что они исходят из точки на расстоянии одного фокусного расстояния перед линзой. Это передняя фокусная точка линзы. Лучи от объекта, расположенного на конечном расстоянии, связаны с виртуальным изображением, которое находится ближе к линзе, чем точка фокусировки, и на той же стороне линзы, что и объект. Чем ближе объект к линзе, тем ближе виртуальное изображение к ней. Как и в случае с зеркалами, вертикальные изображения, создаваемые одной линзой, являются виртуальными, а перевёрнутые изображения — реальными<ref name="Geoptics" />.

Линзы страдают от [[Аберрация оптической системы|аберраций]], искажающих изображение. ''Монохроматические аберрации'' возникают из-за того, что геометрия линзы не позволяет идеально направлять лучи от точки объекта в одну точку изображения, в то время как [[хроматическая аберрация]] возникает из-за того, что показатель преломления линзы изменяется в зависимости от длины волны света<ref name="Geoptics" />.
[[Файл:Thin_lens_images.svg|без|мини| Изображения чёрных букв в тонкой выпуклой линзе с фокусным расстоянием ''f'' показаны красным. Выбранные лучи показаны буквами '''E''', '''I''' и '''K''' синим, зелёным и оранжевым цветом соответственно. Обратите внимание, что '''E''' (в 2''f'') имеет реальное и перевёрнутое изображение равного размера; '''I''' (в точке ''f'') имеет изображение на бесконечности; а '''K''' (при ''f''/2) — виртуальное вертикальное изображение в два раза большего размера.]]

=== Волновая оптика ===
В волновой оптике считается, что свет распространяется как волна. Эта модель предсказывает такие явления, как интерференция и дифракция, которые не объясняются в рамках геометрической оптикой. [[Скорость света|Скорость световых]] волн в [[Атмосфера Земли|воздухе]] составляет примерно 3,0 × 10 <sup>8</sup> м/с (ровно 299 792 458 м/с в [[вакуум]]е). Длина [[Длина волны|волны]] видимого света лежит в диапазоне от 400 до 700 нм, но термин «свет» также часто применяется к излучению в инфракрасной (0,7-300 мкм) и ультрафиолетовой (10-400 нм) областях спектра.

Волновую модель можно использовать для предсказания поведения оптической системы, не требуя объяснения того, что «колеблется» в какой среде. До середины XIX века большинство физиков верило в «эфирную» среду, в которой распространяется световое возмущение<ref>MV Klein & TE Furtak, 1986, Optics, John Wiley & Sons, New York {{ISBN|0-471-87297-0}}.</ref>. Существование электромагнитных волн было предсказано в 1865 году [[Электромагнитное излучение|уравнениями Максвелла]]. Эти волны распространяются со скоростью света и имеют различные электрические и магнитные поля, ортогональные друг другу, а также направлению распространения. Световые волны в настоящее время обычно рассматриваются как электромагнитные волны, за исключением случаев, когда необходимо учитывать квантово-механические эффекты.

==== Моделирование и проектирование оптических систем с использованием волновой оптики ====
Для анализа и проектирования оптических систем доступно множество упрощённых приближений. В большинстве из них для представления электрического поля световой волны [[Скалярная величина|используется одна скалярная]] [[Вектор (геометрия)|величина, а не векторная]] модель с ортогональными электрическими и магнитными полями<ref name="Born and Wolf">M. Born and E. Wolf (1999). ''Principle of Optics''. Cambridge: Cambridge University Press. {{ISBN|0-521-64222-1}}.</ref>. Уравнение [[Принцип Гюйгенса — Френеля|Гюйгенса — Френеля]] — одна из таких моделей. Оно было получено эмпирическим путём Френелем в 1815 году на основе гипотезы Гюйгенса о том, что каждая точка волнового фронта генерирует вторичный сферический волновой фронт, который Френель объединил с принципом [[Принцип суперпозиции|суперпозиции]] волн. Уравнение [[Формула дифракции Кирхгофа|дифракции Кирхгофа]], которое выводится с использованием уравнений Максвелла, ставит уравнение Гюйгенса — Френеля на более прочную физическую основу. Примеры применения принципа Гюйгенса — Френеля можно найти в статьях по дифракции и [[Дифракция Фраунгофера|дифракции Фраунгофера]].

Более строгие модели, включающие моделирование световой волны с использованием как электрического, так и магнитного полей требуются при работе с материалами, электрические и магнитные свойства которых влияют на взаимодействие света с материалом. Например, поведение световой волны, взаимодействующей с металлической поверхностью, сильно отличается от того, что происходит при взаимодействии света с диэлектрическим материалом. Векторная модель также должна использоваться для моделирования поляризованного света.

[[Компьютерное моделирование|Методы численного моделирования]], такие как метод [[Метод конечных элементов|конечных элементов]], [[Метод граничного элемента|метод граничных элементов]] и [[матричный метод описания линий передачи]] могут использоваться для моделирования распространения света в системах, которые не могут быть решены аналитически. Такие модели требуют вычислений и обычно используются только для решения мелкомасштабных задач, требующих точности, превышающей ту, которая может быть достигнута с помощью аналитических решений<ref>{{Cite book|author=J. Goodman|year=2005|title=Introduction to Fourier Optics|edition=3rd|publisher=Roberts & Co Publishers|isbn=978-0-9747077-2-3|url=https://books.google.com/books?id=ow5xs_Rtt9AC}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=ow5xs_Rtt9AC |date=20210709181521 }}</ref>.

Все результаты геометрической оптики можно восстановить с помощью методов [[Фурье-оптика|Фурье-оптики]], которые имеют отношение к многим из тех же математических и аналитических методов, используемых в [[Инженерная акустика|инженерной акустике]] и при [[Обработка сигналов|обработке сигналов]].

[[Гауссов пучок|Распространение гауссовых пучков]] — это простая параксиальная модель волновой оптики для распространения когерентного излучения, применяемого для лазерных лучей. Этот метод частично учитывает дифракцию, позволяя точно рассчитать скорость, с которой лазерный луч расширяется с пройденным расстоянием, и минимальный размер, до которого луч может быть сфокусирован. Таким образом, метод распространения гауссова пучка устраняет разрыв между геометрической и волновой оптикой<ref>{{Cite book|author=A.E. Siegman|year=1986|title=Lasers|url=https://archive.org/details/lasers0000sieg|publisher=University Science Books|isbn=978-0-935702-11-8}} Chapter 16.</ref>.

==== Суперпозиция и интерференция ====
В отсутствие [[Нелинейная оптика|нелинейных]] эффектов принцип суперпозиции можно использовать для предсказания формы взаимодействующих сигналов путём простого добавления возмущений. Это взаимодействие волн для создания результирующей картины обычно называется «интерференцией» и может привести к множеству эффектов. Если две волны с одинаковой длиной волны и частоты находятся ''в [[Фаза колебаний|фазе]]'', то гребни и впадины волн совпадают. Это приводит к [[Интерференция волн|конструктивной интерференции]] и увеличению амплитуды волны, что для света связано с осветлением в этой точки максимума. В другом случае, если две волны с одинаковой длиной волны и частоты не совпадают по фазе, то гребни волн будут совпадать с впадинами волн и наоборот. Это приводит к [[Интерференция волн|деструктивной интерференции]] и уменьшению амплитуды волны, что для света связано с затемнением в этой точке минимума. См. Иллюстрацию этого эффекта ниже<ref name="interference">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H.D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=978-0-201-52981-4|url=https://archive.org/details/universityphysic8edyoun}}Chapter 37</ref>.
{|
|-
|'''комбинированная<br> форма волны'''
|colspan="2" rowspan="3"|[[Файл:Interference of two waves.svg]]
|-
|'''волна 1'''
|-
|'''волна 2'''
|-
|
|'''Две волны в фазе'''
|'''Две волны <br>в противофазе (180°)'''
|}

[[Файл:Dieselrainbow.jpg|справа|мини| При разливе масла или топлива из-за интерференции света в тонких плёнках образуются красочные узоры.]]
Поскольку принцип Гюйгенса — Френеля гласит, что каждая точка волнового фронта связана с созданием нового возмущения, то волновой фронт может конструктивно или деструктивно интерферировать с самим собой в разных точках пространства, создавая яркие и тёмные полосы с регулярными и предсказуемыми картинами<ref name="interference" />. [[Интерферометрия]] — это наука об измерении этих структур обычно используется как средство точного определения расстояний или [[Разрешение (оптика)|углового разрешения]]<ref name="interferometry">{{Cite book|author=P. Hariharan|title=Optical Interferometry|publisher=Academic Press|year=2003|url=http://www.astro.lsa.umich.edu/~monnier/Publications/ROP2003_final.pdf|isbn=978-0-12-325220-3}} {{Wayback|url=http://www.astro.lsa.umich.edu/~monnier/Publications/ROP2003_final.pdf |date=20080406215913 }}</ref>. [[Интерферометр Майкельсона]] использовал интерференционные эффекты для точного измерения скорости света<ref>{{Cite book|author=E.R. Hoover|title=Cradle of Greatness: National and World Achievements of Ohio's Western Reserve|publisher=Shaker Savings Association|year=1977}}</ref>.

