Законы геометрической оптики

В основе геометрической оптики лежат приближённые законы, имеющие определённые фаницы применимости: закон прямолинейного распространения света в однородной среде, законы отражения и преломления, законы независимого и обратимого распространения световых пучков.

Прямолинейное распространение света в однородной среде

Рассмотрим распространение плоской электромагнитной волны за экраном с круглым отверстием диаметром D. Если непосредственно за отверстием установить другой экран для наблюдения распределения освещённости, то на нём будет наблюдаться достаточно резко очерченное светлое пятно диаметром D. Диаметр пятна практически не меняется, если расстояние L между отверстием и вторым экраном не слишком велико: L"D /X, где X — длина волны излучения. Свет, таким образом, распространяется в пределах прямой световой трубки длиной L и диаметром D. Если угол дифракции волны на отверстии О~Х/D мал, то длина световой трубки намного больше ее диаметра. Например, L" 2 м при X ~ 0,5 мкм и D = 1 мм. Это и есть область геометрической оптики, в пределах которой можно говорить о распространении света вдоль прямых лучей.

При L~ D² /X диаметр световой трубки на экране возрастает примерно вдвое — это уже область промежуточной дифракции, или дифракции Френеля. При дальнейшем увеличении L расплывание пучка возрастает, его диаметр значительно превышает О, а в распределении интенсивности в поперечном сечении пучка наблюдаются многочисленные побочные дифракционные максимумы. Это уже область силь;

ной дифракции — дифракции Фраунгофера, ее граница — L «D / X .

Отступления от геометрической оптики, от прямолинейного распространения света наблюдаются также и в окрестности геометрического центра схождения лучей: диаметр поперечного сечения волнового пучка не может быть намного меньше длины волны. Таким образом, геометрическая оптика, строго говоря, неприменима именно там, где необходима, а именно в точке изображения. Однако оптические системы, формирующие изображение, конструируют так, чтобы отступления от геометрической оптики были достаточно малыми и оптическая система, воспринимающая изображение, их не обнаруживала.