Quang học hình học
Quang học hình học mô tả sự truyền ánh sáng dưới dạng các tia, xử lý các hiện tượng phản xạ, khúc xạ và sự tạo ảnh mà không đề cập đến bản chất sóng của ánh sáng.
Definition
Sự xử lý sự truyền ánh sáng theo các tia được điều chỉnh bởi nguyên lý Fermat và các định luật phản xạ và khúc xạ, được sử dụng để dự đoán đường đi của ánh sáng và vị trí, kích thước, cũng như hướng của các ảnh được tạo bởi các hệ thống quang học.
Scope
Quang học hình học là một nhánh của quang học mô hình hóa ánh sáng dưới dạng các tia truyền theo đường thẳng trong môi trường đồng nhất và bị bẻ cong theo định luật phản xạ và khúc xạ tại các mặt phân cách. Nó bao gồm nguyên lý Fermat, theo dõi tia sáng qua thấu kính và gương, sự hình thành ảnh thật và ảnh ảo, xấp xỉ cận trục (Gaussian), độ phóng đại, các quang sai làm giảm chất lượng ảnh và thiết kế các dụng cụ quang học. Nó được áp dụng khi bước sóng ánh sáng nhỏ so với các khẩu độ và cấu trúc liên quan, do đó có thể bỏ qua nhiễu xạ và giao thoa; các hiện tượng bị chi phối bởi bản chất sóng của ánh sáng nằm ngoài phạm vi của nó.
Sub-topics
Core questions
- Các tia sáng bị bẻ cong như thế nào khi đi qua ranh giới giữa hai môi trường?
- Ảnh được tạo bởi một hệ thống quang học nhất định nằm ở đâu, lớn cỡ nào và có hướng như thế nào?
- Đường đi quang học ngắn nhất mà một tia sáng đi giữa hai điểm là gì?
- Những quang sai nào làm giảm chất lượng ảnh và làm thế nào để thiết kế một hệ thống nhằm giảm thiểu chúng?
Key concepts
- tia sáng
- chiết suất
- định luật Snell
- tiêu cự
- ảnh thật và ảnh ảo
- xấp xỉ cận trục
- độ phóng đại
- khẩu độ và chắn sáng
Key theories
- Nguyên lý Fermat
- Ánh sáng truyền giữa hai điểm theo con đường có độ dài đường đi quang học dừng (thường là cực tiểu); các định luật phản xạ và khúc xạ là hệ quả của nguyên lý này.
- Định luật khúc xạ Snell
- Tại một mặt phân cách, tích của chiết suất và sin của góc đo từ pháp tuyến được bảo toàn, xác định cách các tia sáng bị bẻ cong khi đi qua giữa các môi trường có chiết suất khác nhau.
- Tạo ảnh cận trục (Gaussian)
- Đối với các tia gần trục quang học, sự tạo ảnh bởi thấu kính và gương được mô tả bằng các mối quan hệ tuyến tính giữa khoảng cách vật, khoảng cách ảnh và tiêu cự, được tóm tắt bằng các phương trình của nhà chế tạo thấu kính và thấu kính mỏng, cũng như bằng các ma trận truyền tia.
Clinical relevance
Quang học hình học là nền tảng cho việc thiết kế kính mắt, kính áp tròng, máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn và ống nội soi, đồng thời cung cấp cơ sở để mô hình hóa sự hình thành ảnh trong mắt người và để điều chỉnh các tật khúc xạ.
History
Định luật khúc xạ định lượng được Snellius thiết lập vào đầu thế kỷ XVII và được Fermat giải thích thông qua nguyên lý thời gian cực tiểu của ông. Gauss đã hệ thống hóa việc tạo ảnh cận trục vào năm 1841, và công thức ma trận của việc theo dõi tia sáng được phát triển vào thế kỷ XX đã giúp việc thiết kế các hệ thống đa thành phần phức tạp trở nên khả thi, dựa trên truyền thống kéo dài từ các nghiên cứu về thị giác và thấu kính của Ibn al-Haytham thời trung cổ.
Key figures
- Willebrord Snellius
- Pierre de Fermat
- Carl Friedrich Gauss
- Ibn al-Haytham
Related topics
Seminal works
- hecht2017
- bornwolf1999
Frequently asked questions
- Khi nào quang học hình học không còn hiệu lực?
- Nó không còn hiệu lực khi ánh sáng đi qua các khẩu độ hoặc cấu trúc có kích thước tương đương với bước sóng, nơi nhiễu xạ và giao thoa trở nên đáng kể; trong trường hợp đó, cần có một phương pháp xử lý quang học sóng.
- Sự khác biệt giữa ảnh thật và ảnh ảo là gì?
- Ảnh thật hình thành nơi các tia thực sự hội tụ và có thể được chiếu lên màn hình, trong khi ảnh ảo nằm ở nơi các tia chỉ dường như phân kỳ từ đó và không thể được chiếu, như thấy trong gương phẳng hoặc kính lúp.