प्रकाशिकी ऑप्टिक्स

प्रकाशिकी भौतिकी की वह शाखा है जो प्रकाश के व्यवहार और गुणों का अध्ययन करती है, जिसमें पदार्थ के साथ उसकी अंतःक्रिया और उसका उपयोग या पता लगाने वाले उपकरणों का निर्माण शामिल है। प्रकाशिकी आमतौर पर दृश्यमान, पराबैंगनी और अवरक्त प्रकाश के व्यवहार का वर्णन करती है। चूँकि प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, अन्य प्रकार के विद्युत चुम्बकीय विकिरण जैसे एक्स-रे, माइक्रोवेव और रेडियो तरंगें समान गुण प्रदर्शित करते हैं।[1]

प्रकाश के शास्त्रीय विद्युत चुम्बकीय विवरण का उपयोग करके अधिकांश ऑप्टिकल घटनाओं का हिसाब लगाया जा सकता है। हालाँकि, प्रकाश का पूर्ण विद्युत चुम्बकीय विवरण व्यवहार में लागू करना अक्सर मुश्किल होता है। व्यावहारिक प्रकाशिकी आमतौर पर सरलीकृत मॉडल का उपयोग करके किया जाता है। इनमें से सबसे आम, ज्यामितीय प्रकाशिकी, प्रकाश को उन किरणों के संग्रह के रूप में मानता है जो सीधी रेखाओं में यात्रा करती हैं और जब वे गुजरती हैं या सतहों से परावर्तित होती हैं तो झुक जाती हैं। भौतिक प्रकाशिकी प्रकाश का एक अधिक व्यापक मॉडल है, जिसमें विवर्तन और हस्तक्षेप जैसे तरंग प्रभाव शामिल हैं जिनका ज्यामितीय प्रकाशिकी में हिसाब नहीं किया जा सकता है। ऐतिहासिक रूप से, प्रकाश का किरण-आधारित मॉडल पहले विकसित किया गया था, उसके बाद प्रकाश का तरंग मॉडल विकसित किया गया था। 19वीं शताब्दी में विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत में प्रगति ने इस खोज को जन्म दिया कि प्रकाश तरंगें वास्तव में विद्युत चुम्बकीय विकिरण थीं।

कुछ घटनाएँ इस तथ्य पर निर्भर करती हैं कि प्रकाश में तरंग-समान और कण-समान दोनों गुण होते हैं। इन प्रभावों की व्याख्या के लिए क्वांटम यांत्रिकी की आवश्यकता होती है। प्रकाश के कण-समान गुणों पर विचार करते समय, प्रकाश को "फोटॉन" नामक कणों के संग्रह के रूप में तैयार किया जाता है। क्वांटम ऑप्टिक्स ऑप्टिकल सिस्टम के लिए क्वांटम यांत्रिकी के अनुप्रयोग से संबंधित है।

ऑप्टिकल विज्ञान खगोल विज्ञान, विभिन्न इंजीनियरिंग क्षेत्रों, फोटोग्राफी, और चिकित्सा (विशेष रूप से नेत्र विज्ञान और ऑप्टोमेट्री, जिसमें इसे शारीरिक प्रकाशिकी कहा जाता है) सहित कई संबंधित विषयों में प्रासंगिक और अध्ययन किया जाता है। प्रकाशिकी के व्यावहारिक अनुप्रयोग विभिन्न प्रकार की तकनीकों और रोजमर्रा की वस्तुओं में पाए जाते हैं, जिनमें दर्पण, लेंस, दूरबीन, सूक्ष्मदर्शी,

इतिहास

मुख्य लेख: प्रकाशिकी का इतिहास

यह भी देखें: विद्युत चुंबकत्व और शास्त्रीय प्रकाशिकी की समयरेखा

निमरुद लेंस

प्रकाशिकी की शुरुआत प्राचीन मिस्र और मेसोपोटामिया के लोगों द्वारा लेंस के विकास के साथ हुई थी। सबसे पहले ज्ञात लेंस, पॉलिश किए गए क्रिस्टल से बने, अक्सर क्वार्ट्ज, क्रेते (पुरातात्विक संग्रहालय हेराक्लिओन, ग्रीस) से 2000 ईसा पूर्व की तारीख से। रोड्स के लेंस लगभग 700 ईसा पूर्व के हैं, जैसे कि असीरियन लेंस जैसे निमरुड लेंस।[2] प्राचीन रोमन और यूनानियों ने लेंस बनाने के लिए कांच के गोले को पानी से भर दिया था। इन व्यावहारिक विकासों के बाद प्राचीन यूनानी और भारतीय दार्शनिकों द्वारा प्रकाश और दृष्टि के सिद्धांतों का विकास और ग्रीको-रोमन दुनिया में ज्यामितीय प्रकाशिकी का विकास हुआ। प्रकाशिकी शब्द प्राचीन ग्रीक शब्द ὀπτική (ऑप्टिकē) से आया है, जिसका अर्थ है "उपस्थिति, देखो"। [3]

प्रकाशिकी पर ग्रीक दर्शन दो विरोधी सिद्धांतों में विभाजित हो गया कि दृष्टि कैसे काम करती है, परिचय सिद्धांत और उत्सर्जन सिद्धांत। [4] इंट्रोमिशन दृष्टिकोण ने दृष्टि को उन वस्तुओं से आने के रूप में देखा जो स्वयं की प्रतियां (ईडोला कहा जाता है) जो आंखों द्वारा कब्जा कर ली गई थीं। डेमोक्रिटस, एपिकुरस, अरस्तू और उनके अनुयायियों सहित कई प्रचारकों के साथ, इस सिद्धांत का आधुनिक सिद्धांतों के साथ कुछ संपर्क है कि वास्तव में दृष्टि क्या है, लेकिन यह किसी भी प्रयोगात्मक नींव की कमी के बारे में केवल अटकलें ही रह गई।

प्लेटो ने सबसे पहले उत्सर्जन सिद्धांत को व्यक्त किया, यह विचार कि दृश्य धारणा आंखों द्वारा उत्सर्जित किरणों द्वारा प्राप्त की जाती है। उन्होंने तिमाईस में दर्पणों के समता उत्क्रमण पर भी टिप्पणी की। [5] लगभग सौ साल बाद, यूक्लिड (चौथी-तीसरी शताब्दी ईसा पूर्व) ने ऑप्टिक्स नामक एक ग्रंथ लिखा, जहां उन्होंने ज्यामितीय प्रकाशिकी का निर्माण करते हुए दृष्टि को ज्यामिति से जोड़ा। उन्होंने प्लेटो के उत्सर्जन सिद्धांत पर अपना काम आधारित किया जिसमें उन्होंने परिप्रेक्ष्य के गणितीय नियमों का वर्णन किया और अपवर्तन के प्रभावों का गुणात्मक रूप से वर्णन किया, हालांकि उन्होंने सवाल किया कि आंख से प्रकाश की किरण हर बार जब भी कोई पलक झपकाता है तो सितारों को तुरंत प्रकाशित कर सकता है।यूक्लिड ने प्रकाश के सबसे छोटे प्रक्षेपवक्र के सिद्धांत को बताया, और फ्लैट और गोलाकार दर्पणों पर कई प्रतिबिंबों पर विचार किया। टॉलेमी ने अपने ग्रंथ ऑप्टिक्स में, दृष्टि के एक एक्सट्रैक्शन-इंट्रोमिशन सिद्धांत का आयोजन किया: आंख से किरणों (या प्रवाह) ने एक शंकु बनाया, शीर्ष आंख के भीतर है, और आधार दृश्य क्षेत्र को परिभाषित करता है। किरणें संवेदनशील थीं, और सतह की दूरी और अभिविन्यास के बारे में पर्यवेक्षक की बुद्धि को जानकारी वापस भेज दी। उन्होंने यूक्लिड के बारे में बहुत कुछ संक्षेप में बताया और अपवर्तन के कोण को मापने के एक तरीके का वर्णन किया, हालांकि वे इसके और आपतन कोण के बीच अनुभवजन्य संबंध को नोटिस करने में विफल रहे। [8] प्लूटार्क (पहली-दूसरी शताब्दी ईस्वी) ने गोलाकार दर्पणों पर कई प्रतिबिंबों का वर्णन किया और छवियों की चिरलिटी के मामले सहित, वास्तविक और काल्पनिक दोनों, आवर्धित और कम छवियों के निर्माण पर चर्चा की।

अलहाज़ेन (इब्न अल-हेथम), "ऑप्टिक्स के पिता" [9]

इब्न साहल की पांडुलिपि के एक पृष्ठ का पुनरुत्पादन जिसमें अपवर्तन के नियम के बारे में उनका ज्ञान दिखाया गया है।

मध्य युग के दौरान, प्रकाशिकी के बारे में यूनानी विचारों को मुस्लिम दुनिया में लेखकों द्वारा पुनर्जीवित और विस्तारित किया गया था। इनमें से सबसे पहले में से एक अल-किंडी (सी। 801-873) था, जिसने प्रकाशिकी के अरिस्टोटेलियन और यूक्लिडियन विचारों के गुणों पर लिखा, उत्सर्जन सिद्धांत का समर्थन किया क्योंकि यह ऑप्टिकल घटना को बेहतर ढंग से माप सकता था। 984 में, फारसी गणितज्ञ इब्न सहल ने "ऑन बर्निंग मिरर्स एंड लेंस" ग्रंथ लिखा, जिसमें स्नेल के नियम के बराबर अपवर्तन के नियम का सही वर्णन किया गया था। [11] उन्होंने लेंस और घुमावदार दर्पणों के लिए इष्टतम आकार की गणना करने के लिए इस कानून का इस्तेमाल किया। 11वीं शताब्दी की शुरुआत में, अलहाज़ेन (इब्न अल-हेथम) ने प्रकाशिकी की पुस्तक (किताब अल-मनाज़िर) लिखी जिसमें उन्होंने परावर्तन और अपवर्तन की खोज की और अवलोकन और प्रयोग के आधार पर दृष्टि और प्रकाश की व्याख्या करने के लिए एक नई प्रणाली का प्रस्ताव रखा। [12] [13] [14] [15] [16] ।उन्होंने टॉलेमिक ऑप्टिक्स के "उत्सर्जन सिद्धांत" को खारिज कर दिया, इसकी किरणों को आंखों से उत्सर्जित किया जा रहा था, और इसके बजाय इस विचार को सामने रखा कि प्रकाश सभी दिशाओं में वस्तुओं के सभी बिंदुओं से सीधी रेखाओं में परिलक्षित होता है और फिर आंख में प्रवेश करता है, हालांकि वह आंखों ने किरणों को कैसे पकड़ लिया, यह सही ढंग से समझाने में असमर्थ था। [17] अल्हज़ेन के काम को अरबी दुनिया में बड़े पैमाने पर नज़रअंदाज किया गया था, लेकिन 1200 ईस्वी के आसपास इसका गुमनाम रूप से लैटिन में अनुवाद किया गया था और पोलिश भिक्षु विटेलो [18] द्वारा इसे संक्षेप में और विस्तारित किया गया था, जिससे यह अगले 400 वर्षों के लिए यूरोप में प्रकाशिकी पर एक मानक पाठ बन गया। ]

मध्ययुगीन यूरोप में 13 वीं शताब्दी में, अंग्रेजी बिशप रॉबर्ट ग्रोसेटेस्ट ने वैज्ञानिक विषयों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लिखा, और चार अलग-अलग दृष्टिकोणों से प्रकाश पर चर्चा की: प्रकाश की एक ज्ञानमीमांसा, प्रकाश की एक तत्वमीमांसा या ब्रह्मांड विज्ञान, एक एटियलजि या प्रकाश की भौतिकी, और एक प्रकाश का धर्मशास्त्र, [20] इसे अरस्तू और प्लेटोनिज़्म के कार्यों पर आधारित करता है। ग्रॉसेटेस्ट के सबसे प्रसिद्ध शिष्य, रोजर बेकन ने हाल ही में अनुवादित ऑप्टिकल और दार्शनिक कार्यों की एक विस्तृत श्रृंखला का हवाला देते हुए काम किया, जिनमें अल्हज़ेन, अरस्तू, एविसेना, एवर्रोज़, यूक्लिड, अल-किंडी, टॉलेमी, टाइडियस और कॉन्सटेंटाइन द अफ़्रीकी शामिल हैं। बेकन कांच के गोले के कुछ हिस्सों का उपयोग आवर्धक चश्मे के रूप में करने में सक्षम था ताकि यह प्रदर्शित किया जा सके कि प्रकाश वस्तुओं से मुक्त होने के बजाय उनसे परावर्तित होता है।

सबसे पहले पहनने योग्य चश्मों का आविष्कार इटली में 1286 के आसपास हुआ था। [21] यह इन "चश्मे" के लिए लेंस को पीसने और चमकाने के ऑप्टिकल उद्योग की शुरुआत थी, पहले तेरहवीं शताब्दी में वेनिस और फ्लोरेंस में, [22] और बाद में नीदरलैंड और जर्मनी दोनों में तमाशा बनाने के केंद्रों में। [23] तमाशा निर्माताओं ने दिन के अल्पविकसित ऑप्टिकल सिद्धांत का उपयोग करने के बजाय लेंस के प्रभावों को देखने से प्राप्त अनुभवजन्य ज्ञान के आधार पर दृष्टि के सुधार के लिए बेहतर प्रकार के लेंस बनाए (सिद्धांत जो अधिकांश भाग के लिए पर्याप्त रूप से यह भी नहीं बता सका कि चश्मा कैसे काम करता है) ).[24][25]। लेंस के साथ इस व्यावहारिक विकास, निपुणता और प्रयोग ने सीधे 1595 के आसपास यौगिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के आविष्कार की ओर अग्रसर किया, और 1608 में अपवर्तक दूरबीन, दोनों नीदरलैंड में तमाशा बनाने वाले केंद्रों में दिखाई दिए। [26] [27]