Внешний вид [[Оптика тонких плёнок|тонких плёнок и покрытий]] напрямую зависит от интерференционных эффектов. [[Просветление оптики|В антиотражающих покрытиях]] используется деструктивная интерференция для уменьшения отражательной способности покрываемых поверхностей, и их можно использовать для минимизации бликов и нежелательных отражений. Самый простой случай — это однослойное покрытие толщиной в четверть длины волны падающего света. Тогда отражённая волна от верхней части плёнки и отражённая волна от границы раздела плёнка/материал сдвинуты по фазе ровно на 180 °, вызывая деструктивную интерференцию. Волны не совпадают по фазе только для одной длины волны, которая обычно выбирается так, чтобы она находилась около центра видимого спектра, около 550 нм. Более сложные конструкции, использующие несколько слоёв, могут обеспечить низкий коэффициент отражения в широком диапазоне или чрезвычайно низкий коэффициент отражения на одной длине волны.

Конструктивная интерференция в тонких плёнках может создавать сильное отражение света в диапазоне длин волн, который может быть узким или широким в зависимости от конструкции покрытия. Эти плёнки используются для изготовления [[Диэлектрическое зеркало|диэлектрических зеркал]], [[Фильтр помех|интерференционных фильтров]], [[Отражатель тепла|теплоотражателей]] и фильтров для цветоделения в [[Цветное телевидение|цветных телевизионных]] камерах. Этот эффект интерференции также является причиной появления красочных радужных узоров на нефтяных пятнах<ref name="interference" />.

==== Дифракция и оптическое разрешение ====
[[Файл:Double_slit_diffraction.svg|справа|мини| Дифракция на двух щелях, разделённых расстоянием <math>d</math>. Яркие полосы появляются вдоль линий, где чёрные линии пересекаются с чёрными линиями, а белые линии пересекаются с белыми линиями.]]
Дифракция — это процесс, при котором чаще всего наблюдается интерференция света. Эффект был впервые описан в 1665 году [[Гримальди, Франческо Мария|Франческо Мария Гримальди]], который также ввёл термин от латинского ''diffringere'', «разбивать на части». Позже в том же столетии Роберт Гук и Исаак Ньютон также описали это явление, которое теперь известно как дифракция в [[Кольца Ньютона|кольцах Ньютона]]<ref>{{cite book|author=R. Hooke|title=Micrographia: or, Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses|url=https://archive.org/details/micrographiaorso00hook|place=London|publisher=J. Martyn and J. Allestry|year=1665|isbn=978-0-486-49564-4}}</ref> в то время как [[Грегори, Джеймс|Джеймс Грегори]] записал свои наблюдения дифракционных картин от птичьих перьев<ref>{{Cite journal|author=H.W. Turnbull|title=Early Scottish Relations with the Royal Society: I. James Gregory, F.R.S. (1638–1675)|journal=Notes and Records of the Royal Society of London|year=1940–1941|volume=3|pages=22–38|doi=10.1098/rsnr.1940.0003}}</ref>.

Первая модель дифракции, основанная на принципе Гюйгенса — Френеля, была разработана в 1803 году Томасом Янгом в его экспериментах по интерференции с интерференционными картинами двух близко расположенных щелей. Янг показал, что его результаты можно объяснить только в том случае, если две щели действовали как два уникальных источника световых волн, а не корпускул<ref>{{Cite book|author=T. Rothman|author-link=Tony Rothman|title=Everything's Relative and Other Fables in Science and Technology|publisher=Wiley|year=2003|isbn=978-0-471-20257-8|url=https://archive.org/details/everythingsrelat0000roth}}</ref>. В 1815 и 1818 годах Огюстен-Жан Френель дал математическое описание того, как интерференция волн может объяснить дифракцию<ref name="hecht" />.

В простейших физических моделях дифракции используются уравнения, которые описывают угловое разделение светлых и тёмных полос из-за света определённой длины волны (λ). В общем случае уравнение принимает вид

: <math>m \lambda = d \sin \theta</math>

где <math>d</math> — расстояние между двумя источниками волнового фронта (в случае экспериментов Юнга это были [[Двухщелевой опыт|две щели]]), <math>\theta</math> — угловое расстояние между центральной полосой и полосой <math>m</math>-того порядка, где центральный максимум наблюдается при <math>m = 0</math><ref name="diffraction">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H.D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=978-0-201-52981-4|url=https://archive.org/details/universityphysic8edyoun}}Chapter 38</ref>.

Это уравнение немного изменено, чтобы учесть различные ситуации, такие как дифракция через одну щель, дифракция через несколько щелей или дифракция через [[Дифракционная решётка|дифракционную решетку]], которая содержит большое количество щелей с одинаковым расстоянием между атомами<ref name="diffraction" />. Более сложные модели дифракции требуют работы теорией [[Дифракция Френеля|дифракции Френеля]] или Фраунгофера<ref name="phyoptics">{{Cite book|author=R.S. Longhurst|title=Geometrical and Physical Optics, 2nd Edition|year=1968|publisher=Longmans}}</ref>.

[[Рентгеноструктурный анализ|Дифракция рентгеновских лучей]] использует тот факт, что атомы в [[Кристаллы|кристалле]] расположены на одинаковых расстояниях друг от друга порядка одного [[ангстрем]]а. Чтобы увидеть дифракционные картины, через кристалл пропускают рентгеновские лучи с длинами волн, близкими к этому расстоянию. Поскольку кристаллы представляют собой трёхмерные объекты, а не двумерные решётки, соответствующая дифракционная картина изменяется в двух направлениях в соответствии с [[Условие Брэгга — Вульфа|брэгговским отражением]], при этом соответствующие яркие пятна появляются в виде [[Дифракционная топография|уникальных узоров]] (для каждого кристалла) и <math>d</math> вдвое больше расстояния между атомами<ref name="diffraction" />.

Эффекты дифракции ограничивают способность оптического детектора [[Разрешающая сила объектива|разрешать]] отдельные источники света. В общем, свет, проходящий через [[Диафрагма объектива|апертуру]], будет испытывать дифракцию, и лучшие изображения, которые могут быть созданы (как описывается [[Дифракционный предел|оптикой при приближении к дифракционному пределу]]), выглядят как центральное пятно с окружающими яркими кольцами, разделёнными тёмными областями; этот узор известен как [[Диск Эйри|узор Эйри]], а центральная яркая область — как [[диск Эйри]]<ref name="hecht" />. Размер такого диска определяется выражением

: <math> \sin \theta = 1.22 \frac{\lambda}{D}</math>

где ''θ'' — угловое разрешение, ''λ'' — длина волны света, а ''D'' — [[диаметр]] апертуры линзы. Если угловое расстояние между двух точек значительно меньше углового радиуса диска Эйри, то две точки не могут быть разрешены на изображении, но если их угловое расстояние намного больше, то формируются отдельные изображения двух точек, и их можно разрешить. [[Стретт, Джон Уильям (лорд Рэлей)|Рэлей]] определил экспериментальный «[[Разрешение (оптика)|критерий Рэлея]]», согласно которому две точки, угловое разделение которых равно радиусу диска Эйри (измеренному до первого нуля, то есть до первого места, где наблюдается затемнение), могут считаться разрешёнными. Видно, что чем больше диаметр объектива или его чистовая апертура, тем чётче разрешение<ref name="diffraction" />. [[астрономический интерферометр|Астрономическая интерферометрия]], с её способностью имитировать чрезвычайно большие базовые апертуры обеспечивает максимально возможное угловое разрешение<ref name="interferometry" />.

При построении астрономических изображений атмосфера не позволяет достичь оптимального разрешения в видимом спектре из-за атмосферного [[Рассеяние частиц|рассеяния]] и дисперсии, которые вызывают [[Мерцание звёзд|мерцание]] звезд. Астрономы называют этот эффект качеством [[Астрономическая видимость|астрономической видимости]]. Такие методы, известные как [[Адаптивная оптика|методы адаптивной оптики]], использовались для устранения атмосферных искажений изображений и достижения результатов, приближающихся к дифракционному пределу.

==== Дисперсия и рассеяние ====
[[Файл:Light_dispersion_conceptual_waves.gif|справа|мини| Концептуальная анимация рассеивания света через призму. Высокочастотный (синий) свет отклоняется больше всего, а низкочастотный (красный) — меньше всего.]]
Процессы преломления происходят в области применения волновой оптики, где длина волны света аналогична другим расстояниям, как своего рода рассеяние. Простейшим типом рассеяния является [[томсоновское рассеяние]], которое возникает, когда электромагнитные волны отклоняются отдельными частицами. В пределе томсоновского рассеяния, в котором очевидна волнообразная природа света, свет рассеивается независимо от частоты, в отличие от [[Эффект Комптона|комптоновского рассеяния]], которое зависит от частоты и является строго [[Квантовая механика|квантово-механическим]] процессом, включающим корпускулярную природу света. В статистическом смысле упругое рассеяние света многочисленными частицами, размер которых намного меньше длины волны света, представляет собой процесс, известный как [[Рэлеевское рассеяние|рассеяние Рэлея]], в то время как аналогичный процесс рассеяния на частицах с одинаковой или большей длиной волны известен как [[рассеяние Ми]], которое приводит к [[Эффект Тиндаля|эффекту Тиндаля]]. Небольшая часть рассеянного света атомами или молекулами может подвергаться [[Комбинационное рассеяние света|рамановскому рассеянию]], при котором частота света изменяется из-за возбуждения атомов и молекул. [[Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна]] возникает, когда частота света изменяется из-за локальных изменений во времени и вибраций плотного материала<ref>{{cite book|author1=C.F. Bohren  |author2=D.R. Huffman |name-list-style=amp |title=Absorption and Scattering of Light by Small Particles|publisher=Wiley|year=1983|isbn=978-0-471-29340-8}}</ref>.

