Геометрическая оптика и фотометрия

Геометрическая оптика оперирует понятием световых лучей, которые подчиняются определенным законам (четыре закона геометрической оптики). Понятие светового луча можно получить из рассмотрения реального светового пучка в однородной среде, из которого при помощи диафрагмы с отверстием выделяется узкий параллельный пучок. Уменьшая диаметр этого отверстия, можно, казалось бы, получить световой луч как прямую линию. На самом деле этого достигнуть нельзя из-за явления дифракции (отклонения от прямолинейности распространения света, если размеры отверстия становятся малыми). Таким образом, световой луч в виде линии есть абстрактное математическое понятие, а не физический образ. Соответственно, геометрическая (или, иначе, лучевая) оптика есть предельный случай реальной волновой оптики, соответствующий условию А, «; г, где г — характерный размер оптической неоднородности (отверстия, экрана).

Для обширного круга важных задач светотехники (формирования световых пучков) и оптотехники (образования изображений) можно применять геометрическую оптику. Однако при пользовании законами геометрической оптики нельзя забывать, что они — первое приближение к действительности.

Законы геометрической оптики

На опыте были установлены следующие четыре основных закона геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Закон формулирует следующим образом: в однородной прозрачной среде свет распространяется по прямым линиям.

Открытие этого закона приписывается Евклиду (300 лет до н. э.), хотя, по-видимому, он был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона является наличие резких теней, даваемых точечными источниками света от края непрозрачного экрана или предмета. Соотношение между контуром предмета и его тенью при освещении точечным источником соответствует геометрическому проектированию при помощи прямых линий (рис. 1.1). Следует отметить, что само понятие о прямой линии, по-видимому, возникло из оптических наблюдений.

Рис. 1.1.

Более детальное исследование распространения света показывает, что упомянутый закон нарушается для предметов малых размеров (порядка 10~³ мм). Нарушение первого закона геометрической оптики рассматривается в учении о дифракции света.