जोहान्स केप्लर द्वारा प्रकाशिकी के बारे में पहला ग्रंथ, एड विटेलिओनम पैरालिपोमेना क्विबस एस्ट्रोनोमिया पार्स ऑप्टिका ट्रेडिटुर (1604)

17 वीं शताब्दी की शुरुआत में, जोहान्स केप्लर ने अपने लेखन में ज्यामितीय प्रकाशिकी पर विस्तार किया, लेंस को कवर किया, फ्लैट और घुमावदार दर्पणों द्वारा प्रतिबिंब, पिनहोल कैमरों के सिद्धांत, प्रकाश की तीव्रता को नियंत्रित करने वाले व्युत्क्रम-वर्ग कानून, और खगोलीय घटनाओं के ऑप्टिकल स्पष्टीकरण जैसे कि चंद्र और सौर ग्रहण और खगोलीय लंबन के रूप में। वह छवियों को रिकॉर्ड करने वाले वास्तविक अंग के रूप में रेटिना की भूमिका को सही ढंग से निकालने में भी सक्षम था, अंततः विभिन्न प्रकार के लेंसों के प्रभावों को वैज्ञानिक रूप से मापने में सक्षम था जो कि पिछले 300 वर्षों में चश्मा निर्माता देख रहे थे। [28] दूरबीन के आविष्कार के बाद, केप्लर ने सैद्धांतिक आधार निर्धारित किया कि वे कैसे काम करते हैं और एक बेहतर संस्करण का वर्णन करते हैं, जिसे केप्लरियन टेलीस्कोप के रूप में जाना जाता है, जिसमें दो उत्तल लेंसों का उपयोग करके उच्च आवर्धन उत्पन्न किया जाता है। [29]

न्यूटन ऑप्टिक्स के पहले संस्करण का कवर (1704)

ऑप्टिकल सिद्धांत 17वीं शताब्दी के मध्य में दार्शनिक रेने डेसकार्टेस द्वारा लिखे गए ग्रंथों के साथ आगे बढ़ा, जिसमें यह मानकर कि प्रकाश उन वस्तुओं द्वारा उत्सर्जित होता है जो इसे उत्पन्न करते हैं, प्रतिबिंब और अपवर्तन सहित विभिन्न प्रकार की ऑप्टिकल घटनाओं की व्याख्या करते हैं। [30] यह प्राचीन यूनानी उत्सर्जन सिद्धांत से काफी भिन्न था। 1660 के दशक के अंत और 1670 के दशक की शुरुआत में, आइजैक न्यूटन ने डेसकार्टेस के विचारों को प्रकाश के एक कॉर्पसकल सिद्धांत में विस्तारित किया, जो प्रसिद्ध रूप से यह निर्धारित करता था कि सफेद प्रकाश रंगों का मिश्रण था जिसे प्रिज्म के साथ इसके घटक भागों में अलग किया जा सकता है। 1690 में, क्रिस्टियान ह्यूजेंस ने 1664 में रॉबर्ट हुक द्वारा किए गए सुझावों के आधार पर प्रकाश के लिए एक तरंग सिद्धांत का प्रस्ताव रखा।हुक ने स्वयं न्यूटन के प्रकाश के सिद्धांतों की सार्वजनिक रूप से आलोचना की और दोनों के बीच का झगड़ा हुक की मृत्यु तक चला। 1704 में, न्यूटन ने ऑप्टिक्स प्रकाशित किया और उस समय, आंशिक रूप से भौतिकी के अन्य क्षेत्रों में उनकी सफलता के कारण, उन्हें आम तौर पर प्रकाश की प्रकृति पर बहस में विजेता माना जाता था।

न्यूटनियन प्रकाशिकी को आम तौर पर 19वीं शताब्दी की शुरुआत तक स्वीकार किया गया था जब थॉमस यंग और ऑगस्टिन-जीन फ्रेस्नेल ने प्रकाश के हस्तक्षेप पर प्रयोग किए जिसने प्रकाश की तरंग प्रकृति को मजबूती से स्थापित किया। यंग के प्रसिद्ध डबल स्लिट प्रयोग से पता चला है कि प्रकाश सुपरपोजिशन सिद्धांत का पालन करता है, जो एक तरंग जैसी संपत्ति है जिसकी भविष्यवाणी न्यूटन के कॉर्पसकल सिद्धांत द्वारा नहीं की गई है। इस कार्य ने प्रकाश के लिए विवर्तन के सिद्धांत को जन्म दिया और भौतिक प्रकाशिकी में अध्ययन के एक पूरे क्षेत्र को खोल दिया। [31] 1860 के दशक में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा वेव ऑप्टिक्स को विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत के साथ सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया था। [32]ऑप्टिकल सिद्धांत में अगला विकास 1899 में हुआ जब मैक्स प्लैंक ने यह मानकर ब्लैकबॉडी रेडिएशन का सही मॉडल तैयार किया कि प्रकाश और पदार्थ के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान केवल असतत मात्रा में होता है जिसे उन्होंने क्वांटा कहा था। 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्रकाश-विद्युत प्रभाव के सिद्धांत को प्रकाशित किया जिसने स्वयं प्रकाश के परिमाणीकरण को दृढ़ता से स्थापित किया। [34] [35] 1913 में, नील्स बोहर ने दिखाया कि परमाणु केवल असतत मात्रा में ऊर्जा का उत्सर्जन कर सकते हैं, इस प्रकार उत्सर्जन और अवशोषण स्पेक्ट्रा में देखी गई असतत रेखाओं की व्याख्या करते हैं। इन विकासों के बाद प्रकाश और पदार्थ के बीच बातचीत की समझ ने न केवल क्वांटम ऑप्टिक्स का आधार बनाया, बल्कि समग्र रूप से क्वांटम यांत्रिकी के विकास के लिए भी महत्वपूर्ण था। अंतिम परिणति, क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स का सिद्धांत, वास्तविक और आभासी फोटॉनों के आदान-प्रदान के परिणाम के रूप में सामान्य रूप से सभी प्रकाशिकी और विद्युत चुम्बकीय प्रक्रियाओं की व्याख्या करता है। 1953 में मेसर और 1960 में लेजर के आविष्कारों के साथ क्वांटम ऑप्टिक्स ने व्यावहारिक महत्व प्राप्त किया। [38]

क्वांटम फील्ड थ्योरी में पॉल डिराक के काम के बाद, जॉर्ज सुदर्शन, रॉय जे। ग्लौबर और लियोनार्ड मंडेल ने फोटोडेटेक्शन और प्रकाश के आंकड़ों की अधिक विस्तृत समझ हासिल करने के लिए 1950 और 1960 के दशक में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में क्वांटम सिद्धांत को लागू किया।

शास्त्रीय प्रकाशिकी

शास्त्रीय प्रकाशिकी को दो मुख्य शाखाओं में विभाजित किया गया है: ज्यामितीय (या किरण) प्रकाशिकी और भौतिक (या तरंग) प्रकाशिकी। ज्यामितीय प्रकाशिकी में, प्रकाश को सीधी रेखाओं में यात्रा करने के लिए माना जाता है, जबकि भौतिक प्रकाशिकी में, प्रकाश को विद्युत चुम्बकीय तरंग माना जाता है।

ज्यामितीय प्रकाशिकी को भौतिक प्रकाशिकी के एक सन्निकटन के रूप में देखा जा सकता है जो तब लागू होता है जब उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की तरंगदैर्घ्य मॉडल किए जा रहे सिस्टम में ऑप्टिकल तत्वों के आकार से बहुत छोटा होता है।ऑप्टिकल सिद्धांत में अगला विकास 1899 में हुआ जब मैक्स प्लैंक ने यह मानकर ब्लैकबॉडी रेडिएशन का सही मॉडल तैयार किया कि प्रकाश और पदार्थ के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान केवल असतत मात्रा में होता है जिसे उन्होंने क्वांटा कहा था। 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्रकाश-विद्युत प्रभाव के सिद्धांत को प्रकाशित किया जिसने स्वयं प्रकाश के परिमाणीकरण को दृढ़ता से स्थापित किया। [34] [35] 1913 में, नील्स बोहर ने दिखाया कि परमाणु केवल असतत मात्रा में ऊर्जा का उत्सर्जन कर सकते हैं, इस प्रकार उत्सर्जन और अवशोषण स्पेक्ट्रा में देखी गई असतत रेखाओं की व्याख्या करते हैं। इन विकासों के बाद प्रकाश और पदार्थ के बीच बातचीत की समझ ने न केवल क्वांटम ऑप्टिक्स का आधार बनाया, बल्कि समग्र रूप से क्वांटम यांत्रिकी के विकास के लिए भी महत्वपूर्ण था। अंतिम परिणति, क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स का सिद्धांत, वास्तविक और आभासी फोटॉनों के आदान-प्रदान के परिणाम के रूप में सामान्य रूप से सभी प्रकाशिकी और विद्युत चुम्बकीय प्रक्रियाओं की व्याख्या करता है। 1953 में मेसर और 1960 में लेजर के आविष्कारों के साथ क्वांटम ऑप्टिक्स ने व्यावहारिक महत्व प्राप्त किया। [38]

क्वांटम फील्ड थ्योरी में पॉल डिराक के काम के बाद, जॉर्ज सुदर्शन, रॉय जे। ग्लौबर और लियोनार्ड मंडेल ने फोटोडेटेक्शन और प्रकाश के आंकड़ों की अधिक विस्तृत समझ हासिल करने के लिए 1950 और 1960 के दशक में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में क्वांटम सिद्धांत को लागू किया।ज्यामितीय प्रकाशिकी को भौतिक प्रकाशिकी के एक सन्निकटन के रूप में देखा जा सकता है जो तब लागू होता है जब उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की तरंगदैर्घ्य मॉडल किए जा रहे सिस्टम में ऑप्टिकल तत्वों के आकार से बहुत छोटा होता है।

ज्यामितीय प्रकाशिकी

मुख्य लेख: ज्यामितीय प्रकाशिकी

प्रकाश किरणों के परावर्तन और अपवर्तन की ज्यामिति

ज्यामितीय प्रकाशिकी, या किरण प्रकाशिकी, "किरणों" के संदर्भ में प्रकाश के प्रसार का वर्णन करती है जो सीधी रेखाओं में यात्रा करती हैं, और जिनके पथ विभिन्न मीडिया के बीच इंटरफेस पर परावर्तन और अपवर्तन के नियमों द्वारा नियंत्रित होते हैं। [39] इन कानूनों को आनुभविक रूप से 984 ई.[11] तक खोजा गया था और तब से लेकर आज तक ऑप्टिकल घटकों और उपकरणों के डिजाइन में उपयोग किया जाता रहा है। उन्हें संक्षेप में निम्नानुसार किया जा सकता है:

जब प्रकाश की किरण दो पारदर्शी पदार्थों के बीच की सीमा से टकराती है, तो वह परावर्तित और अपवर्तित किरण में विभाजित हो जाती है।

   परावर्तन का नियम कहता है कि परावर्तित किरण आपतन तल में होती है और परावर्तन कोण आपतन कोण के बराबर होता है।

   अपवर्तन का नियम कहता है कि अपवर्तित किरण आपतन तल में होती है, और अपवर्तन कोण की ज्या से विभाजित आपतन कोण की ज्या एक स्थिरांक होती है:

       पाप 1 पाप ⁡ θ 2 = n {\displaystyle {\frac {\sin {\theta _{1}}}{\sin {\theta _{2}}}}=n} {\frac {\sin {\थीटा _{1}}}{\पाप {\थीटा _{2}}}}=n,

जहाँ n किन्हीं दो पदार्थों और प्रकाश के दिए गए रंग के लिए एक स्थिरांक है। यदि पहली सामग्री वायु या निर्वात है, तो n दूसरी सामग्री का अपवर्तनांक है।

परावर्तन और अपवर्तन के नियमों को फ़र्मेट के सिद्धांत से प्राप्त किया जा सकता है जिसमें कहा गया है कि प्रकाश की किरण द्वारा दो बिंदुओं के बीच लिया गया पथ वह पथ है जिसे कम से कम समय में पार किया जा सकता है। [40]

अनुमान

ज्यामितीय प्रकाशिकी को अक्सर पैराएक्सियल सन्निकटन, या "छोटे कोण सन्निकटन" बनाकर सरल बनाया जाता है। गणितीय व्यवहार तब रैखिक हो जाता है, जिससे ऑप्टिकल घटकों और प्रणालियों को सरल मैट्रिक्स द्वारा वर्णित किया जा सकता है।यह गाऊसी प्रकाशिकी और पराअक्षीय किरण अनुरेखण की तकनीकों की ओर ले जाता है, जिनका उपयोग ऑप्टिकल प्रणालियों के मूल गुणों को खोजने के लिए किया जाता है, जैसे कि अनुमानित छवि और वस्तु की स्थिति और आवर्धन। [41]

कुछ विचार

मुख्य लेख: परावर्तन (भौतिकी)