Дисперсия возникает, когда разные частоты электромагнитного спектра имеют разные [[Фазовая скорость|фазовые скорости]] из-за свойств ''материала (дисперсия материала'') или геометрии [[световод|оптического волновода]] (''волноводная дисперсия''). Самая известная форма дисперсии — это уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны, которое наблюдается в большинстве прозрачных материалов. Это явление называется «нормальной дисперсией».оно наблюдается во всех [[Диэлектрик|диэлектрических материалах]] в тех диапазонах длин волн, где материал не поглощает свет<ref name="J286">{{Cite book|author=J.D. Jackson|title=Classical Electrodynamics|edition=2nd|publisher=Wiley|year=1975|isbn=978-0-471-43132-9|page=[https://archive.org/details/classicalelectro00jack_0/page/286 286]|url=https://archive.org/details/classicalelectro00jack_0/page/286}}</ref>. В диапазонах длин волн, где среда имеет значительное поглощение, показатель преломления может увеличиваться с увеличением длины волны. Это явление называется «аномальной дисперсией»<ref name="Geoptics" />.

Разделение цветов призмой — пример нормальной дисперсии. На поверхности призмы закон Снеллиуса предсказывает, что свет, падающий под углом θ к нормали, будет преломляться под углом arcsin (sin(θ)/''n''). Таким образом, синий свет с его более высоким показателем преломления изгибается сильнее, чем красный свет, что приводит к хорошо известному [[Радуга|радужному]] узору<ref name="Geoptics" />.
[[Файл:Wave_group.gif|обрамить| Дисперсия: две синусоиды, распространяющиеся с разными скоростями, образуют движущуюся интерференционную картину. Красная точка движется с [[Фазовая скорость|фазовой скоростью]], а зеленые точки — с [[Групповая скорость|групповой скоростью]]. В этом случае фазовая скорость в два раза больше групповой скорости. Красная точка обгоняет две зеленые точки при движении слева направо от фигуры. Фактически, отдельные волны (которые распространяются с фазовой скоростью) покидают волновой пакет (который движется с групповой скоростью).]]
Дисперсия материала часто характеризуется [[Число Аббе|числом Аббе]], которое даёт простую меру дисперсии на основе показателя преломления для трёх конкретных длинах волн. Дисперсия волновода зависит от [[константа распространения|постоянной распространения]]<ref name="hecht" />. Оба вида дисперсии вызывают изменения групповых характеристик волны, то есть свойств волнового пакета, которые изменяются с той же частотой, что и амплитуда электромагнитной волны. «Дисперсия групповой скорости» проявляется как расплывание сигнальной «огибающей» излучения и может быть количественно определена с помощью параметра задержки групповой дисперсии:

: <math>D = \frac{1}{v_g^2} \frac{dv_g}{d\lambda}</math>

где <math>v_g</math> — групповая скорость волны<ref name=optnet>{{cite book |author1=R. Ramaswami |author2=K.N. Sivarajan |title=Optical Networks: A Practical Perspective |url=https://books.google.com/books?id=WpByp4Ip0z8C |isbn=978-0-12-374092-2 |publisher=Academic Press |location=London |year=1998 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20151027164628/https://books.google.com/books?id=WpByp4Ip0z8C&printsec=frontcover |archive-date=2015-10-27 }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=WpByp4Ip0z8C |date=20210510112013 }}</ref>. Для однородной среды групповая скорость равна

: <math>v_g = c \left( n - \lambda \frac{dn}{d\lambda} \right)^{-1}</math>

где ''n'' — показатель преломления, а ''c'' — скорость света в вакууме<ref>Brillouin, Léon. ''Wave Propagation and Group Velocity''. Academic Press Inc., New York (1960)</ref>. Это даёт более простую форму для параметра задержки дисперсии:

: <math>D = - \frac{\lambda}{c} \, \frac{d^2 n}{d \lambda^2}.</math>

Если ''D'' меньше нуля, то говорят, что среда имеет ''положительную дисперсию'' или нормальную дисперсию. Если ''D'' больше нуля, то среда обладает ''отрицательной дисперсией''. Если импульс света распространяется через среду с нормальной дисперсией, в результате более высокочастотные компоненты замедляются больше, чем низкочастотные компоненты. Таким образом, импульс становится ''положительно [[Линейная частотная модуляция|линейно модулированным]]'' или ''повышающим'', частота которого увеличивается со временем. Это приводит к тому, что спектр света, исходящий из призмы, выглядит так, чтобы красный свет был наименее преломлённым, а синий или фиолетовый свет — наиболее отклонённым. И наоборот, если импульс проходит через среду с аномальной (отрицательной) дисперсией, высокочастотные компоненты перемещаются быстрее, чем низкочастотные, и импульс становится ''отрицательно линейно модулированным'' или ''понижающим'', уменьшаясь по частоте со временем<ref>{{cite book|author1=M. Born  |author2=E. Wolf |name-list-style=amp |author-link = Max Born|title=Principle of Optics|url=https://archive.org/details/principlesoptics00born_481  |publisher=Cambridge University Press|year=1999|location=Cambridge|pages=[https://archive.org/details/principlesoptics00born_481/page/n49 14]–24|isbn=978-0-521-64222-4}}</ref>.

Результатом разброса групповой скорости, положительного или отрицательного, в конечном итоге является расплывание импульса во времени. Это делает управление дисперсией чрезвычайно важным в системах оптической связи на основе [[Оптическое волокно|оптических волокон]], поскольку, если дисперсия слишком высока, каждая группа импульсов, передающих информацию, будет распространяться во времени и сливаться, что делает невозможным извлечение полезного сигнала<ref name=optnet />.

==== Поляризация ====
Поляризация — это общее свойство волн, которое описывает ориентацию их колебаний. Для [[Поперечная волна|поперечных волн,]] таких как многие электромагнитные волны, она описывает ориентацию колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Колебания могут быть ориентированы в одном направлении ([[линейная поляризация]]) или направление колебаний может вращаться по мере распространения волны ([[Круговая поляризация|круговая]] или [[Эллиптическая поляризация|эллиптическая поляризации]]). Волны с круговой поляризацией могут вращаться вправо или влево по отношению к направлению движения, и какое из этих двух вращений присутствует в волне, называется [[Поляриметрия|хиральностью]] волны<ref name=light>{{cite book|title=University Physics 8e|author=H.D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=978-0-201-52981-4|url-access=registration|url=https://archive.org/details/universityphysic8edyoun}}Chapter 34</ref>.

Типичный способ рассмотрения поляризации — отслеживание ориентации [[Вектор (геометрия)|вектора]] электрического поля при распространении электромагнитной волны. Вектор электрического поля плоской волны можно условно разделить на две перпендикулярные [[Вектор (геометрия)|составляющие]], обозначенные ''x'' и ''y'' (где вектор '''z''' указывает направление движения). Форма, очерченная в плоскости xy вектором электрического поля, представляет собой [[Фигуры Лиссажу|фигуру Лиссажу]], которая описывает ''состояние поляризации''<ref name="hecht" />. На следующих рисунках показаны некоторые примеры эволюции вектора электрического поля (синий) во времени (вертикальные оси) в определённой точке пространства вместе с его ''компонентами x'' и ''y'' (красный/левый и зелёный/правый) и путь, прочерчиваемый вектором в плоскости (фиолетовый): такая же зависимость от времени будет наблюдаться, если смотреть на электрическое поле в конкретный момент времени при перемещении точки в пространстве в направлении, противоположном распространению волны.
<div style="float:left;width:170px">[[Файл:Polarisation_(Linear).svg|центр|Диаграмма линейной поляризации]]<center> ''Линейная поляризация''</center></div><div style="float:left;width:170px">[[Файл:Polarisation_(Circular).svg|центр|Диаграмма круговой поляризации]]<center> ''Круговая поляризация''</center></div><div style="float:left;width:170px">[[Файл:Polarisation_(Elliptical).svg|центр|Эллиптическая поляризационная диаграмма]]<center> ''Эллиптическая поляризация''</center></div>
{{clear}}
На крайнем левом рисунке компоненты x и y световой волны синфазны. В этом случае соотношение их величин постоянно, поэтому направление электрического вектора (векторная сумма этих двух компонентов) постоянно. Поскольку кончик вектора очерчивает одну линию на плоскости, то этот частный случай называется линейной поляризацией. Направление этой линии зависит от относительных амплитуд двух компонент электрического поля<ref name="light" />.