स्पेक्युलर परावर्तन का आरेख

प्रतिबिंबों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: स्पेक्युलर परावर्तन और फैलाना प्रतिबिंब। स्पेक्युलर परावर्तन दर्पण जैसी सतहों की चमक का वर्णन करता है, जो प्रकाश को सरल, पूर्वानुमेय तरीके से प्रतिबिंबित करते हैं। यह प्रतिबिंबित छवियों के उत्पादन की अनुमति देता है जो अंतरिक्ष में वास्तविक (वास्तविक) या एक्सट्रपलेटेड (आभासी) स्थान से जुड़ा हो सकता है। डिफ्यूज़ रिफ्लेक्शन गैर-चमकदार सामग्री, जैसे कागज या चट्टान का वर्णन करता है। सामग्री की सूक्ष्म संरचना के आधार पर परावर्तित प्रकाश के सटीक वितरण के साथ, इन सतहों से प्रतिबिंबों को केवल सांख्यिकीय रूप से वर्णित किया जा सकता है। कई फैलाना परावर्तकों का वर्णन किया गया है या लैम्बर्ट के कोसाइन कानून द्वारा अनुमानित किया जा सकता है, जो किसी भी कोण से देखे जाने पर समान चमक वाले सतहों का वर्णन करता है। चमकदार सतहें स्पेक्युलर और विसरित प्रतिबिंब दोनों दे सकती हैं।

स्पेक्युलर परावर्तन में, परावर्तित किरण की दिशा उस कोण से निर्धारित होती है, जिस पर आपतित किरण सतह को सामान्य बनाती है, उस बिंदु पर सतह के लंबवत रेखा जहां किरण टकराती है। आपतित और परावर्तित किरणें और अभिलंब एक ही तल में होते हैं, और परावर्तित किरण और सतह अभिलंब के बीच का कोण वही होता है जो आपतित किरण और अभिलंब के बीच होता है। [42] इसे परावर्तन के नियम के रूप में जाना जाता है।समतल दर्पणों के लिए, परावर्तन के नियम का अर्थ है कि वस्तुओं के प्रतिबिम्ब सीधे और दर्पण के पीछे उतनी ही दूरी पर होते हैं जितनी कि वस्तुएँ दर्पण के सामने होती हैं। छवि का आकार वस्तु के आकार के समान है। कानून का यह भी अर्थ है कि दर्पण की छवियां समता उलटी होती हैं, जिसे हम बाएं-दाएं उलटा के रूप में देखते हैं। दो (या किसी भी सम संख्या) दर्पणों में परावर्तन से बनने वाले प्रतिबिम्ब उल्टे समता नहीं होते हैं। कॉर्नर परावर्तक परावर्तित किरणें उत्पन्न करते हैं जो उस दिशा में वापस यात्रा करती हैं जहां से आपतित किरणें आई थीं। [42] इसे रेट्रोरिफ्लेक्शन कहते हैं।

घुमावदार सतहों वाले दर्पणों को किरण अनुरेखण और सतह पर प्रत्येक बिंदु पर परावर्तन के नियम का उपयोग करके बनाया जा सकता है। परवलयिक सतहों वाले दर्पणों के लिए, दर्पण पर आपतित समानांतर किरणें परावर्तित किरणें उत्पन्न करती हैं जो एक सामान्य फोकस पर अभिसरित होती हैं। अन्य घुमावदार सतहें भी प्रकाश पर ध्यान केंद्रित कर सकती हैं, लेकिन विचलन के साथ आकार के विचलन के कारण अंतरिक्ष में फोकस को धुंधला कर दिया जाता है। विशेष रूप से, गोलाकार दर्पण गोलाकार विपथन प्रदर्शित करते हैं। घुमावदार दर्पण एक से अधिक या उससे कम आवर्धन वाली छवियां बना सकते हैं, और आवर्धन नकारात्मक हो सकता है, यह दर्शाता है कि छवि उलटी है। दर्पण में परावर्तन से बनने वाला सीधा प्रतिबिम्ब हमेशा आभासी होता है, जबकि उल्टा प्रतिबिम्ब वास्तविक होता है और इसे परदे पर प्रक्षेपित किया जा सकता है।

अपवर्तन

मुख्य लेख: अपवर्तन

मामले n1 < n2 के लिए स्नेल के नियम का चित्रण, जैसे वायु/जल इंटरफ़ेस

अपवर्तन तब होता है जब प्रकाश अंतरिक्ष के एक ऐसे क्षेत्र से होकर गुजरता है जिसमें अपवर्तन का परिवर्तनशील सूचकांक होता है; यह सिद्धांत लेंस और प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देता है। अपवर्तन का सबसे सरल मामला तब होता है जब अपवर्तन सूचकांक के साथ एक समान माध्यम के बीच एक इंटरफेस होता है n 1 {\displaystyle n_{1}} n_{1} और दूसरा माध्यम अपवर्तन के सूचकांक के साथ n 2 {\displaystyle n_{2}} एन_{2}. ऐसी स्थितियों में, स्नेल का नियम प्रकाश किरण के परिणामी विक्षेपण का वर्णन करता है:

   n 1 पाप θ 1 = n 2 पाप ⁡ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\ } n_{1}\sin \ थीटा _{1}=n_{2}\sin \थीटा _{2}\

जहां θ 1 {\displaystyle \theta _{1}} \theta _{1} और θ 2 {\displaystyle \theta _{2}} \theta _{2} सामान्य (इंटरफ़ेस के लिए) और के बीच के कोण हैं क्रमशः घटना और अपवर्तित तरंगें। [42]

किसी माध्यम के अपवर्तन का सूचकांक उस माध्यम में प्रकाश की गति, v, से संबंधित होता है

   n = c / v {\displaystyle n=c/v} {\displaystyle n=c/v},

जहाँ c निर्वात में प्रकाश की गति है।

स्नेल के नियम का उपयोग प्रकाश किरणों के विक्षेपण की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है क्योंकि वे रैखिक मीडिया से गुजरते हैं जब तक कि अपवर्तन के सूचकांक और मीडिया की ज्यामिति ज्ञात हो। उदाहरण के लिए, प्रिज्म के माध्यम से प्रकाश के प्रसार के परिणामस्वरूप प्रकाश की किरण प्रिज्म के आकार और अभिविन्यास के आधार पर विक्षेपित हो जाती है। अधिकांश सामग्रियों में, अपवर्तन का सूचकांक प्रकाश की आवृत्ति के साथ बदलता रहता है। इसे ध्यान में रखते हुए, स्नेल के नियम का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है कि एक प्रिज्म प्रकाश को एक स्पेक्ट्रम में कैसे फैलाएगा। एक प्रिज्म के माध्यम से प्रकाश पारित करते समय इस घटना की खोज का श्रेय आइजैक न्यूटन को दिया जाता है। [42]

कुछ मीडिया में अपवर्तन का एक सूचकांक होता है जो धीरे-धीरे स्थिति के साथ बदलता रहता है और इसलिए, माध्यम में प्रकाश किरणें घुमावदार होती हैं।यह प्रभाव गर्म दिनों में देखे जाने वाले मृगतृष्णा के लिए जिम्मेदार है: ऊंचाई के साथ अपवर्तन हवा के सूचकांक में परिवर्तन से प्रकाश किरणें झुक जाती हैं, जिससे दूरी में स्पेक्युलर परावर्तन (जैसे कि पानी के एक पूल की सतह पर) का आभास होता है। अपवर्तन के अलग-अलग सूचकांक वाली ऑप्टिकल सामग्री को ग्रेडिएंट-इंडेक्स (GRIN) सामग्री कहा जाता है। ऐसी सामग्री का उपयोग ढाल-सूचकांक प्रकाशिकी बनाने के लिए किया जाता है। [43]

उच्च अपवर्तन सूचकांक वाली सामग्री से कम अपवर्तन सूचकांक वाली सामग्री की ओर जाने वाली प्रकाश किरणों के लिए, स्नेल का नियम भविष्यवाणी करता है कि जब 1 {\displaystyle \थीटा _{1}} \थीटा _{1} बड़ा है। इस मामले में, कोई संचरण नहीं होता है; सभी प्रकाश परिलक्षित होता है। इस घटना को पूर्ण आंतरिक परावर्तन कहा जाता है और फाइबर ऑप्टिक्स प्रौद्योगिकी के लिए अनुमति देता है। जैसे-जैसे प्रकाश एक ऑप्टिकल फाइबर से नीचे की ओर जाता है, यह पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरता है जिससे केबल की लंबाई में अनिवार्य रूप से कोई प्रकाश नष्ट नहीं होता है। [42]

लेंस

एक उपकरण जो अपवर्तन के कारण प्रकाश किरणों को अभिसारी या अपसारी करता है, लेंस के रूप में जाना जाता है। लेंस को उनकी फोकल लंबाई की विशेषता होती है: एक अभिसारी लेंस में सकारात्मक फोकल लंबाई होती है, जबकि एक अपसारी लेंस में नकारात्मक फोकल लंबाई होती है। छोटी फोकल लंबाई इंगित करती है कि लेंस में एक मजबूत अभिसरण या विचलन प्रभाव होता है। हवा में एक साधारण लेंस की फोकल लंबाई लेंसमेकर के समीकरण द्वारा दी जाती है। [44]

रे ट्रेसिंग का उपयोग यह दिखाने के लिए किया जा सकता है कि लेंस द्वारा चित्र कैसे बनते हैं। हवा में पतले लेंस के लिए, छवि का स्थान सरल समीकरण द्वारा दिया जाता है

   1 एस 1 1 एस 2 = 1 एफ {\displaystyle {\frac {1}{S_{1}}} {\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}}} {\frac {1}{S_{1}}} {\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}},

जहाँ S 1 {\displaystyle S_{1}} S_{1} वस्तु से लेंस की दूरी है, S 2 {\displaystyle S_{2}} S_{2} लेंस से छवि की दूरी है, और f {\displaystyle f} f लेंस की फोकस दूरी है। यहां इस्तेमाल किए गए साइन कन्वेंशन में, वस्तु और छवि की दूरी सकारात्मक होती है यदि वस्तु और छवि लेंस के विपरीत दिशा में हों। [44]

लेंस1.एसवीजी

आने वाली समानांतर किरणें एक अभिसारी लेंस द्वारा लेंस के दूर की ओर लेंस से एक फोकल लंबाई के स्थान पर केंद्रित होती हैं। इसे लेंस का पिछला फोकल बिंदु कहा जाता है। एक सीमित दूरी पर किसी वस्तु से किरणें फोकल दूरी की तुलना में लेंस से अधिक केंद्रित होती हैं; वस्तु लेंस के जितना करीब होती है, छवि लेंस से उतनी ही दूर होती है।

अपसारी लेंस के साथ, आने वाली समानांतर किरणें लेंस से गुजरने के बाद विचलन करती हैं, इस तरह से कि वे लेंस के सामने एक फोकल लंबाई के स्थान पर उत्पन्न होती हैं। यह लेंस का फ्रंट फोकल पॉइंट है। एक सीमित दूरी पर एक वस्तु से किरणें एक आभासी छवि से जुड़ी होती हैं जो फोकल बिंदु की तुलना में लेंस के करीब होती है, और लेंस के एक ही तरफ वस्तु के रूप में होती है।वस्तु लेंस के जितना करीब होती है, आभासी छवि लेंस के उतनी ही करीब होती है। दर्पणों की तरह, एकल लेंस द्वारा निर्मित सीधे प्रतिबिम्ब आभासी होते हैं, जबकि उलटे प्रतिबिम्ब वास्तविक होते हैं। [42]

लेंस विपथन से ग्रस्त हैं जो छवियों को विकृत करते हैं। मोनोक्रोमैटिक विपथन इसलिए होता है क्योंकि लेंस की ज्यामिति प्रत्येक वस्तु बिंदु से छवि पर एक बिंदु तक किरणों को पूरी तरह से निर्देशित नहीं करती है, जबकि रंगीन विपथन इसलिए होता है क्योंकि लेंस के अपवर्तन का सूचकांक प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के साथ बदलता रहता है। [42]

भौतिक प्रकाशिकी

मुख्य लेख: भौतिक प्रकाशिकी

भौतिक प्रकाशिकी में, प्रकाश को तरंग के रूप में प्रचारित माना जाता है। यह मॉडल हस्तक्षेप और विवर्तन जैसी घटनाओं की भविष्यवाणी करता है, जिन्हें ज्यामितीय प्रकाशिकी द्वारा समझाया नहीं जाता है। हवा में प्रकाश तरंगों की गति लगभग 3.0×108 m/s (निर्वात में ठीक 299,792,458 m/s) होती है। दृश्य प्रकाश तरंगों की तरंग दैर्ध्य 400 और 700 एनएम के बीच भिन्न होती है, लेकिन "प्रकाश" शब्द अक्सर इन्फ्रारेड (0.7-300 माइक्रोन) और पराबैंगनी विकिरण (10-400 एनएम) पर भी लागू होता है।

तरंग मॉडल का उपयोग भविष्यवाणियां करने के लिए किया जा सकता है कि किस माध्यम में "लहराते" की व्याख्या की आवश्यकता के बिना एक ऑप्टिकल सिस्टम कैसे व्यवहार करेगा। 19वीं शताब्दी के मध्य तक, अधिकांश भौतिक विज्ञानी एक "ईथर" माध्यम में विश्वास करते थे जिसमें प्रकाश विक्षोभ फैलता था। [45] 1865 में मैक्सवेल के समीकरणों द्वारा विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की गई थी। ये तरंगें प्रकाश की गति से फैलती हैं और इनमें अलग-अलग विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र होते हैं जो एक दूसरे के लिए ओर्थोगोनल होते हैं, और तरंगों के प्रसार की दिशा में भी होते हैं। [46] प्रकाश तरंगों को अब आम तौर पर विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में माना जाता है, सिवाय इसके कि जब क्वांटम यांत्रिक प्रभावों पर विचार किया जाए।

भौतिक प्रकाशिकी का उपयोग करके ऑप्टिकल सिस्टम की मॉडलिंग और डिजाइन

ऑप्टिकल सिस्टम के विश्लेषण और डिजाइन के लिए कई सरलीकृत अनुमान उपलब्ध हैं। इनमें से अधिकतर ऑर्थोगोनल इलेक्ट्रिक और चुंबकीय वैक्टर वाले वेक्टर मॉडल का उपयोग करने के बजाय, प्रकाश तरंग के विद्युत क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करने के लिए एकल स्केलर मात्रा का उपयोग करते हैं। ह्यूजेंस-फ्रेस्नेल समीकरण ऐसा ही एक मॉडल है। यह ह्यूजेन्स की परिकल्पना के आधार पर 1815 में फ्रेस्नेल द्वारा आनुभविक रूप से प्राप्त किया गया था कि वेवफ्रंट पर प्रत्येक बिंदु एक द्वितीयक गोलाकार वेवफ्रंट उत्पन्न करता है, जिसे फ्रेस्नेल ने तरंगों के सुपरपोजिशन के सिद्धांत के साथ जोड़ा। किरचॉफ विवर्तन समीकरण, जो मैक्सवेल के समीकरणों का उपयोग करके प्राप्त किया गया है, ह्यूजेंस-फ्रेस्नेल समीकरण को एक मजबूत भौतिक आधार पर रखता है।

सुपरपोजिशन और हस्तक्षेप

मुख्य लेख: सुपरपोजिशन सिद्धांत और हस्तक्षेप (प्रकाशिकी)

गैर-रेखीय प्रभावों की अनुपस्थिति में, गड़बड़ी के सरल जोड़ के माध्यम से परस्पर क्रिया तरंगों के आकार की भविष्यवाणी करने के लिए सुपरपोजिशन सिद्धांत का उपयोग किया जा सकता है। [50] परिणामी पैटर्न बनाने के लिए तरंगों की इस बातचीत को आम तौर पर "हस्तक्षेप" कहा जाता है और इसके परिणामस्वरूप विभिन्न परिणाम हो सकते हैं। यदि समान तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति की दो तरंगें चरण में हैं, तो तरंग शिखर और तरंग गर्त दोनों संरेखित होते हैं। इसके परिणामस्वरूप रचनात्मक हस्तक्षेप होता है और तरंग के आयाम में वृद्धि होती है, जो प्रकाश के लिए उस स्थान पर तरंग के चमकने से जुड़ा होता है। वैकल्पिक रूप से, यदि एक ही तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति की दो तरंगें चरण से बाहर हैं, तो तरंग शिखर तरंग गर्त के साथ संरेखित होंगे और इसके विपरीत। इसके परिणामस्वरूप विनाशकारी हस्तक्षेप होता है और तरंग के आयाम में कमी आती है, जो प्रकाश के लिए उस स्थान पर तरंग के कम होने से जुड़ा होता है। इस आशय के उदाहरण के लिए नीचे देखें।[50]

चूंकि ह्यूजेंस-फ्रेस्नेल सिद्धांत कहता है कि एक तरंगफ्रंट का प्रत्येक बिंदु एक नए विक्षोभ के उत्पादन से जुड़ा होता है, इसलिए वेवफ्रंट के लिए यह संभव है कि वह नियमित और अनुमानित पैटर्न में उज्ज्वल और अंधेरे फ्रिंज का उत्पादन करने वाले विभिन्न स्थानों पर रचनात्मक या विनाशकारी रूप से हस्तक्षेप करे। [50] इंटरफेरोमेट्री इन पैटर्नों को मापने का विज्ञान है, आमतौर पर दूरियों या कोणीय संकल्पों का सटीक निर्धारण करने के साधन के रूप में। [51] माइकलसन इंटरफेरोमीटर एक प्रसिद्ध उपकरण था जो प्रकाश की गति को सटीक रूप से मापने के लिए हस्तक्षेप प्रभाव का उपयोग करता था। [52]

पतली फिल्मों और कोटिंग्स की उपस्थिति सीधे हस्तक्षेप प्रभाव से प्रभावित होती है। एंटीरेफ्लेक्टिव कोटिंग्स उन सतहों की परावर्तनशीलता को कम करने के लिए विनाशकारी हस्तक्षेप का उपयोग करती हैं, और इसका उपयोग चकाचौंध और अवांछित प्रतिबिंबों को कम करने के लिए किया जा सकता है। सबसे सरल मामला एक परत है जिसकी मोटाई आपतित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की एक चौथाई है। फिल्म के ऊपर से परावर्तित तरंग और फिल्म/सामग्री इंटरफेस से परावर्तित तरंग तब चरण से ठीक 180° बाहर होती है, जिससे विनाशकारी हस्तक्षेप होता है। तरंगें केवल एक तरंग दैर्ध्य के लिए चरण से बाहर होती हैं, जिसे आमतौर पर दृश्यमान स्पेक्ट्रम के केंद्र के पास चुना जाएगा, लगभग 550 एनएम। कई परतों का उपयोग करने वाले अधिक जटिल डिजाइन एक व्यापक बैंड पर कम परावर्तकता प्राप्त कर सकते हैं, या एकल तरंग दैर्ध्य पर बेहद कम परावर्तनशीलता प्राप्त कर सकते हैं।

पतली फिल्मों में रचनात्मक हस्तक्षेप तरंग दैर्ध्य की एक श्रृंखला में प्रकाश का एक मजबूत प्रतिबिंब बना सकता है, जो कोटिंग के डिजाइन के आधार पर संकीर्ण या व्यापक हो सकता है। इन फिल्मों का उपयोग रंगीन टेलीविजन कैमरों में रंग पृथक्करण के लिए ढांकता हुआ दर्पण, हस्तक्षेप फिल्टर, गर्मी परावर्तक और फिल्टर बनाने के लिए किया जाता है। यह हस्तक्षेप प्रभाव भी तेल की छड़ियों में दिखाई देने वाले रंगीन इंद्रधनुषी पैटर्न का कारण बनता है। [50]

विवर्तन और ऑप्टिकल संकल्प

मुख्य लेख: विवर्तन और ऑप्टिकल संकल्प

दूरी d {\displaystyle d} d द्वारा अलग किए गए दो स्लिट्स पर विवर्तन। चमकीले फ्रिंज उन रेखाओं के साथ होते हैं जहाँ काली रेखाएँ काली रेखाओं के साथ प्रतिच्छेद करती हैं और सफेद रेखाएँ सफेद रेखाओं के साथ प्रतिच्छेद करती हैं। इन फ्रिंजों को कोण θ {\displaystyle \theta } \theta द्वारा अलग किया जाता है और इन्हें क्रम n {\displaystyle n} n के रूप में क्रमांकित किया जाता है।

विवर्तन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा प्रकाश का व्यतिकरण सबसे अधिक देखा जाता है। प्रभाव का वर्णन पहली बार 1665 में फ्रांसेस्को मारिया ग्रिमाल्डी द्वारा किया गया था, जिन्होंने लैटिन डिफ्रेंजियर से भी शब्द गढ़ा था, 'टू ब्रेक इन पीस'।[53][54] बाद में उस सदी में, रॉबर्ट हुक और आइजैक न्यूटन ने उन घटनाओं का भी वर्णन किया जिन्हें अब न्यूटन के छल्ले में विवर्तन के रूप में जाना जाता है [55] जबकि जेम्स ग्रेगरी ने पक्षी के पंखों से विवर्तन पैटर्न के अपने अवलोकन दर्ज किए।

ह्यूजेंस-फ्रेस्नेल सिद्धांत पर निर्भर विवर्तन का पहला भौतिक प्रकाशिकी मॉडल 1803 में थॉमस यंग द्वारा दो निकट दूरी वाले स्लिट्स के हस्तक्षेप पैटर्न के साथ अपने हस्तक्षेप प्रयोगों में विकसित किया गया था। यंग ने दिखाया कि उसके परिणामों की व्याख्या तभी की जा सकती है जब दो झिल्लियों ने कणिकाओं के बजाय तरंगों के दो अद्वितीय स्रोतों के रूप में काम किया हो। [57] 1815 और 1818 में, ऑगस्टिन-जीन फ्रेस्नेल ने गणित को मजबूती से स्थापित किया कि कैसे तरंग हस्तक्षेप विवर्तन के लिए जिम्मेदार हो सकता है। [44]

विवर्तन के सबसे सरल भौतिक मॉडल समीकरणों का उपयोग करते हैं जो एक विशेष तरंग दैर्ध्य (λ) के प्रकाश के कारण प्रकाश और अंधेरे फ्रिंज के कोणीय पृथक्करण का वर्णन करते हैं। सामान्य तौर पर, समीकरण रूप लेता है

   m λ = d sin θ {\displaystyle m\lambda =d\sin \theta } m \lambda = d \sin \theta

जहां d {\displaystyle d} d दो वेवफ्रंट स्रोतों के बीच अलगाव है (यंग के प्रयोगों के मामले में, यह दो स्लिट थे), θ {\displaystyle \theta } \theta केंद्रीय फ्रिंज और m { के बीच कोणीय अलगाव है। \displaystyle m} mth ऑर्डर फ्रिंज, जहां केंद्रीय अधिकतम m = 0 है {\displaystyle m=0} m=0.[58]

विभिन्न स्थितियों को ध्यान में रखते हुए इस समीकरण को थोड़ा संशोधित किया गया है, जैसे एकल अंतराल के माध्यम से विवर्तन, कई झिल्लियों के माध्यम से विवर्तन, या विवर्तन झंझरी के माध्यम से विवर्तन जिसमें समान दूरी पर बड़ी संख्या में स्लिट होते हैं। [58] विवर्तन के अधिक जटिल मॉडल के लिए फ्रेस्नेल या फ्रौनहोफर विवर्तन के गणित के साथ काम करने की आवश्यकता होती है। [59]

एक्स-रे विवर्तन इस तथ्य का उपयोग करता है कि एक क्रिस्टल में परमाणुओं की दूरी पर नियमित अंतराल होता है जो एक एंगस्ट्रॉम के क्रम में होता है। विवर्तन पैटर्न देखने के लिए, उस रिक्ति के समान तरंग दैर्ध्य वाले एक्स-रे क्रिस्टल के माध्यम से पारित किए जाते हैं। चूंकि क्रिस्टल दो-आयामी झंझरी के बजाय त्रि-आयामी वस्तुएं हैं, संबंधित विवर्तन पैटर्न ब्रैग प्रतिबिंब के अनुसार दो दिशाओं में भिन्न होता है, जिसमें संबंधित चमकीले धब्बे अद्वितीय पैटर्न में होते हैं और d {\displaystyle d} d परमाणुओं के बीच की दूरी से दोगुना होता है। .[58]

विवर्तन प्रभाव अलग-अलग प्रकाश स्रोतों को वैकल्पिक रूप से हल करने के लिए ऑप्टिकल डिटेक्टर की क्षमता को सीमित करता है। सामान्य तौर पर, एक एपर्चर से गुजरने वाला प्रकाश विवर्तन का अनुभव करेगा और सबसे अच्छी छवियां जो बनाई जा सकती हैं (जैसा कि विवर्तन-सीमित प्रकाशिकी में वर्णित है) एक केंद्रीय स्थान के रूप में दिखाई देती हैं, जिसमें आसपास के चमकीले छल्ले होते हैं, जो अंधेरे नल से अलग होते हैं; इस पैटर्न को हवादार पैटर्न के रूप में जाना जाता है, और केंद्रीय उज्ज्वल लोब को हवादार डिस्क के रूप में जाना जाता है। [44]

ऐसी डिस्क का आकार किसके द्वारा दिया जाता है

   sin = 1.22 λ D {\displaystyle \sin \theta =1.22{\frac {\lambda }{D}}} \sin \theta = 1.22 \frac{\lambda}{D}

जहां कोणीय संकल्प है, प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है, और डी लेंस एपर्चर का व्यास है। यदि दो बिंदुओं का कोणीय पृथक्करण हवादार डिस्क कोणीय त्रिज्या से काफी कम है, तो छवि में दो बिंदुओं को हल नहीं किया जा सकता है, लेकिन यदि उनका कोणीय पृथक्करण इससे बहुत अधिक है, तो दो बिंदुओं की अलग-अलग छवियां बनती हैं और वे इसलिए हल किया जा सकता है। रेले ने कुछ हद तक मनमानी "रेले मानदंड" को परिभाषित किया है कि दो बिंदुओं का कोणीय पृथक्करण हवादार डिस्क त्रिज्या के बराबर है (पहले नल के लिए मापा जाता है, यानी पहली जगह जहां कोई प्रकाश नहीं देखा जाता है) को हल किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि लेंस का व्यास या उसके एपर्चर जितना बड़ा होगा, रिज़ॉल्यूशन उतना ही बेहतर होगा। [58] इंटरफेरोमेट्री, अत्यधिक बड़े बेसलाइन एपर्चर की नकल करने की क्षमता के साथ, अधिकतम संभव कोणीय संकल्प की अनुमति देता है। [51]

खगोलीय इमेजिंग के लिए, वायुमंडलीय प्रकीर्णन और फैलाव जिसके कारण तारे टिमटिमाते हैं, के कारण वातावरण दृश्य स्पेक्ट्रम में इष्टतम संकल्प को प्राप्त करने से रोकता है। खगोलविद इस प्रभाव को खगोलीय देखने की गुणवत्ता के रूप में संदर्भित करते हैं। अनुकूली प्रकाशिकी के रूप में जानी जाने वाली तकनीकों का उपयोग छवियों के वायुमंडलीय व्यवधान को समाप्त करने और विवर्तन सीमा तक पहुंचने वाले परिणामों को प्राप्त करने के लिए किया गया है। [60]

फैलाव और बिखराव

मुख्य लेख: फैलाव (प्रकाशिकी) और प्रकीर्णन

एक प्रिज्म के माध्यम से प्रकाश के फैलाव का वैचारिक एनीमेशन। उच्च आवृत्ति (नीला) प्रकाश सबसे अधिक विक्षेपित होता है, और निम्न आवृत्ति (लाल) सबसे कम।