На среднем рисунке две ортогональные составляющие имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 90 °. В этом случае одна компонента электрического поля равна нулю, когда другая имеет максимальную или минимальную амплитуды. Есть два возможных фазовых соотношения, которые удовлетворяют этому требованию: ''компонента x'' может опережать на 90 ° ''компоненты y'' или она может запаздывать на 90 ° от компоненты ''y.'' В этом частном случае электрический вектор очерчивает круг в плоскости, поэтому такая поляризация называется круговой поляризацией. Направление вращения в круге зависит от того, какое из двухфазных соотношений реализуется, и соответствует ''правой круговой поляризации'' и ''левой круговой поляризации''<ref name="hecht" />.

Во всех других случаях, когда две компоненты электрического поля либо не имеют одинаковых амплитуд и их разность фаз не равна нулю и не кратна 90 °, поляризация называется эллиптической поляризацией, потому что электрический вектор очерчивает [[эллипс]] в плоскости (''эллипс поляризации''). Это показано на рисунке справа. Подробное математическое описание поляризации выполняется с использованием [[Формализм Джонса|исчисления Джонса]] и характеризуется [[Параметры Стокса|параметрами Стокса]]<ref name="hecht" />.

===== Изменение поляризации =====
Среды с разными показателями преломления для разных поляризаций волн называются ''[[Двойное лучепреломление|двулучепреломляющими]]''<ref name="light" />. Хорошо известные проявления этого эффекта наблюдаются в оптических [[Волновая пластина|волновых пластинах]] (для линейных мод) и во [[Эффект Фарадея|вращении Фарадея]], [[Вращение плоскости поляризации|оптическом вращении]] (для круговых мод)<ref name="hecht" />. Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, плоские волны будут выходить из материала с существенно изменёнными направлениями распространения из-за преломления. Например, это относится к макроскопическим кристаллам [[кальцит]]а, которые демонстрируют наблюдателю два смещённых ортогонально поляризованных изображения всего, что просматривается через них. Именно этот эффект помог [[Бартолин, Расмус|Эразму Бартолину]] открыть поляризацию света в 1669 году. Кроме того, фазовый сдвиг и, следовательно, изменение состояния поляризации обычно зависит от частоты, что в сочетании с [[дихроизм]]ом часто приводит к появлению ярких цветов и радужных эффектов. В [[Минералогия|минералогии]] такие свойства, известные как [[плеохроизм]], часто используют для идентификации минералов с помощью поляризационных микроскопов. Кроме того, многие пластмассы, которые обычно не обладают двойным лучепреломлением, становятся таковыми под воздействием [[Механическое напряжение|механического напряжения]], что проявляется в таком явлении как [[фотоупругость]]. Методы, не использующие двойное лучепреломление для поворота линейной поляризации световых лучей, включают использование [[Вращатель поляризации|призматических вращателей поляризации]], которые используют полное внутреннее отражение в составных призмах, предназначенных для эффективного коллинеарного пропускания света<ref>{{Cite book|author=F.J. Duarte|title=Tunable Laser Optics|publisher=CRC|year=2015|isbn=978-1-4822-4529-5|url=http://www.tunablelaseroptics.com}} {{Wayback|url=http://www.tunablelaseroptics.com/ |date=20150402145942 }}</ref>.
[[Файл:Malus_law.svg|справа|мини| Поляризатор, изменяющий ориентацию линейно поляризованного света.<br>На этом рисунке ''θ''<sub>1</sub> — ''θ<sub>0</sub>'' = ''θ<sub>i</sub>''.]]
Среды, которые уменьшают амплитуду волн с определённой поляризацией, называются ''дихроичными'', при этом устройства, которые блокируют почти всё излучение в какой-то одной моде, известны как ''поляризационные фильтры'' или просто «[[поляризатор]]ы». Закон Малюса, названный в честь [[Малюс, Этьенн Луи|Этьена Луи Малюса]], гласит, что когда идеальный поляризатор помещается в линейно поляризованный луч света, интенсивность, проходящего через него света, определяется выражением

: <math> I = I_0 \cos^2 \theta_i \quad ,</math>

где

: ''I'' <sub>0</sub> — начальная интенсивность,
: и ''θ<sub>i</sub>'' — угол между начальным направлением поляризации света и осью поляризатора<ref name="light" />.

Луч неполяризованного света можно представить как содержащий однородную смесь линейных поляризаций под всеми возможными углами. Поскольку среднее значение <math>\cos^2 \theta</math> равно 1/2, то коэффициент пропускания становится равным

: <math> \frac {I}{I_0} = \frac {1}{2}\quad</math>

На практике часть света теряется в поляризаторе, и фактическое пропускание неполяризованного света будет несколько ниже, чем это значение, около 38 % для поляризаторов типа Polaroid, но значительно выше (> 49,9 %) для некоторых типов двулучепреломляющих призм<ref name="hecht" />.

Помимо двойного лучепреломления и дихроизма в сплошных средах, эффекты поляризации могут возникать на (отражающей) границе между двумя материалами с разными показателями преломления. Этот эффект рассчитывается по [[Формулы Френеля|формулам Френеля]]. Часть волны проходит во вторую среду, а часть отражается, причём это соотношение зависит от угла падения и угла преломления. Таким образом, волновая оптика предсказывает [[Закон Брюстера|угол Брюстера]]<ref name="hecht" />. Когда свет отражается от [[Оптика тонких плёнок|тонкой плёнки]] на поверхности, интерференция между отражениями от поверхностей плёнки может вызвать поляризацию отражённого и проходящего света.

===== Естественный свет =====
[[Файл:CircularPolarizer.jpg|справа|мини| Эффект [[Фотографический фильтр|поляризационного фильтра]] на изображение неба на фотографии. Левый снимок сделан без поляризатора. Для правого изображения поляризационный фильтр был настроен так, чтобы исключить определённые поляризации рассеянного голубого света неба.]]
Большинство источников электромагнитного излучения содержат большое количество атомов или молекул, излучающих свет. Ориентация электрических полей, создаваемых этими излучателями, может не [[Корреляция|коррелировать]], и в этом случае свет считается ''неполяризованным''. Если существует частичная корреляция между излучателями, то свет называют ''частично поляризованным''. Если поляризация согласована по всему спектру источника, частично поляризованный свет можно описать как суперпозицию полностью неполяризованной компоненты и полностью поляризованной. Затем можно использовать описание света в терминах [[Степень поляризации|степени поляризации]] и параметров эллипса поляризации<ref name="hecht" />.

Свет, отражённый от блестящих прозрачных материалов, частично или полностью поляризован, за исключением случаев, когда свет направлен перпендикулярно поверхности. Именно этот эффект позволил математику Этьену Луи Малюсу провести измерения, которые позволили ему разработать первые математические модели поляризованного света. Поляризация может возникать при рассеивании света в [[Атмосфера Земли|атмосфере]]. Рассеянный свет создаёт яркость и цвет чистого [[Небо|неба]]. Этой частичной поляризацией рассеянного света можно воспользоваться, используя поляризационные фильтры для затемнения неба на [[Наука фотографии|фотографиях]]. Оптическая поляризация имеет принципиальное значение в [[Химия|химии]] из-за [[Круговой дихроизм|кругового дихроизма]] и оптического вращения («''круговое двулучепреломление''»), проявляемых [[Вращение плоскости поляризации|оптически активными]] ([[Хиральность (химия)|хиральными]]) [[молекула]]ми<ref name="hecht" />.

== Современная оптика ==
''Современная оптика'' охватывает области оптики и техники, ставшие популярными в 20 веке. Эти области оптики обычно связаны с электромагнитными или квантовыми свойствами света, но включают и другие темы. Основной подраздел современной оптики — [[квантовая оптика]], рассматривает квантово-механические свойства света. Квантовая оптика — это не только теория; работа некоторых современных устройств, таких как лазеры, основываются на принципах работы, исследуемых в квантовой механике. Детекторы света, такие как [[Фотоумножитель|фотоумножители]] и [[Вторично-электронный умножитель|канатроны]], используются для детекртирования отдельных фотонов. Электронные [[Фотоматрица|датчики изображения]], такие как [[ПЗС|ПЗС-матрицы]], демонстрируют [[дробовой шум]], соответствующий статистике отдельных фотонных событий. [[Светодиод|Принципы работы светодиодов]] и [[Фотоэлемент|фотоэлектрических элементов]] тоже нельзя понять без использования аппарата квантовой механики. При изучении этих устройств квантовая оптика часто пересекается с [[Квантовая оптика|квантовой электроникой]]<ref>[[Daniel Frank Walls|D.F. Walls]] and G.J. Milburn ''Quantum Optics'' (Springer 1994)</ref>.