अपवर्तक प्रक्रियाएं भौतिक प्रकाशिकी सीमा में होती हैं, जहां प्रकाश की तरंग दैर्ध्य अन्य दूरियों के समान होती है, एक प्रकार के प्रकीर्णन के रूप में। प्रकीर्णन का सबसे सरल प्रकार थॉमसन प्रकीर्णन है जो तब होता है जब विद्युत चुम्बकीय तरंगें एकल कणों द्वारा विक्षेपित होती हैं। थॉमसन स्कैटरिंग की सीमा में, जिसमें प्रकाश की तरंग जैसी प्रकृति स्पष्ट होती है, कॉम्पटन स्कैटरिंग के विपरीत, प्रकाश आवृत्ति से स्वतंत्र होता है, जो आवृत्ति-निर्भर और कड़ाई से क्वांटम यांत्रिक प्रक्रिया है, जिसमें कणों के रूप में प्रकाश की प्रकृति शामिल होती है। एक सांख्यिकीय अर्थ में, प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटे कई कणों द्वारा प्रकाश का लोचदार प्रकीर्णन एक प्रक्रिया है जिसे रेले स्कैटरिंग के रूप में जाना जाता है, जबकि कणों द्वारा बिखरने की समान प्रक्रिया जो तरंग दैर्ध्य में समान या बड़ी होती है, टाइन्डल के साथ माइ स्कैटरिंग के रूप में जानी जाती है। प्रभाव आमतौर पर देखा जाने वाला परिणाम है। परमाणुओं या अणुओं से प्रकाश के प्रकीर्णन का एक छोटा सा हिस्सा रमन प्रकीर्णन से गुजर सकता है, जिसमें परमाणुओं और अणुओं के उत्तेजना के कारण आवृत्ति में परिवर्तन होता है। ब्रिलॉइन प्रकीर्णन तब होता है जब समय के साथ स्थानीय परिवर्तनों और सघन सामग्री की गति के कारण प्रकाश की आवृत्ति में परिवर्तन होता है। [61]

फैलाव तब होता है जब प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों में भौतिक गुणों (भौतिक फैलाव) या ऑप्टिकल वेवगाइड (वेवगाइड फैलाव) की ज्यामिति के कारण अलग-अलग चरण वेग होते हैं। फैलाव का सबसे परिचित रूप बढ़ती तरंग दैर्ध्य के साथ अपवर्तन सूचकांक में कमी है, जो कि अधिकांश पारदर्शी सामग्री में देखा जाता है। इसे "सामान्य फैलाव" कहा जाता है। यह सभी ढांकता हुआ पदार्थों में होता है, तरंग दैर्ध्य रेंज में जहां सामग्री प्रकाश को अवशोषित नहीं करती है। [62] तरंग दैर्ध्य रेंज में जहां एक माध्यम का महत्वपूर्ण अवशोषण होता है, तरंग दैर्ध्य के साथ अपवर्तन सूचकांक बढ़ सकता है। इसे "विषम फैलाव" कहा जाता है।[42][62]

प्रिज्म द्वारा रंगों का पृथक्करण सामान्य परिक्षेपण का एक उदाहरण है। प्रिज्म की सतहों पर, स्नेल का नियम भविष्यवाणी करता है कि कोण θ से अभिलंब पर आपतित प्रकाश कोण आर्कसिन(sin (θ) / n) पर अपवर्तित होगा। इस प्रकार, नीला प्रकाश, अपने उच्च अपवर्तनांक के साथ, लाल बत्ती की तुलना में अधिक मजबूती से झुकता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रसिद्ध इंद्रधनुष पैटर्न बनता है। [42]

फैलाव: अलग-अलग गति से फैलने वाले दो साइनसॉइड एक गतिमान हस्तक्षेप पैटर्न बनाते हैं। लाल बिंदु चरण वेग के साथ चलता है, और हरा बिंदु समूह वेग के साथ फैलता है। इस मामले में, चरण वेग समूह वेग से दोगुना है। आकृति के बाएं से दाएं जाने पर लाल बिंदु दो हरे बिंदुओं से आगे निकल जाता है। वास्तव में, व्यक्तिगत तरंगें (जो चरण वेग के साथ यात्रा करती हैं) तरंग पैकेट (जो समूह वेग के साथ यात्रा करती हैं) से बच जाती हैं।

सामग्री फैलाव को अक्सर अब्बे संख्या (Abe Number) की विशेषता होती है, जो तीन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर अपवर्तन के सूचकांक के आधार पर फैलाव का एक सरल उपाय देता है। वेवगाइड फैलाव प्रसार स्थिरांक पर निर्भर है। [44] दोनों प्रकार के फैलाव के कारण तरंग की समूह विशेषताओं में परिवर्तन होता है, तरंग पैकेट की विशेषताएं जो विद्युत चुम्बकीय तरंग के आयाम के समान आवृत्ति के साथ बदलती हैं।"समूह वेग फैलाव" विकिरण के संकेत "लिफाफा" के फैलाव के रूप में प्रकट होता है और समूह फैलाव विलंब पैरामीटर के साथ मात्रा निर्धारित किया जा सकता है:

GROUP DISPERSION VELOCITY FORMULA

जहाँ v g {\displaystyle v_{g}} v_{g} समूह वेग है।[63] एक समान माध्यम के लिए, समूह वेग है

GROUP VELOCITY FORMULA

जहाँ n अपवर्तन का सूचकांक है और c निर्वात में प्रकाश की गति है। [64] यह फैलाव विलंब पैरामीटर के लिए एक सरल रूप देता है

FORMULA

यदि डी शून्य से कम है, तो माध्यम को सकारात्मक फैलाव या सामान्य फैलाव कहा जाता है। यदि डी शून्य से बड़ा है, तो माध्यम का नकारात्मक फैलाव है। यदि एक प्रकाश नाड़ी को सामान्य रूप से फैलाने वाले माध्यम से प्रचारित किया जाता है, तो इसका परिणाम उच्च आवृत्ति वाले घटक कम आवृत्ति वाले घटकों की तुलना में अधिक धीमा होता है। इसलिए नाड़ी सकारात्मक रूप से चहकती है, या समय के साथ आवृत्ति में वृद्धि होती है।इससे प्रिज्म से निकलने वाला स्पेक्ट्रम लाल प्रकाश के साथ सबसे कम अपवर्तित और नीले/बैंगनी प्रकाश के साथ सबसे अधिक अपवर्तित दिखाई देता है। इसके विपरीत, यदि एक नाड़ी एक विषम (नकारात्मक) फैलाव माध्यम से यात्रा करती है, तो उच्च-आवृत्ति वाले घटक निचले वाले की तुलना में तेजी से यात्रा करते हैं, और नाड़ी समय के साथ आवृत्ति में घटते हुए नकारात्मक रूप से चहकती या नीचे की ओर हो जाती है। [65]

समूह वेग फैलाव का परिणाम, चाहे वह नकारात्मक हो या सकारात्मक, अंततः नाड़ी का अस्थायी प्रसार है। यह ऑप्टिकल फाइबर के आधार पर ऑप्टिकल संचार प्रणालियों में फैलाव प्रबंधन को अत्यंत महत्वपूर्ण बनाता है, क्योंकि यदि फैलाव बहुत अधिक है, तो सूचना का प्रतिनिधित्व करने वाले दालों का एक समूह समय में फैल जाएगा और विलय हो जाएगा, जिससे सिग्नल निकालना असंभव हो जाएगा। [63]

ध्रुवीकरण

मुख्य लेख: ध्रुवीकरण (लहरें)

ध्रुवीकरण तरंगों का एक सामान्य गुण है जो उनके दोलनों के उन्मुखीकरण का वर्णन करता है। अनुप्रस्थ तरंगों जैसे कि कई विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए, यह तरंग की यात्रा की दिशा के लंबवत विमान में दोलनों के उन्मुखीकरण का वर्णन करता है। दोलनों को एक ही दिशा (रैखिक ध्रुवीकरण) में उन्मुख किया जा सकता है, या तरंग यात्रा (गोलाकार या अण्डाकार ध्रुवीकरण) के रूप में दोलन दिशा घूम सकती है। वृत्ताकार रूप से ध्रुवीकृत तरंगें यात्रा की दिशा में दायीं या बायीं ओर घूम सकती हैं, और उन दो घूर्णनों में से कौन सा एक तरंग में मौजूद होता है, इसे तरंग की चिरलिटी कहा जाता है।

ध्रुवीकरण पर विचार करने का विशिष्ट तरीका विद्युत क्षेत्र वेक्टर के उन्मुखीकरण का ट्रैक रखना है क्योंकि विद्युत चुम्बकीय तरंग फैलती है। एक समतल तरंग के विद्युत क्षेत्र वेक्टर को मनमाने ढंग से x और y लेबल वाले दो लंबवत घटकों में विभाजित किया जा सकता है (जेड के साथ यात्रा की दिशा को इंगित करता है)। विद्युत क्षेत्र सदिश द्वारा x-y तल में निकाली गई आकृति एक लिसाजस आकृति है जो ध्रुवीकरण की स्थिति का वर्णन करती है।[44] निम्नलिखित आंकड़े विद्युत क्षेत्र वेक्टर (नीला) के विकास के कुछ उदाहरण दिखाते हैं, समय के साथ (ऊर्ध्वाधर अक्ष), अंतरिक्ष में एक विशेष बिंदु पर, इसके x और y घटकों (लाल/बाएं और हरे/दाएं) के साथ, और विमान (बैंगनी) में वेक्टर द्वारा पता लगाया गया पथ: अंतरिक्ष में बिंदु को विकसित करते समय एक विशेष समय पर विद्युत क्षेत्र को देखते हुए, प्रसार के विपरीत दिशा में एक ही विकास होगा।

ऊपर सबसे बाईं ओर की आकृति में, प्रकाश तरंग के x और y घटक चरण में हैं। इस मामले में, उनकी ताकत का अनुपात स्थिर है, इसलिए विद्युत वेक्टर (इन दो घटकों का वेक्टर योग) की दिशा स्थिर है। चूंकि वेक्टर की नोक विमान में एक ही रेखा का पता लगाती है, इसलिए इस विशेष मामले को रैखिक ध्रुवीकरण कहा जाता है। इस रेखा की दिशा दो घटकों के सापेक्ष आयामों पर निर्भर करती है।[66]

मध्य आकृति में, दो ओर्थोगोनल घटकों के आयाम समान हैं और वे चरण से 90° बाहर हैं। इस मामले में, एक घटक शून्य होता है जब दूसरा घटक अधिकतम या न्यूनतम आयाम पर होता है। दो संभावित चरण संबंध हैं जो इस आवश्यकता को पूरा करते हैं: x घटक y घटक से 90° आगे हो सकता है या यह y घटक से 90° पीछे हो सकता है। इस विशेष मामले में, विद्युत वेक्टर विमान में एक वृत्त का पता लगाता है, इसलिए इस ध्रुवीकरण को परिपत्र ध्रुवीकरण कहा जाता है। वृत्त में घूर्णन की दिशा इस बात पर निर्भर करती है कि दो चरणों में से कौन सा संबंध मौजूद है और दाएं हाथ के गोलाकार ध्रुवीकरण और बाएं हाथ के गोलाकार ध्रुवीकरण से मेल खाता है। [44]

अन्य सभी मामलों में, जहां दो घटकों में या तो समान आयाम नहीं होते हैं और/या उनका चरण अंतर न तो शून्य होता है और न ही 90 ° का गुणक होता है, ध्रुवीकरण को अण्डाकार ध्रुवीकरण कहा जाता है क्योंकि विद्युत वेक्टर विमान में एक दीर्घवृत्त का पता लगाता है ( ध्रुवीकरण अंडाकार)। यह ऊपर की आकृति में दाईं ओर दिखाया गया है। ध्रुवीकरण का विस्तृत गणित जोन्स कैलकुलस का उपयोग करके किया जाता है और स्टोक्स मापदंडों द्वारा विशेषता है। [44]

ध्रुवीकरण बदलना

मीडिया जिसमें अलग-अलग ध्रुवीकरण मोड के लिए अपवर्तन के अलग-अलग सूचकांक होते हैं, उन्हें द्विअर्थी कहा जाता है। [66] इस आशय की प्रसिद्ध अभिव्यक्तियाँ ऑप्टिकल वेव प्लेट्स/रिटार्डर्स (रैखिक मोड) और फैराडे रोटेशन/ऑप्टिकल रोटेशन (सर्कुलर मोड) में दिखाई देती हैं। [44] यदि द्विभाजित माध्यम में पथ की लंबाई पर्याप्त है, तो अपवर्तन के कारण समतल तरंगें काफी भिन्न प्रसार दिशा के साथ सामग्री से बाहर निकल जाएंगी। उदाहरण के लिए, कैल्साइट के मैक्रोस्कोपिक क्रिस्टल के मामले में यह मामला है, जो दर्शकों को उनके माध्यम से देखे जाने वाले दो ऑफसेट, ऑर्थोगोनली ध्रुवीकृत छवियों के साथ प्रस्तुत करता है। यह वह प्रभाव था जिसने 1669 में इरास्मस बार्थोलिनस द्वारा ध्रुवीकरण की पहली खोज प्रदान की। इसके अलावा, चरण बदलाव, और इस प्रकार ध्रुवीकरण राज्य में परिवर्तन, आमतौर पर आवृत्ति पर निर्भर होता है, जो कि द्वैतवाद के संयोजन में, अक्सर उज्ज्वल को जन्म देता है रंग और इंद्रधनुष जैसे प्रभाव। खनिज विज्ञान में, ऐसे गुण, जिन्हें फुफ्फुसावरण के रूप में जाना जाता है, का अक्सर ध्रुवीकरण सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके खनिजों की पहचान करने के उद्देश्य से शोषण किया जाता है। इसके अतिरिक्त, कई प्लास्टिक जो सामान्य रूप से द्विअर्थी नहीं होते हैं, यांत्रिक तनाव के अधीन होने पर ऐसा हो जाएगा, एक घटना जो प्रकाश लोच का आधार है। [66] प्रकाश पुंजों के रैखिक ध्रुवीकरण को घुमाने के लिए गैर-द्विभाजक विधियों में प्रिज्मीय ध्रुवीकरण रोटेटर का उपयोग शामिल है जो कुशल कोलिनियर ट्रांसमिशन के लिए डिज़ाइन किए गए प्रिज्म सेट में कुल आंतरिक प्रतिबिंब का उपयोग करते हैं। [67]

रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश के उन्मुखीकरण को बदलने वाला एक ध्रुवीकरणकर्ता।

इस चित्र में, 1 – 0 = i.