Специальные области оптических исследований включают изучение того, как свет взаимодействует с конкретными материалами, такими как [[кристаллооптика]] и оптика [[метаматериал]]ов. Другие исследования сосредоточены на феноменологии электромагнитных волн в [[Оптический вихрь|сингулярной оптике]], [[Неизображающая оптика|оптике без визуализации]], [[Нелинейная оптика|нелинейной оптике]], статистической оптике и [[Радиометрия|радиометрии]]. Вдобавок [[Компьютерная инженерия|компьютерные инженеры]] проявили интерес к [[Фотонная интегральная схема|интегрированной оптике]], [[Машинное зрение|машинному зрению]] и [[Оптический компьютер|фотонным вычислениям]] как возможным компонентам компьютеров «следующего поколения»<ref>{{Cite book|author=Alastair D. McAulay|title=Optical computer architectures: the application of optical concepts to next generation computers|url=https://books.google.com/books?id=RuRRAAAAMAAJ|access-date=12 July 2012|date=16 January 1991|publisher=Wiley|isbn=978-0-471-63242-9}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=RuRRAAAAMAAJ |date=20210709181304 }}</ref>.

Сегодня чистая наука об оптике называется оптической наукой или [[Физика атомов и молекул|физикой атомов и молекул]], чтобы отличить её от прикладных оптических наук, которые называются [[Прикладная оптика|инженерной оптикой]]. Основные области оптической инженерии включают [[Иллюминация|светотехнику]], [[Фотоника|фотонику]] и [[Оптоэлектроника|оптоэлектронику]] с практическими приложениями, такими как [[Конструкция оптических линз|проектирование линз]], [[Изготовление и тестирование (оптические компоненты)|изготовление и тестирование оптических компонент]] и [[Цифровая обработка изображений|обработка изображений]]. Некоторые из этих областей пересекаются, с расплывчатыми границами между терминами субъектов, которые означают несколько разные вещи в разных частях мира и в разных областях промышленности. Профессиональное сообщество исследователей нелинейной оптики сформировалось за последние несколько десятилетий благодаря достижениям в лазерных технологиях<ref>{{Cite book|title=The principles of nonlinear optics|author=Y.R. Shen|publisher=New York, Wiley-Interscience|year=1984|isbn=978-0-471-88998-4}}
</ref>.

=== Лазеры ===
[[Файл:Military_laser_experiment.jpg|мини| Подобные эксперименты с мощными [[лазер]]ами являются частью современных оптических исследований.]]
Лазер — это устройство, которое излучает свет, своего рода электромагнитное излучение, посредством процесса, называемого ''[[Вынужденное излучение|вынужденным излучением]]''. Термин «''лазер»'' является [[Акроним|аббревиатурой]] от английского {{Lang-en|Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation}} («''Усиление света за счёт вынужденного излучения»'')<ref>{{Cite web|url=http://dictionary.reference.com/browse/laser|title=laser|publisher=Reference.com|archive-url=https://web.archive.org/web/20080331135923/http://dictionary.reference.com/browse/laser|archive-date=2008-03-31|access-date=2008-05-15}}</ref>. Лазерный свет обычно пространственно [[Когерентность (физика)|когерентен]], что означает, что свет либо излучается узким [[Расходимость пучка|пучком с малой расходимостью]], либо может быть преобразован в пучок с помощью оптических компонентов, таких как линзы. Поскольку СВЧ — эквивалент лазера, ''мазер,'' был разработан первым, устройства, которые излучают СВЧ и [[Rf|радио]] частоты обычно называют ''мазеры''.
[[Файл:The_VLT’s_Artificial_Star.jpg|слева|мини| Телескоп [[Very Large Telescope|VLT]], направляемый лазером<ref>{{Cite news|title=The VLT's Artificial Star|url=http://www.eso.org/public/images/potw1425a/|accessdate=2014-06-25|website=ESO Picture of the Week|url-status=live|archiveurl=https://web.archive.org/web/20140703151816/http://www.eso.org/public/images/potw1425a/|archivedate=2014-07-03}}</ref>.]]
Первый рабочий лазер был продемонстрирован 16 мая 1960 года [[Майман, Теодор|Теодором Майманом]] в [[Исследовательские лаборатории Хьюза|исследовательских лабораториях Хьюза]]<ref>{{Cite web|url=http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html|title=The first laser|author=C.H. Townes|publisher=University of Chicago|archive-url=https://web.archive.org/web/20080517082709/http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html|archive-date=2008-05-17|access-date=2008-05-15}}</ref>. Когда они впервые были изобретены, их называли «решением, ищущим проблему»<ref>{{cite book|title=A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World|author=C.H. Townes|author-link=Charles Hard Townes|chapter=The first laser|chapter-url=http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html|editor1=Laura Garwin|editor1-link= Laura Garwin |editor2=Tim Lincoln|publisher=University of Chicago Press|year=2003|pages=[https://archive.org/details/centuryofnaturet00garw/page/107 107–112]|isbn=978-0-226-28413-2|url=https://archive.org/details/centuryofnaturet00garw/page/107}}</ref>. С тех пор лазеры стали многомиллиардной отраслью, находящей применение в тысячах самых разнообразных приложениях. Первым применением лазеров, видимых в повседневной жизни населения в целом, был [[Штриховой код|сканер штрих-кода]] в супермаркете, представленный в 1974 году. [[LaserDisc|Плеер для лазерных дисков]], представленный в 1978 году, был первым успешным потребительским продуктом, включающим лазер, но [[Компакт-диск|проигрыватель компакт-дисков]] был первым устройством, оснащённым лазером, которое стало по-настоящему распространённым в домах потребителей, начиная с 1982 года<ref name="BBC6950933">{{Cite news|url=http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/6950933.stm|title=How the CD was developed|website=BBC News|date=2007-08-17|accessdate=2007-08-17|url-status=live|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120107064451/http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/6950933.stm|archivedate=2012-01-07}}</ref>. В этих [[оптический носитель информации|оптических запоминающих]] устройствах используется [[Лазерный диод|полупроводниковый лазер]] шириной менее миллиметра для сканирования поверхности диска с целью чтения данных. [[Волоконно-оптическая связь]] основана на использовании лазеров для передачи больших объёмов информации со скоростью сравнимой со скоростью света. К другим распространённым применениям лазеров относятся [[лазерная печать|лазерные принтеры]] и [[Лазерная указка|лазерные указки]]. Лазеры используются в медицине в таких областях, как [[бескровная хирургия]], [[Лазерная хирургия|лазерная хирургия глаза]], [[лазерная захватывающая микродиссекция]] и в военных приложениях, такие как [[Авиационная лазерная система|системы ПРО]], [[DIRCM|электро-оптические контрмеры (EOCM)]] и [[лидар]]ах. Лазеры также используются в [[Голография|голограммах]], [[Лазерная графика|лазерной графике]], [[Дисплей с лазерным освещением|лазерных световых шоу]] и [[Лазерная эпиляция|лазерной эпиляции]]<ref>{{cite book|author1=J. Wilson  |author2=J.F.B. Hawkes |name-list-style=amp |year=1987|title=Lasers: Principles and Applications, Prentice Hall International Series in Optoelectronics|publisher=Prentice Hall|isbn=978-0-13-523697-0}}</ref>.

=== Эффект Капицы — Дирака ===
Эффект [[Эффект Капицы – Дирака|Капицы — Дирака]] заставляет пучки частиц дифрагировать в результате встречи со стоячей волной света. Световые пучки можно использовать для позиционирования частиц материи с помощью различных явлений (см. [[Оптический пинцет]]).

== Приложения ==
Оптика — это часть повседневной жизни. Повсеместное распространение [[Зрительная система|зрительных систем]] в биологии указывает на центральную роль оптики как науки об одном из [[Ощущение|пяти чувств]]. Многие люди выигрывают от [[Очки|очков]] или [[Контактные линзы|контактных линз]], а оптика является неотъемлемой частью функционирования многих потребительских товаров, включая [[Съёмочная камера|камеры]]. Радуги и миражи — примеры оптических явлений. [[Оптическая связь]] обеспечивает основу как для [[Интернет]]а, так и для современной [[Телефония|телефонии]].

=== Человеческий глаз ===
[[Файл:Eye-diagram_no_circles_border.svg|справа|мини| Модель человеческого глаза. В этой статье упоминаются следующие особенности: 1. [[стекловидное тело]] 3. [[цилиарная мышца]], 6. [[зрачок]], 7. [[передняя камера]], 8. [[роговица]], 10. [[Хрусталик|кора хрусталика]], 22. [[зрительный нерв]], 26. [[центральная ямка]], 30. [[сетчатка]].]]
Человеческий глаз фокусирует свет на слой [[Фоторецептор|фоторецепторных клеток,]] называемый сетчаткой, который образует внутреннюю поверхность задней части глаза. Фокусировка осуществляется серией прозрачных материалов. Свет, попадающий в глаз, сначала проходит через роговицу, которая обеспечивает большую часть оптической силы глаза. Затем свет проходит через жидкость сразу за роговицей — в [[Передняя камера|переднюю камеру]], а затем проходит через [[зрачок]]. Затем свет проходит через [[Хрусталик|линзу]], которая дополнительно фокусирует свет и позволяет регулировать фокусировку. Затем свет проходит через основной объём жидкости в глазу — [[стекловидное тело]] — и достигает сетчатки. Клетки сетчатки покрывают заднюю часть глаза, за исключением места выхода зрительного нерва; это приводит к существованию [[Слепое пятно|слепого пятна]].