कुछ ध्रुवीकरण मोड के आयाम को कम करने वाले मीडिया को डाइक्रोइक कहा जाता है, ऐसे उपकरणों के साथ जो लगभग सभी विकिरण को एक मोड में ध्रुवीकरण फिल्टर या बस "पोलराइज़र" के रूप में जाना जाता है। मालुस का नियम, जिसका नाम एटियेन-लुई मालुस के नाम पर रखा गया है, कहता है कि जब एक पूर्ण ध्रुवक को प्रकाश के एक रैखिक ध्रुवीकृत बीम में रखा जाता है, तो प्रकाश की तीव्रता, I, से गुजरने वाली रोशनी द्वारा दी जाती है

FORMULA

कहाँ पे

   I0 प्रारंभिक तीव्रता है,

   और θi प्रकाश की प्रारंभिक ध्रुवीकरण दिशा और ध्रुवक की धुरी के बीच का कोण है।[66]

अध्रुवित प्रकाश की किरण को सभी संभावित कोणों पर रैखिक ध्रुवीकरणों का एक समान मिश्रण माना जा सकता है। चूँकि cos 2 {\displaystyle \cos ^{2}\theta } \cos ^{2}\theta का औसत मान 1/2 है, संचरण गुणांक बन जाता है

FORMULA

व्यवहार में, पोलराइज़र में कुछ प्रकाश खो जाता है और अध्रुवित प्रकाश का वास्तविक संचरण इससे कुछ कम होगा, पोलेरॉइड-प्रकार के पोलराइज़र के लिए लगभग 38% लेकिन कुछ द्विअर्थी प्रिज्म प्रकारों के लिए काफी अधिक (>49.9%)।

विस्तारित मीडिया में द्विभाजन और द्विभाजन के अलावा, विभिन्न अपवर्तक सूचकांक की दो सामग्रियों के बीच (चिंतनशील) इंटरफ़ेस पर ध्रुवीकरण प्रभाव भी हो सकता है। इन प्रभावों का उपचार फ्रेस्नेल समीकरणों द्वारा किया जाता है। तरंग का भाग संचरित होता है और भाग परावर्तित होता है, जिसका अनुपात आपतन कोण और अपवर्तन कोण पर निर्भर करता है। इस तरह, भौतिक प्रकाशिकी ब्रूस्टर के कोण को पुनः प्राप्त कर लेती है। [44] जब प्रकाश एक सतह पर एक पतली फिल्म से परावर्तित होता है, तो फिल्म की सतहों से प्रतिबिंबों के बीच हस्तक्षेप परावर्तित और संचरित प्रकाश में ध्रुवीकरण उत्पन्न कर सकता है।

प्राकृतिक प्रकाश

एक तस्वीर में आकाश पर ध्रुवीकरण फिल्टर का प्रभाव। बाईं तस्वीर बिना पोलराइजर के ली गई है। सही तस्वीर के लिए, आकाश से बिखरी हुई नीली रोशनी के कुछ ध्रुवीकरणों को खत्म करने के लिए फिल्टर को समायोजित किया गया था।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण के अधिकांश स्रोतों में बड़ी संख्या में परमाणु या अणु होते हैं जो प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं। इन उत्सर्जकों द्वारा उत्पादित विद्युत क्षेत्रों का अभिविन्यास सहसंबद्ध नहीं हो सकता है, इस स्थिति में प्रकाश को अध्रुवित कहा जाता है। यदि उत्सर्जक के बीच आंशिक संबंध है, तो प्रकाश आंशिक रूप से ध्रुवीकृत होता है। यदि ध्रुवीकरण स्रोत के स्पेक्ट्रम के अनुरूप है, तो आंशिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश को पूरी तरह से अध्रुवीकृत घटक के सुपरपोजिशन और पूरी तरह से ध्रुवीकृत के रूप में वर्णित किया जा सकता है। कोई तब प्रकाश का वर्णन ध्रुवीकरण की डिग्री और ध्रुवीकरण दीर्घवृत्त के मापदंडों के संदर्भ में कर सकता है। [44]

चमकदार पारदर्शी सामग्री द्वारा परावर्तित प्रकाश आंशिक रूप से या पूरी तरह से ध्रुवीकृत होता है, सिवाय इसके कि जब प्रकाश सतह पर सामान्य (लंबवत) हो। यह वह प्रभाव था जिसने गणितज्ञ एटियेन-लुई मालस को ध्रुवीकृत प्रकाश के लिए पहले गणितीय मॉडल के विकास के लिए मापन करने की अनुमति दी थी। ध्रुवीकरण तब होता है जब वातावरण में प्रकाश बिखरा हुआ होता है। बिखरा हुआ प्रकाश साफ आसमान में चमक और रंग पैदा करता है। बिखरी हुई रोशनी के इस आंशिक ध्रुवीकरण को तस्वीरों में आकाश को काला करने के लिए ध्रुवीकरण फिल्टर का उपयोग करके लाभ उठाया जा सकता है। ऑप्टिकल ध्रुवीकरण, ऑप्टिकली सक्रिय (चिरल) अणुओं द्वारा प्रदर्शित सर्कुलर डाइक्रोइज़्म और ऑप्टिकल रोटेशन ("सर्कुलर बायरफ़्रेंस") के कारण रसायन विज्ञान में मुख्य रूप से महत्वपूर्ण है। [44]

आधुनिक प्रकाशिकी

मुख्य लेख: ऑप्टिकल भौतिकी और ऑप्टिकल इंजीनियरिंग

आधुनिक प्रकाशिकी में ऑप्टिकल विज्ञान और इंजीनियरिंग के क्षेत्र शामिल हैं जो 20 वीं शताब्दी में लोकप्रिय हो गए। ऑप्टिकल विज्ञान के ये क्षेत्र आमतौर पर प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय या क्वांटम गुणों से संबंधित होते हैं, लेकिन इसमें अन्य विषय भी शामिल होते हैं। आधुनिक प्रकाशिकी का एक प्रमुख उपक्षेत्र, क्वांटम प्रकाशिकी, विशेष रूप से प्रकाश के क्वांटम यांत्रिक गुणों से संबंधित है। क्वांटम ऑप्टिक्स सिर्फ सैद्धांतिक नहीं है; कुछ आधुनिक उपकरणों, जैसे कि लेज़रों में संचालन के सिद्धांत होते हैं जो क्वांटम यांत्रिकी पर निर्भर करते हैं। प्रकाश संसूचक, जैसे कि फोटोमल्टीप्लायर और चैनलट्रॉन, अलग-अलग फोटॉन का जवाब देते हैं। इलेक्ट्रॉनिक छवि सेंसर, जैसे कि सीसीडी, व्यक्तिगत फोटॉन घटनाओं के आंकड़ों के अनुरूप शॉट शोर प्रदर्शित करते हैं। प्रकाश उत्सर्जक डायोड और फोटोवोल्टिक कोशिकाओं को भी क्वांटम यांत्रिकी के बिना नहीं समझा जा सकता है। इन उपकरणों के अध्ययन में, क्वांटम ऑप्टिक्स अक्सर क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ ओवरलैप हो जाता है। [68]

प्रकाशिकी अनुसंधान के विशिष्ट क्षेत्रों में इस बात का अध्ययन शामिल है कि प्रकाश कैसे क्रिस्टल ऑप्टिक्स और मेटामटेरियल्स में विशिष्ट सामग्रियों के साथ इंटरैक्ट करता है। अन्य शोध एकवचन प्रकाशिकी, गैर-इमेजिंग प्रकाशिकी, गैर-रेखीय प्रकाशिकी, सांख्यिकीय प्रकाशिकी और रेडियोमेट्री के रूप में विद्युत चुम्बकीय तरंगों की घटना पर केंद्रित है। इसके अतिरिक्त, कंप्यूटर इंजीनियरों ने कंप्यूटर की "अगली पीढ़ी" के संभावित घटकों के रूप में एकीकृत प्रकाशिकी, मशीन विजन और फोटोनिक कंप्यूटिंग में रुचि ली है।[69]

आज, प्रकाशिकी के शुद्ध विज्ञान को ऑप्टिकल विज्ञान या ऑप्टिकल भौतिकी कहा जाता है ताकि इसे लागू ऑप्टिकल विज्ञान से अलग किया जा सके, जिसे ऑप्टिकल इंजीनियरिंग कहा जाता है। ऑप्टिकल इंजीनियरिंग के प्रमुख उपक्षेत्रों में लेंस डिजाइन, फैब्रिकेशन और ऑप्टिकल घटकों के परीक्षण, और छवि प्रसंस्करण जैसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों के साथ रोशनी इंजीनियरिंग, फोटोनिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स शामिल हैं।इनमें से कुछ क्षेत्र ओवरलैप करते हैं, विषयों की शर्तों के बीच अस्पष्ट सीमाओं के साथ, जिसका अर्थ दुनिया के विभिन्न हिस्सों में और उद्योग के विभिन्न क्षेत्रों में थोड़ा अलग है। लेजर प्रौद्योगिकी में प्रगति के कारण पिछले कई दशकों में गैर-रेखीय प्रकाशिकी में शोधकर्ताओं का एक पेशेवर समुदाय विकसित हुआ है।

लेजर

मुख्य लेख: लेजर

उच्च शक्ति वाले लेज़रों के साथ इस तरह के प्रयोग आधुनिक प्रकाशिकी अनुसंधान का हिस्सा हैं।

लेजर एक उपकरण है जो उत्तेजित उत्सर्जन नामक प्रक्रिया के माध्यम से प्रकाश, एक प्रकार का विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जित करता है। लेज़र शब्द विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन के लिए एक संक्षिप्त रूप है। [71] लेज़र प्रकाश आमतौर पर स्थानिक रूप से सुसंगत होता है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश या तो एक संकीर्ण, कम-विचलन किरण में उत्सर्जित होता है, या लेंस जैसे ऑप्टिकल घटकों की सहायता से एक में परिवर्तित किया जा सकता है। चूंकि लेजर के माइक्रोवेव समकक्ष, मेसर को पहले विकसित किया गया था, माइक्रोवेव और रेडियो फ्रीक्वेंसी का उत्सर्जन करने वाले उपकरणों को आमतौर पर मेसर कहा जाता है। [72]

वीएलटी का लेजर गाइड स्टार [73]

ह्यूजेस रिसर्च लेबोरेटरीज में थियोडोर मेमन द्वारा 16 मई 1960 को पहले काम करने वाले लेजर का प्रदर्शन किया गया था। [74] जब पहली बार आविष्कार किया गया, तो उन्हें "समस्या की तलाश में एक समाधान" कहा गया।[75] तब से, लेजर एक बहु-अरब डॉलर का उद्योग बन गया है, जो हजारों अत्यधिक विविध अनुप्रयोगों में उपयोगिता ढूंढ रहा है। आम जनता के दैनिक जीवन में दिखाई देने वाले लेज़रों का पहला अनुप्रयोग सुपरमार्केट बारकोड स्कैनर था, जिसे 1974 में शुरू किया गया था। [76] लेज़रडिस्क प्लेयर, 1978 में पेश किया गया, एक लेज़र को शामिल करने वाला पहला सफल उपभोक्ता उत्पाद था, लेकिन कॉम्पैक्ट डिस्क प्लेयर 1982 से शुरू होकर उपभोक्ताओं के घरों में वास्तव में आम होने वाला पहला लेज़र-सुसज्जित उपकरण था। [77] ये ऑप्टिकल स्टोरेज डिवाइस डेटा पुनर्प्राप्ति के लिए डिस्क की सतह को स्कैन करने के लिए एक मिलीमीटर से कम चौड़े सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग करते हैं। फाइबर-ऑप्टिक संचार प्रकाश की गति से बड़ी मात्रा में सूचना प्रसारित करने के लिए लेजर पर निर्भर करता है। लेज़रों के अन्य सामान्य अनुप्रयोगों में लेज़र प्रिंटर और लेज़र पॉइंटर्स शामिल हैं। लेजर का उपयोग दवाओं में रक्तहीन सर्जरी, लेजर नेत्र शल्य चिकित्सा, और लेजर कैप्चर माइक्रोडिसेक्शन जैसे क्षेत्रों में और मिसाइल रक्षा प्रणालियों, इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल काउंटरमेशर्स (ईओसीएम), और लिडार जैसे सैन्य अनुप्रयोगों में किया जाता है। लेजर का उपयोग होलोग्राम, बबलग्राम, लेजर लाइट शो और लेजर बालों को हटाने में भी किया जाता है। [78]

कपित्सा-डिराक प्रभाव

कपित्सा-डिराक प्रभाव प्रकाश की एक स्थायी तरंग के मिलने के परिणामस्वरूप कणों के पुंजों के विवर्तन का कारण बनता है। विभिन्न परिघटनाओं (ऑप्टिकल चिमटी देखें) का उपयोग करके पदार्थ को स्थिति में लाने के लिए प्रकाश का उपयोग किया जा सकता है।

अनुप्रयोग

प्रकाशिकी रोजमर्रा की जिंदगी का हिस्सा है। जीव विज्ञान में दृश्य प्रणालियों की सर्वव्यापकता केंद्रीय भूमिका को इंगित करती है कि प्रकाशिकी पांच इंद्रियों में से एक के विज्ञान के रूप में खेलती है। बहुत से लोग चश्मे या कॉन्टैक्ट लेंस से लाभान्वित होते हैं, और प्रकाशिकी कैमरों सहित कई उपभोक्ता वस्तुओं के कामकाज के अभिन्न अंग हैं। इंद्रधनुष और मृगतृष्णा ऑप्टिकल घटना के उदाहरण हैं। ऑप्टिकल संचार इंटरनेट और आधुनिक टेलीफोनी दोनों के लिए रीढ़ की हड्डी प्रदान करता है।

मनुष्य की आंख

मानव आँख का मॉडल। इस लेख में उल्लिखित विशेषताएं हैं 1. कांच का हास्य 3. सिलिअरी मांसपेशी, 6. पुतली, 7. पूर्वकाल कक्ष, 8. कॉर्निया, 10. लेंस प्रांतस्था, 22. ऑप्टिक तंत्रिका, 26. फोविया, 30. रेटिना

मुख्य लेख: मानव आँख और प्रकाशमिति (प्रकाशिकी)

मानव आंख रेटिना नामक फोटोरिसेप्टर कोशिकाओं की एक परत पर प्रकाश को केंद्रित करके कार्य करती है, जो आंख के पिछले हिस्से की आंतरिक परत बनाती है। पारदर्शी मीडिया की एक श्रृंखला द्वारा ध्यान केंद्रित किया जाता है। आंख में प्रवेश करने वाला प्रकाश पहले कॉर्निया से होकर गुजरता है, जो आंख की अधिकांश ऑप्टिकल शक्ति प्रदान करता है। प्रकाश तब कॉर्निया के ठीक पीछे द्रव के माध्यम से जारी रहता है - पूर्वकाल कक्ष, फिर पुतली से होकर गुजरता है। प्रकाश तब लेंस से होकर गुजरता है, जो प्रकाश को और अधिक केंद्रित करता है और फोकस के समायोजन की अनुमति देता है। प्रकाश तब आंख में तरल पदार्थ के मुख्य शरीर से गुजरता है - कांच का हास्य, और रेटिना तक पहुंचता है। रेटिना में कोशिकाएं आंख के पिछले हिस्से को रेखाबद्ध करती हैं, सिवाय जहां ऑप्टिक तंत्रिका निकलती है; इसका परिणाम एक अंधे स्थान में होता है।

दो प्रकार की फोटोरिसेप्टर कोशिकाएं, छड़ और शंकु होती हैं, जो प्रकाश के विभिन्न पहलुओं के प्रति संवेदनशील होती हैं। [79] रॉड कोशिकाएं व्यापक आवृत्ति रेंज में प्रकाश की तीव्रता के प्रति संवेदनशील होती हैं, इस प्रकार श्वेत-श्याम दृष्टि के लिए जिम्मेदार होती हैं। केंद्रीय दृष्टि के लिए जिम्मेदार रेटिना के क्षेत्र, फोविया पर रॉड कोशिकाएं मौजूद नहीं हैं, और प्रकाश में स्थानिक और अस्थायी परिवर्तनों के लिए शंकु कोशिकाओं के रूप में उत्तरदायी नहीं हैं। हालांकि, रेटिना में शंकु कोशिकाओं की तुलना में बीस गुना अधिक रॉड कोशिकाएं होती हैं क्योंकि रॉड कोशिकाएं व्यापक क्षेत्र में मौजूद होती हैं। उनके व्यापक वितरण के कारण, छड़ें परिधीय दृष्टि के लिए जिम्मेदार हैं। [80]

इसके विपरीत, शंकु कोशिकाएं प्रकाश की समग्र तीव्रता के प्रति कम संवेदनशील होती हैं, लेकिन तीन किस्मों में आती हैं जो विभिन्न आवृत्ति-श्रेणियों के प्रति संवेदनशील होती हैं और इस प्रकार रंग और फोटोपिक दृष्टि की धारणा में उपयोग की जाती हैं।

शंकु कोशिकाएं फोविया में अत्यधिक केंद्रित होती हैं और उनमें उच्च दृश्य तीक्ष्णता होती है जिसका अर्थ है कि वे रॉड कोशिकाओं की तुलना में स्थानिक संकल्प में बेहतर हैं। चूंकि शंकु कोशिकाएं मंद प्रकाश के प्रति रॉड कोशिकाओं की तरह संवेदनशील नहीं होती हैं, इसलिए अधिकांश रात्रि दृष्टि रॉड कोशिकाओं तक सीमित होती है। इसी तरह, चूंकि शंकु कोशिकाएं फोविया में होती हैं, केंद्रीय दृष्टि (अधिकतम पढ़ने के लिए आवश्यक दृष्टि, सिलाई जैसे बारीक विवरण कार्य, या वस्तुओं की सावधानीपूर्वक जांच सहित) शंकु कोशिकाओं द्वारा की जाती है। [80]

लेंस के चारों ओर सिलिअरी मांसपेशियां आंख के फोकस को समायोजित करने की अनुमति देती हैं। इस प्रक्रिया को आवास के रूप में जाना जाता है। निकट बिंदु और दूर बिंदु आंख से निकटतम और सबसे दूर की दूरी को परिभाषित करते हैं जिस पर किसी वस्तु को तेज फोकस में लाया जा सकता है। सामान्य दृष्टि वाले व्यक्ति के लिए दूर बिंदु अनंत पर स्थित होता है। निकट बिंदु का स्थान इस बात पर निर्भर करता है कि मांसपेशियां लेंस की वक्रता को कितना बढ़ा सकती हैं, और उम्र के साथ लेंस कितना लचीला हो गया है। ऑप्टोमेट्रिस्ट, नेत्र रोग विशेषज्ञ, और ऑप्टिशियंस आमतौर पर एक उपयुक्त निकट बिंदु को सामान्य पढ़ने की दूरी से करीब मानते हैं - लगभग 25 सेमी। [79]

ऑप्टिकल सिद्धांतों का उपयोग करके दृष्टि में दोषों को समझाया जा सकता है। जैसे-जैसे लोगों की उम्र बढ़ती है, लेंस कम लचीला हो जाता है और निकट बिंदु आंख से दूर हो जाता है, एक ऐसी स्थिति जिसे प्रेसबायोपिया कहा जाता है। इसी तरह, हाइपरोपिया से पीड़ित लोग अपने लेंस की फोकल लंबाई को इतना कम नहीं कर सकते कि आस-पास की वस्तुओं को उनके रेटिना पर चित्रित किया जा सके। इसके विपरीत, जो लोग अपने लेंस की फोकल लंबाई को पर्याप्त रूप से नहीं बढ़ा सकते हैं ताकि दूर की वस्तुओं को रेटिना पर चित्रित किया जा सके, वे मायोपिया से पीड़ित हैं और उनके पास एक दूर बिंदु है जो अनंत से काफी करीब है। दृष्टिवैषम्य के रूप में जानी जाने वाली स्थिति का परिणाम तब होता है जब कॉर्निया गोलाकार नहीं होता है बल्कि एक दिशा में अधिक घुमावदार होता है। यह क्षैतिज रूप से विस्तारित वस्तुओं को लंबवत रूप से विस्तारित वस्तुओं की तुलना में रेटिना के विभिन्न हिस्सों पर केंद्रित करने का कारण बनता है, और विकृत छवियों में परिणाम होता है। [79]

इन सभी स्थितियों को सुधारात्मक लेंस का उपयोग करके ठीक किया जा सकता है। प्रेसबायोपिया और हाइपरोपिया के लिए, एक अभिसारी लेंस निकट बिंदु को आंख के करीब लाने के लिए आवश्यक अतिरिक्त वक्रता प्रदान करता है जबकि मायोपिया के लिए एक अपसारी लेंस दूर बिंदु को अनंत तक भेजने के लिए आवश्यक वक्रता प्रदान करता है। दृष्टिवैषम्य को एक बेलनाकार सतह लेंस के साथ ठीक किया जाता है जो कॉर्निया की गैर-एकरूपता के लिए क्षतिपूर्ति करते हुए, दूसरी दिशा की तुलना में एक दिशा में अधिक मजबूती से घटता है। [81]

सुधारात्मक लेंस की ऑप्टिकल शक्ति को डायोप्टर में मापा जाता है, जो मीटर में मापी गई फोकल लंबाई के व्युत्क्रम के बराबर होता है; अभिसारी लेंस के अनुरूप धनात्मक फ़ोकस दूरी और अपसारी लेंस के संगत ऋणात्मक फ़ोकस दूरी के साथ। दृष्टिवैषम्य के लिए भी सही लेंस के लिए, तीन संख्याएँ दी गई हैं: एक गोलाकार शक्ति के लिए, एक बेलनाकार शक्ति के लिए, और एक दृष्टिवैषम्य के अभिविन्यास के कोण के लिए। [81]

दृश्यात्मक प्रभाव

मुख्य लेख: ऑप्टिकल भ्रम और परिप्रेक्ष्य (ग्राफिकल)

फिल्म, वीडियो और कंप्यूटर ग्राफिक्स में उपयोग किए जाने वाले दृश्य प्रभावों के लिए, दृश्य प्रभाव देखें।

पोंजो इल्यूजन इस तथ्य पर निर्भर करता है कि जैसे-जैसे वे अनंत तक पहुंचते हैं समानांतर रेखाएं अभिसरण करती दिखाई देती हैं।

ऑप्टिकल भ्रम (जिसे दृश्य भ्रम भी कहा जाता है) को नेत्रहीन कथित छवियों की विशेषता होती है जो वस्तुनिष्ठ वास्तविकता से भिन्न होती हैं। आंख द्वारा एकत्रित की गई जानकारी को मस्तिष्क में संसाधित किया जाता है ताकि एक धारणा दी जा सके जो कि छवि की वस्तु से अलग हो। ऑप्टिकल भ्रम विभिन्न प्रकार की घटनाओं का परिणाम हो सकता है जिसमें भौतिक प्रभाव शामिल हैं जो छवियों को बनाते हैं जो उन्हें बनाने वाली वस्तुओं से भिन्न होते हैं, आंखों और मस्तिष्क पर अत्यधिक उत्तेजना के शारीरिक प्रभाव (जैसे चमक, झुकाव, रंग, गति), और संज्ञानात्मक भ्रम जहां आंख और मस्तिष्क अचेतन निष्कर्ष निकालते हैं। [82]

संज्ञानात्मक भ्रम में कुछ शामिल हैं जो कुछ ऑप्टिकल सिद्धांतों के अचेतन गलत उपयोग के परिणामस्वरूप होते हैं।उदाहरण के लिए, एम्स रूम, हियरिंग, मुलर-लियर, ऑर्बिसन, पोंज़ो, सैंडर, और वुंड्ट भ्रम सभी अभिसारी और अपसारी रेखाओं का उपयोग करके दूरी की उपस्थिति के सुझाव पर निर्भर करते हैं, उसी तरह जैसे समानांतर प्रकाश किरणें (या वास्तव में) समानांतर रेखाओं का कोई भी सेट) कलात्मक परिप्रेक्ष्य के साथ द्वि-आयामी रूप से प्रदान की गई छवियों में अनंत पर एक लुप्त बिंदु पर अभिसरण करता प्रतीत होता है। [83] यह सुझाव प्रसिद्ध चंद्र भ्रम के लिए भी जिम्मेदार है, जहां चंद्रमा, अनिवार्य रूप से एक ही कोणीय आकार के होने के बावजूद, क्षितिज के निकट, आंचल की तुलना में बहुत बड़ा दिखाई देता है। [84] इस भ्रम ने टॉलेमी को इतना भ्रमित कर दिया कि उन्होंने इसे गलत तरीके से वायुमंडलीय अपवर्तन के लिए जिम्मेदार ठहराया जब उन्होंने अपने ग्रंथ ऑप्टिक्स में इसका वर्णन किया।[81]

एक अन्य प्रकार का ऑप्टिकल भ्रम टूटे हुए पैटर्न का फायदा उठाता है ताकि दिमाग को उन समरूपता या विषमताओं को समझने में मदद मिल सके जो मौजूद नहीं हैं। उदाहरणों में कैफे की दीवार, एहरेंस्टीन, फ्रेजर सर्पिल, पोगेनडॉर्फ और ज़ोलनर भ्रम शामिल हैं। संबंधित, लेकिन कड़ाई से भ्रम नहीं, ऐसे पैटर्न हैं जो आवधिक संरचनाओं के सुपरइम्पोजिशन के कारण होते हैं। उदाहरण के लिए, ग्रिड संरचना वाले पारदर्शी ऊतक मोइरे पैटर्न के रूप में जानी जाने वाली आकृतियों का निर्माण करते हैं, जबकि समांतर अपारदर्शी रेखाओं या वक्रों वाले आवधिक पारदर्शी पैटर्न का सुपरइम्पोज़िशन लाइन मोइरे पैटर्न उत्पन्न करता है।[85]