Есть два типа фоторецепторных клеток, палочки и колбочки, которые чувствительны к различным аспектам света<ref name="eyeoptics">{{Cite book|author1=D. Atchison|author2=G. Smith|title=Optics of the Human Eye|url=https://archive.org/details/opticsofhumaneye0000atch|year=2000|isbn=978-0-7506-3775-6|publisher=Elsevier}}</ref>. Стержневые клетки чувствительны к интенсивности света в широком диапазоне частот, поэтому отвечают за [[Ночное зрение|чёрно-белое зрение]]. Клетки палочек не присутствуют в ямке, области сетчатки, ответственной за центральное зрение, и не так чувствительны, как клетки колбочек, к пространственным и временным изменениям света. Однако в сетчатке имеется в двадцать раз больше стержневых клеток, чем колбочек, поскольку стержневые клетки расположены на большей площади. Из-за чего стержни отвечают за [[Периферийное зрение|периферическое зрение]]<ref name="Kandel">{{Cite book|author1=E.R. Kandel|author2=J.H. Schwartz|title=Principles of Neural Science|url=https://archive.org/details/isbn_9780838577011|year=2000|publisher=McGraw-Hill|isbn=978-0-8385-7701-1}}</ref>.

Напротив, колбочки менее чувствительны к общей интенсивности света, но бывают трёх разновидностей, которые чувствительны к разным частотным диапазонам и, таким образом, используются для восприятия [[цвет]]а и [[Дневное зрение|фотопического зрения]]. Конусные клетки сильно сконцентрированы в ямке и отвечают за высокую остроту зрения, что означает, что они имеют лучшее пространственное разрешение, чем палочки. Поскольку колбочки не так чувствительны к тусклому свету, как палочки, в большинстве случаев за [[ночное зрение]] отвечают палочки. Точно так же, поскольку клетки колбочек находятся в ямке, центральное зрение (включая зрение, необходимое для чтения, работы с мелкими деталями, например шитья или тщательного изучения объектов) осуществляется колбочками<ref name="Kandel" />.

Ресничные мышцы вокруг хрусталика позволяют регулировать фокусировку глаза. Этот процесс известен как [[Аккомодация (биология)|аккомодация]]. [[Ближайшая точка|Близкая точка]] и [[дальняя точка]] определяют ближайшие и отдалённые расстояния от глаз, при котором объект может быть рассмотрен в фокусе. Для человека с нормальным зрением дальняя точка находится в бесконечности (горизонте). Расположение ближайшей точки зависит от того, насколько мышцы могут увеличить кривизну хрусталика, и насколько негибким стал хрусталик с возрастом. [[Оптометрия|Оптометристы]], [[Офтальмология|офтальмологи]] и [[оптик]]и обычно считают подходящую близкую точку ближе, чем нормальное расстояние для чтения — примерно 25 см<ref name="eyeoptics" />.

Дефекты зрения можно объяснить с помощью оптических принципов. С возрастом хрусталик становится менее гибким, и ближняя точка отдаляется от глаза — состояние, известное как [[пресбиопия]]. Точно так же люди, страдающие [[дальнозоркость]]ю, не могут уменьшить фокусное расстояние своих хрусталиков до такой степени, чтобы на их сетчатке отображались близлежащие объекты. И наоборот, люди, которые не могут увеличить фокусное расстояние своих хрусталиков до такой степени, чтобы на сетчатке отображались удалённые объекты, страдают [[Близорукость|миопией]] и имеют дальнюю точку, которая значительно ближе, чем бесконечность (горизонт). Состояние, известное как [[Астигматизм (медицина)|астигматизм]], возникает, когда роговица не сферическая, а более изогнута в одном направлении. Это приводит к тому, что горизонтально вытянутые объекты фокусируются на разных частях сетчатки, отличными от частей на которых фокусируется изображение вертикально вытянутых объектов, что приводит к искажению изображений<ref name="eyeoptics" />.

Все эти состояния можно исправить с помощью [[корректирующая линза|корректирующих линз]]. При пресбиопии и дальнозоркости [[Линза|собирающая линза]] обеспечивает дополнительную кривизну, необходимую для приближения ближней точки к глазу, в то время как при миопии [[Линза|расходящаяся линза]] обеспечивает кривизну, необходимую для отправки дальней точки в бесконечность. Астигматизм корректируется с помощью [[Цилиндр|линзы с цилиндрической поверхностью,]] которая сильнее изгибается в одном направлении, чем в другом, что компенсирует неоднородность роговицы<ref name="lensdesign">{{Cite web|url=http://www.opticampus.com/cecourse.php?url=lens_design/&OPTICAMP=f1e4252df70c63961503c46d0c8d8b60|title=Ophthalmic Lens Design|author=D. Meister|publisher=OptiCampus.com|archive-url=https://web.archive.org/web/20081227021113/http://www.opticampus.com/cecourse.php?url=lens_design%2F&OPTICAMP=f1e4252df70c63961503c46d0c8d8b60|archive-date=2008-12-27|access-date=2008-11-12}}</ref>.

Оптическая сила корректирующих линз измеряется в [[диоптрия]]х, то есть величинах, [[Обратное число|обратных]] фокусному расстоянию, измеренному в метрах; с положительным фокусным расстоянием, соответствующим собирающей линзе, и отрицательным фокусным расстоянием, соответствующим рассеивающей линзе. Для линз, которые также корректируют астигматизм, даны три числа: одно для сферической оптической силы, одно для цилиндрической оптической силы и одно для угла ориентации астигматизма<ref name="lensdesign" />.

==== Визуальный эффект ====
[[Файл:Ponzo_illusion.gif|справа|мини| Иллюзия Понцо основана на том факте, что параллельные линии сходятся по мере приближения к бесконечности.]]
[[Оптическая иллюзия|Оптические иллюзии]] (также называемые визуальными иллюзиями) характеризуются визуально воспринимаемыми изображениями, которые отличаются от объективной реальности. Информация, собранная глазом, обрабатывается в мозгу и [[Восприятие|воспринимается]], как отличное от отображаемого объекта. Оптические иллюзии могут быть результатом множества явлений, включая физические эффекты, создающие изображения, отличные от объектов, которые их создают, физиологические эффекты чрезмерной стимуляции на глаза и мозг (например, яркость, наклон, цвет, движение) и когнитивные иллюзии, при которых глаз и мозг делают [[Бессознательный вывод|бессознательные выводы]]<ref>{{Cite web|url=http://www.livescience.com/strangenews/080602-foresee-future.html|title=Key to All Optical Illusions Discovered|author=J. Bryner|date=2008-06-02|publisher=LiveScience.com|archive-url=https://web.archive.org/web/20080905122802/http://www.livescience.com/strangenews/080602-foresee-future.html|archive-date=2008-09-05}}</ref>.

К когнитивным иллюзиям возникают в результате бессознательного неправильного применения определённых оптических принципов. Например, [[комната Эймса]], [[Иллюзия Геринга|иллюзии Геринга]], [[Иллюзия Мюллера-Лайера|Мюллера — Лайера]], [[Иллюзия Орбисона|Орбисона]], [[Иллюзия Понцо|Понцо]], [[Иллюзия Сандера|Сандера]] и [[Иллюзия Вундта|Вундта]] полагаются на предположение о появлении расстояния с помощью сходящихся и расходящихся линий, точно так же, как параллельные световые лучи (или даже любой набор параллельных линий), кажется, сходятся в [[исчезающая точка]] на бесконечности в двумерных изображениях с художественной перспективой<ref>[http://mathdl.maa.org/convergence/1/?pa=content&sa=viewDocument&nodeId=477&bodyId=598 Geometry of the Vanishing Point] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080622055904/http://mathdl.maa.org/convergence/1/?pa=content&sa=viewDocument&nodeId=477&bodyId=598|date=2008-06-22}} at [http://mathdl.maa.org/convergence/1/ Convergence] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070713083148/http://mathdl.maa.org/convergence/1/|date=2007-07-13}}</ref>. Это предположение также отвечает за знаменитую [[Иллюзия Луны|иллюзию]] луны, когда луна, несмотря на практически одинаковый угловой размер, кажется намного больше возле [[Горизонт|горизонта,]] чем в [[зенит]]е<ref>[http://facstaff.uww.edu/mccreadd/ «The Moon Illusion Explained»] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151204212728/http://facstaff.uww.edu/mccreadd/|date=2015-12-04}}, Don McCready, University of Wisconsin-Whitewater</ref>. Эта иллюзия настолько сбила [[Клавдий Птолемей|Птолемея]] толку, что он неправильно приписал её атмосферной рефракции, когда описал её в своем трактате «''[[Оптика (Птолемей)|Оптика»]]''<ref name="Ptolemy" />.