ऑप्टिकल उपकरण

1728 साइक्लोपीडिया से विभिन्न ऑप्टिकल उपकरणों के चित्र

मुख्य लेख: ऑप्टिकल उपकरण

सिंगल लेंस में फोटोग्राफिक लेंस, सुधारात्मक लेंस और मैग्निफाइंग ग्लास सहित कई तरह के अनुप्रयोग होते हैं जबकि सिंगल मिरर का उपयोग पैराबोलिक रिफ्लेक्टर और रियर-व्यू मिरर में किया जाता है। कई दर्पणों, प्रिज्मों और लेंसों को मिलाने से यौगिक ऑप्टिकल उपकरण बनते हैं जिनका व्यावहारिक उपयोग होता है। उदाहरण के लिए, एक पेरिस्कोप केवल दो समतल दर्पण होते हैं जो अवरोधों के आसपास देखने की अनुमति देने के लिए संरेखित होते हैं। विज्ञान में सबसे प्रसिद्ध यौगिक ऑप्टिकल उपकरण माइक्रोस्कोप और टेलीस्कोप हैं जिनका आविष्कार 16 वीं शताब्दी के अंत में डचों द्वारा किया गया था। [86]

माइक्रोस्कोप को पहले सिर्फ दो लेंसों के साथ विकसित किया गया था: एक ऑब्जेक्टिव लेंस और एक ऐपिस। वस्तुनिष्ठ लेंस अनिवार्य रूप से एक आवर्धक कांच है और इसे बहुत छोटी फोकल लंबाई के साथ डिजाइन किया गया था जबकि ऐपिस में आमतौर पर लंबी फोकल लंबाई होती है। इसका निकट की वस्तुओं की आवर्धित छवियों के निर्माण का प्रभाव है। आम तौर पर, रोशनी के एक अतिरिक्त स्रोत का उपयोग किया जाता है क्योंकि ऊर्जा के संरक्षण और बड़े सतह क्षेत्र में प्रकाश किरणों के प्रसार के कारण आवर्धित छवियां मंद होती हैं। आधुनिक सूक्ष्मदर्शी, जिन्हें यौगिक सूक्ष्मदर्शी के रूप में जाना जाता है, में कार्यक्षमता को अनुकूलित करने और छवि स्थिरता को बढ़ाने के लिए उनमें कई लेंस (आमतौर पर चार) होते हैं। [86] सूक्ष्मदर्शी की थोड़ी भिन्न किस्म, तुलनात्मक सूक्ष्मदर्शी, एक त्रिविम द्विनेत्री दृश्य उत्पन्न करने के लिए अगल-बगल की छवियों को देखता है जो मनुष्यों द्वारा उपयोग किए जाने पर त्रि-आयामी प्रतीत होता है। [87]

पहली दूरबीन, जिसे अपवर्तक दूरबीन कहा जाता है, को भी एक ही उद्देश्य और ऐपिस लेंस के साथ विकसित किया गया था। माइक्रोस्कोप के विपरीत, दूरबीन के वस्तुनिष्ठ लेंस को ऑप्टिकल विपथन से बचने के लिए एक बड़ी फोकल लंबाई के साथ डिजाइन किया गया था। उद्देश्य अपने फोकल बिंदु पर एक दूर की वस्तु की एक छवि को केंद्रित करता है जिसे बहुत छोटी फोकल लंबाई के ऐपिस के केंद्र बिंदु पर समायोजित किया जाता है।दूरबीन का मुख्य लक्ष्य आवर्धन नहीं है, बल्कि प्रकाश का संग्रह है जो वस्तुनिष्ठ लेंस के भौतिक आकार से निर्धारित होता है। इस प्रकार, दूरबीनों को आमतौर पर उनके उद्देश्यों के व्यास द्वारा इंगित किया जाता है, न कि उस आवर्धन द्वारा जिसे ऐपिस स्विच करके बदला जा सकता है। क्योंकि एक दूरबीन का आवर्धन उद्देश्य की फोकल लंबाई के बराबर होता है, जिसे ऐपिस की फोकल लंबाई से विभाजित किया जाता है, छोटे फोकल-लंबाई वाले ऐपिस अधिक आवर्धन का कारण बनते हैं। [86]

चूंकि बड़े लेंसों को गढ़ना बड़े दर्पणों को गढ़ने की तुलना में बहुत अधिक कठिन है, अधिकांश आधुनिक दूरबीनें दूरबीनों को प्रतिबिंबित कर रही हैं, यानी वे दूरबीनें जो एक उद्देश्य लेंस के बजाय प्राथमिक दर्पण का उपयोग करती हैं। वही सामान्य ऑप्टिकल विचार प्रतिबिंबित दूरबीनों पर लागू होते हैं जो अपवर्तक दूरबीनों पर लागू होते हैं, अर्थात्, बड़ा प्राथमिक दर्पण, जितना अधिक प्रकाश एकत्र किया जाता है, और आवर्धन अभी भी प्राथमिक दर्पण की फोकल लंबाई के बराबर होता है जिसे ऐपिस की फोकल लंबाई से विभाजित किया जाता है। . पेशेवर दूरबीनों में आम तौर पर ऐपिस नहीं होते हैं और इसके बजाय एक उपकरण (अक्सर एक चार्ज-युग्मित उपकरण) को केंद्र बिंदु पर रखा जाता है। [86]

फोटोग्राफी

मुख्य लेख: फोटोग्राफी का विज्ञान

अपर्चर f/32 . के साथ ली गई तस्वीर

अपर्चर f/5 . के साथ लिया गया फोटोग्राफ

फोटोग्राफी के प्रकाशिकी में लेंस और माध्यम दोनों शामिल होते हैं जिसमें विद्युत चुम्बकीय विकिरण रिकॉर्ड किया जाता है, चाहे वह प्लेट, फिल्म या चार्ज-युग्मित डिवाइस हो। फ़ोटोग्राफ़रों को कैमरे की पारस्परिकता और उस शॉट पर विचार करना चाहिए जो संबंध द्वारा सारांशित किया गया है

   एक्सपोजर ∝ एपर्चर एरिया × एक्सपोजर टाइम × सीन ल्यूमिनेंस [88]

दूसरे शब्दों में, एपर्चर जितना छोटा होता है (फोकस की अधिक गहराई देता है), उतनी ही कम रोशनी आती है, इसलिए समय की लंबाई बढ़ानी पड़ती है (यदि गति होती है तो संभावित धुंधलापन हो सकता है)। पारस्परिकता के कानून के उपयोग का एक उदाहरण सनी 16 नियम है जो दिन के उजाले में उचित जोखिम का अनुमान लगाने के लिए आवश्यक सेटिंग्स के लिए एक मोटा अनुमान देता है। [89]

एक कैमरे के एपर्चर को एक इकाई रहित संख्या द्वारा मापा जाता है जिसे f-नंबर या f-stop, f/

FORMULA

जहां f {\displaystyle f} f फोकल लेंथ है, और D {\displaystyle D} D, एंट्रेंस पुतली का डायमीटर है। परंपरा के अनुसार, "एफ/संख्या चिह्न को मान से बदलकर लिखा जाता है। एफ-स्टॉप को बढ़ाने के दो तरीके हैं या तो प्रवेश पुतली के व्यास को कम करना या लंबी फोकल लंबाई में बदलना (ज़ूम लेंस के मामले में, यह केवल लेंस को समायोजित करके किया जा सकता है)। उच्च f-नंबरों में भी क्षेत्र की एक बड़ी गहराई होती है क्योंकि लेंस एक पिनहोल कैमरे की सीमा तक पहुंच जाता है जो दूरी की परवाह किए बिना सभी छवियों को पूरी तरह से फोकस करने में सक्षम होता है, लेकिन इसके लिए बहुत लंबे एक्सपोजर समय की आवश्यकता होती है। [90]

देखने का क्षेत्र कि लेंस लेंस की फोकल लंबाई के साथ परिवर्तन प्रदान करेगा। फिल्म के विकर्ण आकार या कैमरे के सेंसर आकार और लेंस की फोकल लंबाई के संबंध के आधार पर तीन बुनियादी वर्गीकरण हैं: [91]

   सामान्य लेंस: लगभग 50° का देखने का कोण (सामान्य कहा जाता है क्योंकि यह कोण मानव दृष्टि के लगभग बराबर माना जाता है [91]) और एक फोकल लंबाई फिल्म या सेंसर के विकर्ण के लगभग बराबर होती है। [92]

   वाइड-एंगल लेंस: देखने का कोण 60° से अधिक चौड़ा और फोकल लेंथ सामान्य लेंस से छोटा होता है। [93]

   लंबा फोकस लेंस: देखने का कोण सामान्य लेंस की तुलना में संकरा होता है। यह कोई भी लेंस है जिसकी फोकल लंबाई फिल्म या सेंसर के विकर्ण माप से अधिक लंबी होती है। [94] सबसे आम प्रकार का लंबा फोकस लेंस टेलीफोटो लेंस है, एक ऐसा डिज़ाइन जो अपनी फोकल लंबाई से शारीरिक रूप से छोटा होने के लिए एक विशेष टेलीफोटो समूह का उपयोग करता है। [95]

आधुनिक ज़ूम लेंस में इनमें से कुछ या सभी विशेषताएँ हो सकती हैं।

आवश्यक एक्सपोज़र समय के लिए निरपेक्ष मान इस बात पर निर्भर करता है कि उपयोग किया जा रहा माध्यम प्रकाश के प्रति कितना संवेदनशील है (फिल्म की गति से, या, डिजिटल मीडिया के लिए, क्वांटम दक्षता द्वारा मापा जाता है)।[96] प्रारंभिक फ़ोटोग्राफ़ी में ऐसे मीडिया का उपयोग किया जाता था जिसमें प्रकाश की संवेदनशीलता बहुत कम होती थी, और इसलिए बहुत उज्ज्वल शॉट्स के लिए भी एक्सपोज़र का समय लंबा होना पड़ता था। जैसे-जैसे तकनीक में सुधार हुआ है, वैसे-वैसे फिल्म कैमरों और डिजिटल कैमरों के माध्यम से संवेदनशीलता भी बढ़ी है।[97]

भौतिक और ज्यामितीय प्रकाशिकी के अन्य परिणाम कैमरा प्रकाशिकी पर लागू होते हैं। उदाहरण के लिए, किसी विशेष कैमरा सेट-अप की अधिकतम रिज़ॉल्यूशन क्षमता पुतली के आकार से जुड़ी विवर्तन सीमा द्वारा निर्धारित की जाती है और मोटे तौर पर रेले मानदंड द्वारा दी जाती है।

वायुमंडलीय प्रकाशिकी

मुख्य लेख: वायुमंडलीय प्रकाशिकी

एक रंगीन आकाश अक्सर प्रकाश के बिखरने वाले कणों और प्रदूषण के कारण होता है, जैसा कि अक्टूबर 2007 के कैलिफोर्निया जंगल की आग के दौरान सूर्यास्त की इस तस्वीर में है।

वातावरण के अद्वितीय ऑप्टिकल गुण शानदार ऑप्टिकल घटनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला का कारण बनते हैं। आकाश का नीला रंग रेले के प्रकीर्णन का प्रत्यक्ष परिणाम है जो उच्च आवृत्ति (नीला) सूर्य के प्रकाश को प्रेक्षक के देखने के क्षेत्र में वापस पुनर्निर्देशित करता है। क्योंकि नीला प्रकाश लाल प्रकाश की तुलना में अधिक आसानी से बिखरा हुआ होता है, जब सूर्य घने वातावरण के माध्यम से देखा जाता है, जैसे कि सूर्योदय या सूर्यास्त के दौरान सूर्य लाल रंग का हो जाता है। आकाश में अतिरिक्त कण पदार्थ अलग-अलग कोणों पर अलग-अलग रंगों को बिखेर सकते हैं और शाम और भोर में रंगीन चमकते आसमान का निर्माण कर सकते हैं। वातावरण में बर्फ के क्रिस्टल और अन्य कणों का बिखरना हेलो, आफ्टरग्लो, कोरोनस, सूरज की किरणों और सन डॉग के लिए जिम्मेदार है। इस प्रकार की परिघटनाओं में भिन्नता विभिन्न कण आकार और ज्यामिति के कारण होती है। [99]

मिराज प्रकाशीय परिघटनाएँ हैं जिनमें प्रकाश किरणें हवा के अपवर्तन सूचकांक में तापीय भिन्नताओं के कारण मुड़ी हुई होती हैं, जिससे दूर की वस्तुओं की विस्थापित या भारी विकृत छवियां उत्पन्न होती हैं। इससे जुड़ी अन्य नाटकीय ऑप्टिकल घटनाओं में नोवाया ज़म्ल्या प्रभाव शामिल है जहां सूर्य विकृत आकार के साथ भविष्यवाणी की तुलना में पहले उगता प्रतीत होता है। अपवर्तन का एक शानदार रूप एक तापमान उलटा होता है जिसे फाटा मोर्गाना कहा जाता है जहां क्षितिज पर या यहां तक ​​​​कि क्षितिज से परे की वस्तुएं, जैसे द्वीप, चट्टान, जहाज या हिमखंड, "परी कथा महल" की तरह लम्बी और ऊँची दिखाई देती हैं। [100]

इंद्रधनुष आंतरिक परावर्तन और वर्षा की बूंदों में प्रकाश के फैलाव अपवर्तन के संयोजन का परिणाम है। बारिश की बूंदों की एक सरणी के पीछे से एक एकल प्रतिबिंब आकाश पर एक कोणीय आकार के साथ एक इंद्रधनुष पैदा करता है जो बाहर की तरफ लाल रंग के साथ 40 ° से 42 ° तक होता है।

डबल इंद्रधनुष दो आंतरिक प्रतिबिंबों द्वारा निर्मित होते हैं जिनका कोणीय आकार 50.5° से 54° होता है और बाहर की तरफ वायलेट होता है। क्योंकि इन्द्रधनुष के केंद्र से 180° दूर सूर्य के साथ इन्द्रधनुष दिखाई देता है, इन्द्रधनुष अधिक प्रमुखता से सूर्य के क्षितिज के निकट होता है। [66]

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संदर्भ

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