Другой тип оптических иллюзий использует узоры с дефектами, чтобы обмануть разум, заставляя его воспринимать симметрии или асимметрии, которых нет. Примеры включают [[Иллюзия стены кафе|стену кафе]], [[Иллюзия Цёлльнера|иллюзии Цёлльнера]], [[Иллюзия Эренштейна|Эренштейна]], [[Спираль Фрэзера|Фрейзера]] и [[Иллюзия Поггендорфа|Поггендорфа]]. Сходными, но не строго иллюзиями, являются закономерности, возникающие из-за наложения периодических структур. Например, [[Прозрачность среды|прозрачные]] ткани с решётчатой структурой создают формы, известные как [[Муаровый узор|муаровые узоры]], в то время как наложение периодических прозрачных узоров, содержащих параллельные непрозрачные линии или кривые, приводит к [[Линейный муар|линейным муаровым]] узорам<ref>{{Cite book|title=Energy Minimization Methods in Computer Vision and Pattern Recognition|year=2001|url=https://archive.org/details/springer_10.1007-3-540-44745-8|last=A.K. Jain|isbn=978-3-540-42523-6}}</ref>.

==== Оптические инструменты ====
[[Файл:Table_of_Opticks,_Cyclopaedia,_Volume_2.jpg|справа|мини| Иллюстрации различных оптических инструментов из ''[[Циклопедия|Циклопедии 1728 г.]]'']]
Одиночные линзы имеют множество применений, включая [[Объектив|фотографические объективы]], корректирующие линзы и увеличительные очки, в то время как одиночные зеркала используются в параболических отражателях и [[Зеркало заднего вида|зеркалах заднего вида]]. Комбинирование нескольких зеркал, призм и линз даёт составные оптические инструменты, которые имеют практическое применение. Например, [[перископ]] — это просто два плоских зеркала, выровненных так, что позволяет обозревать окрестности из-за препятствия. Самыми известными составными оптическими приборами в науке являются микроскоп и телескоп, которые были изобретены голландцами в конце XVI века<ref name="instrument">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H.D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=978-0-201-52981-4|chapter=36|url=https://archive.org/details/universityphysic8edyoun}}</ref>.

Микроскопы сначала были разработаны с двумя линзами: [[объектив|линзой объектива]] и [[окуляр]]ом. Линза объектива по сути является увеличительным стеклом и имела очень маленькое фокусное расстояние, в то время как окуляр обычно имеет большее фокусное расстояние. Это приводит к получению увеличенных изображений близкорасположенных объектов. Обычно используется дополнительный источник освещения, поскольку увеличенные изображения тусклее из-за [[Закон сохранения энергии|сохранения энергии]] и распространения световых лучей по большей площади поверхности. Современные микроскопы, известные как ''составные микроскопы,'' имеют больше линз (обычно четыре) для оптимизации функциональности и повышения стабильности изображения<ref name="instrument" />. Немного другая разновидность микроскопа — [[сравнительный микроскоп]], рассматривает расположенные рядом изображения, чтобы создать [[Стереоизображение|стереоскопическое]] [[Бинокулярное зрение|бинокулярное]] изображение, которое кажется трёхмерным при использовании людьми<ref>{{Cite web|url=http://www.microscopyu.com/articles/stereomicroscopy/stereointro.html|title=Introduction to Stereomicroscopy|author=P.E. Nothnagle|publisher=Nikon MicroscopyU|archive-url=https://web.archive.org/web/20110916115256/http://www.microscopyu.com/articles/stereomicroscopy/stereointro.html|archive-date=2011-09-16|url-status=live}}</ref>.

Первые телескопы, называемые преломляющими телескопами, также были разработаны с одним объективом и линзой окуляра. В отличие от микроскопа, линза объектива телескопа имеет большое фокусное расстояние, чтобы избежать оптических аберраций. Объектив фокусирует изображение удалённого объекта в своей фокусной точке, которая настраивается так, чтобы находиться в фокусе окуляра с гораздо меньшим фокусным расстоянием. Основная цель телескопа — не обязательно увеличение, а скорее сбор света, который определяется физическим размером линзы объектива. Таким образом, телескопы обычно обозначаются диаметром их объективов, а не увеличением, которое можно изменить, переключая окуляры. Поскольку увеличение телескопа равно фокусному расстоянию объектива, делённому на фокусное расстояние окуляра, окуляры с меньшим фокусным расстоянием вызывают большее увеличение<ref name="instrument" />.

Поскольку создание больших линз намного сложнее, чем создание больших зеркал, большинство современных телескопов являются ''[[Рефлектор (телескоп)|отражающими телескопами]] (рефлекторами)'', то есть телескопами, в которых используется главное зеркало, а не линза объектива. Те же общие соображения на основе геометрической оптике применимы к отражающим телескопам, которые применялись к преломляющим телескопам, а именно: чем больше главное зеркало, тем больше света собирается, а увеличение по-прежнему равно фокусному расстоянию главного зеркала, делённому на фокусное расстояние окуляра. Профессиональные телескопы обычно не имеют окуляров, и вместо этого в фокусной точке помещается инструмент (часто [[прибор с зарядовой связью]])<ref name="instrument" />.

=== Фотография ===
[[Файл:Jonquil_flowers_at_f32.jpg|справа|мини| Фотография сделана с диафрагмой f/32]]
[[Файл:Jonquil_flowers_at_f5.jpg|справа|мини| Фотография сделана с диафрагмой f/5]]
Оптика фотографии включает в себя как линзы, так и среду, в которой регистрируется видимое излучение, будь то [[Фотопластинка|пластина]], [[Фотоплёнка|плёнка]] или устройство с зарядовой связью. Фотографы должны учитывать [[Закон взаимозаместимости|взаимность]] камеры и снимка, что выражается соотношением

: Экспозиция ∝ ПлощадьАпертуры × ВремяЭкспозиции × ЯркостьСцены<ref>
{{Cite book|title=Investigations on the Theory of the Photographic Process|author1=Samuel Edward Sheppard|author2=Charles Edward Kenneth Mees|publisher=Longmans, Green and Co|year=1907|page=[https://archive.org/details/investigationso01meesgoog/page/n232 214]|url=https://archive.org/details/investigationso01meesgoog}}</ref>

Другими словами, чем меньше диафрагма (что даёт большую глубину фокуса), тем меньше света попадает, поэтому продолжительность времени должна быть увеличена (что приводит к возможной размытости при движении). Примером использования закона взаимности является [[правило F/16]], которое даёт приблизительную оценку настроек, необходимых для оценки правильной [[Экспозиция (фото)|экспозиции]] при дневном свете<ref>{{Cite book|title=Mastering Black-and-White Photography|author=B.J. Suess|publisher=Allworth Communications|year=2003|isbn=978-1-58115-306-4|url=https://books.google.com/books?id=7LaRPNINH_YC&pg=PT112}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=7LaRPNINH_YC&pg=PT112 |date=20210709182331 }}</ref>.

Апертура камеры измеряется безразмерным числом, называемым числом [[Относительное отверстие|f]] (относительное отверстие), часто обозначаемым как <math>N</math>, и дано

: <math>f/\# = N = \frac fD \ </math>

где <math>f</math> — фокусное расстояние, а <math>D</math> — диаметр апертуры. По соглашению «f/#» рассматривается как один символ, а конкретные значения f/# записываются путём замены [[Знак решётки|знака решётки]] на соответствующее значение. Увеличение диафрагмы можно добиться уменьшением диаметра входного зрачка или увеличением фокусного расстояния (в случае [[Объектив переменного фокусного расстояния|зум-объектива]] это можно сделать, просто отрегулировав объектив). Более высокие значения f-числа также имеют большую [[Глубина резко изображаемого пространства|глубину резкости]] из-за того, что объектив приближается к пределу камеры-обскуры, которая способна идеально фокусировать все изображения, независимо от расстояния, но требует очень длительного времени выдержки<ref>{{Cite book|title=Basic Photography|author=M.J. Langford|isbn=978-0-240-51592-2|year=2000|publisher=Focal Press|url=https://archive.org/details/basicphotography00lang}}</ref>.

Поле зрения, которое будет обеспечивать объектив, изменяется в зависимости от фокусного расстояния объектива. Существует три основных классификации, основанных на соотношении размера диагонали плёнки или размера сенсора камеры с фокусным расстоянием объектива<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71">{{Cite book|first=Bruce|last=Warren|title=Photography|url=https://books.google.com/books?id=sbdGeFem1zwC&pg=PA71|year=2001|publisher=Cengage Learning|isbn=978-0-7668-1777-7|page=71}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=sbdGeFem1zwC&pg=PA71 |date=20210709181416 }}</ref>.

* [[Нормальный объектив]]: угол обзора около 50 ° (называется ''нормальным,'' поскольку этот угол считается примерно эквивалентным человеческому зрению<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71" />) и фокусное расстояние примерно равно диагонали плёнки или сенсора<ref>{{cite book|title=View Camera Technique|author=Leslie D. Stroebel|publisher=Focal Press|year=1999|isbn=978-0-240-80345-6|url=https://books.google.com/books?id=71zxDuunAvMC&pg=PA136}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=71zxDuunAvMC&pg=PA136 |date=20210709181510 }}</ref>.
* [[Широкоугольный объектив]]: угол обзора более 60 ° и фокусное расстояние меньше, чем у обычного объектива<ref>{{cite book|title=Using the View Camera|url=https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893|author=S. Simmons|publisher=Amphoto Books|year=1992|isbn=978-0-8174-6353-3|page=[https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893/page/n34 35]}}</ref>.
* [[Длиннофокусный объектив]]: угол обзора уже, чем у обычного объектива. Это любой объектив с фокусным расстоянием больше, чем диагональ плёнки или сенсора<ref>{{cite book |author=Sidney F. Ray |title=Applied Photographic Optics: Lenses and Optical Systems for Photography, Film, Video, Electronic and Digital Imaging |url=https://books.google.com/books?id=cuzYl4hx-B8C&pg=PA294 |year=2002 |publisher=Focal Press |isbn=978-0-240-51540-3 |page=294 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20160819003154/https://books.google.com/books?id=cuzYl4hx-B8C&pg=PA294 |archive-date=2016-08-19 }} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=cuzYl4hx-B8C&pg=PA294 |date=20210709181306 }}</ref>. Наиболее распространённым типом длиннофокусных объективов является [[телеобъектив]], конструкция которого использует специальную ''группу телеобъективов,'' которая физически короче его фокусного расстояния<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/books?id=zqkdNwRxSooC&pg=PA109|title=The New York Times Guide to Essential Knowledge|author=New York Times Staff|isbn=978-0-312-31367-8|year=2004|publisher=Macmillan}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=zqkdNwRxSooC&pg=PA109 |date=20210709181153 }}</ref>.

Современные зум-объективы могут обладать некоторыми или всеми этими атрибутами.

Абсолютное значение требуемого времени экспозиции зависит от того, насколько [[Сенситометрия|чувствительна]] к свету используемая среда (измеряется [[Светочувствительность фотоматериалов|светочувствительностью плёнки]] или, для цифровых носителей, [[Квантовая эффективность|квантовой эффективностью]] детектора)<ref>{{Cite book|title=Principles of Radiographic Imaging: An Art and a Science|author=R.R. Carlton|publisher=Thomson Delmar Learning|year=2000|isbn=978-0-7668-1300-7|url=https://books.google.com/books?id=oA-eBHsapX8C&pg=PA318}} {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=oA-eBHsapX8C&pg=PA318 |date=20210709181850 }}</ref>. В ранней фотографии использовались материалы с очень низкой светочувствительностью, поэтому время выдержки должно было быть большим даже для очень ярких снимков. По мере совершенствования технологий повышалась и чувствительность плёночных и цифровых фотоаппаратов<ref>{{Cite book|author=W. Crawford|title=The Keepers of Light: A History and Working Guide to Early Photographic Processes|url=https://archive.org/details/keepersoflighthi0000craw_t6q9|year=1979|publisher=Morgan & Morgan|isbn=978-0-87100-158-0}}</ref>.

Другие результаты волновой и геометрической оптики применимы к оптике фотокамеры. Например, максимальная разрешающая способность конкретной установки камеры определяется [[Дифракционный предел|дифракционным пределом]], связанным с размером апертуры и, грубо говоря, критерием Рэлея<ref>{{Cite book|author=J.M. Cowley|year=1975|title=Diffraction physics|location=Amsterdam|publisher=North-Holland|isbn=978-0-444-10791-6}}</ref>.

=== Атмосферная оптика ===
[[Файл:Firesunset2edit.jpg|справа|мини| Красочное небо часто возникает из-за рассеивания света частицами и загрязнениями, как на этой фотографии заката во время [[Октябрь 2007 г., лесные пожары в Калифорнии|лесных пожаров в Калифорнии]] в октябре 2007 года.]]
Уникальные оптические свойства атмосферы вызывают широкий спектр впечатляющих оптических явлений. Синий цвет неба является прямым результатом рэлеевского рассеяния, которое перенаправляет солнечный свет более высокой частоты (синий) обратно в поле зрения наблюдателя. Поскольку синий свет рассеивается легче, чем красный, солнце приобретает красноватый оттенок, когда его наблюдают через плотную атмосферу, например, во время [[восход]]а или [[закат]]а. Дополнительные твёрдые частицы в атмосфере могут рассеивать разные цвета под разными углами, создавая красочное сияющее небо в сумерках и на рассвете. Рассеяние кристаллов льда и других частиц в атмосфере является причиной [[Гало|ореолов]], [[Заря|зари]], [[Венцы (астрономия)|корон]], [[Сумеречные лучи|лучей солнечного света]] и [[Паргелий|паргелия]]. Различия в явлениях такого рода обусловлены разным размером и геометрией частиц<ref name="autogenerated1">{{Cite book|last=C.D. Ahrens|year=1994|title=Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment|publisher=West Publishing Company|isbn=978-0-314-02779-5|url=https://archive.org/details/meteorologytoday00ahre/page/88}}</ref>.

Миражи — это оптические явления, при которых световые лучи изгибаются из-за температурных изменений показателя преломления воздуха, создавая смещённые или сильно искажённые изображения далёких объектов. Другие драматические оптические явления, связанные с этим, включают [[эффект Новой Земли]], когда солнце, кажется, встаёт раньше, чем предсказывалось, с искажённой формой. Эффектная форма благодаря преломлению возникает при [[Инверсия (метеорология)|инверсии температуры]], называемой [[Фата-моргана]], когда объекты на горизонте или даже за горизонтом, такие как острова, скалы, корабли или айсберги, выглядят вытянутыми и приподнятыми, как «сказочные замки»<ref>{{Cite web|url=http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|title=An Introduction to Mirages|author=A. Young|archive-url=https://web.archive.org/web/20100110045709/http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|archive-date=2010-01-10|url-status=live}}</ref>.

Радуга — это результат комбинации внутреннего отражения и рассеянного преломлённого света в каплях дождя. Единственное отражение от задней поверхности множества капель дождя создаёт на небе радугу с угловым размером от 40 ° до 42 ° с красным цветом снаружи. Двойная радуга создаётся двумя внутренними отражениями с угловым размером от 50,5 ° до 54 ° с фиолетовым цветом снаружи. Поскольку радуга видна, когда солнце находится на 180 ° от центра радуги, радуга тем заметнее, чем ближе солнце к горизонту<ref name="light" />.

== См. также ==

{{викисловарь}}

* [[Электроника]]
* [[Оптоэлектроника]]
* [[Фотоника]]
* [[Оптические приборы]]

== Примечания ==
 {{Примечания}}

'''Учебники и учебные пособия'''

* [http://lightandmatter.com/lm/ Свет и материя] {{Wayback|url=http://lightandmatter.com/lm/ |date=20210616072246 }} — учебник с открытым исходным кодом, содержащий описание оптики в гл. 28-32
* [http://www.optics2001.com Optics2001] {{Wayback|url=http://www.optics2001.com/ |date=20191012080415 }} — Библиотека оптики и сообщество
* [https://web.archive.org/web/20141110224226/http://marketplace.idexop.com/store/SupportDocuments/Fundamental_Optics_OverviewWEB.pdf Фундаментальная оптика] — Техническое руководство Меллеса Грио
* [http://optics.byu.edu/textbook.aspx Физика света и оптика] {{Wayback|url=http://optics.byu.edu/textbook.aspx |date=20120704201855 }} — Книга для бакалавров [[Университет Бригама Янга|Университета Бригама Янга]]
* [https://www.pvlighthouse.com.au/cms/lectures/altermatt/optics Оптика для PV] {{Wayback|url=https://www.pvlighthouse.com.au/cms/lectures/altermatt/optics |date=20210709181453 }} — пошаговое знакомство с классической оптикой

'''Общества'''

{{Столбцы}}
{{Столбец}}
* [[European Optical Society]] — [http://www.myeos.org ссылка] {{Wayback|url=http://www.myeos.org/ |date=20110226105244 }}
* [[The Optical Society]] (OSA) — [http://www.osa.org ссылка] {{Wayback|url=http://www.osa.org/ |date=20060718085053 }}
* [[SPIE]] — [http://www.spie.org ссылка] {{Wayback|url=http://www.spie.org/ |date=20200923164754 }}
{{Столбец}}
* [[European Photonics Industry Consortium]] — [http://www.epic-assoc.com ссылка] {{Wayback|url=http://www.epic-assoc.com/ |date=20090202223014 }}
{{Столбцы/конец}}

== Литература ==
* ''Б. М. Яворский и А. А. Детлаф'' Справочник по физике. — {{М.}}: [[Наука (издательство)|Наука]], 1971.
* ''[[Ахманов, Сергей Александрович|Ахманов С. А.]], Никитин С. Ю.'' Физическая оптика. — {{М.}}: [[МГУ]], 2004. — ISBN 5-211-04858-X — 656 с.
* ''[[Волосов, Давид Самуилович|Волосов Д. С.]]'' Фотографическая оптика. Теория, основы проектирования, оптические характеристики. — {{М.}}: [[Искусство (издательство)|Искусство]], 1978. — 543 с.

== Ссылки ==
* [http://sfiz.ru/list.php?c=optika Раздел по оптике на сайте «Вся Физика»].

{{ВС}}
{{Разделы оптики}}
{{rq|cleanup|refless}}
{{Разделы физики}}

[[Категория:Оптика|*]]