Den geometriske optik er en gren af det optiske, som især er baseret på lysstrålens model . Denne enkle tilgang tillader blandt andet geometriske konstruktioner af billeder, deraf navnet. Det er den mest fleksible og effektive værktøj til bekæmpelse af dioptriske og retro- reflekterende systemer . Det gør det således muligt at forklare dannelsen af billeder.
Geometrisk optik (den første optiske teori formuleret) valideres efterfølgende af bølgeoptik ved at tilnærme, at alle de anvendte elementer er store i forhold til lysets bølgelængde .
I debatten omkring XIX th århundrede den dobbelthed bølge-partikel af lette, geometrisk optik ikke angiver lysets natur og er derefter kompatibel med begge tilgange.
Fra et fysisk synspunkt er geometrisk optik en alternativ tilgang til bølgeoptik (ofte kaldet fysisk optik ) og kvanteoptik . På den anden side er den ældre og er blevet udviklet siden antikken. Begrebet lysstråle er blevet indført af Euklid i IV th århundrede f.Kr..
Indtil XVI th århundrede, optik hviler på begrebet lysstråle og forløber empirisk dog tillade fremkomsten af de første korrigerende linser i 1285. Lovene i Snell findes ved Snell i 1621 og derefter af Descartes i 1637.
Det første eksperiment, der viste grænserne for geometrisk optik, blev udført af Grimaldi i 1665, der gav sit navn til diffraktion . De bølge optik vil blive demonstreret på det XIX th århundrede med oplevelsen af Unge slidser og kvanteoptik vil kun dukke op i løbet af XX th århundrede.
En lysstråle er et teoretisk objekt: den har ingen fysisk eksistens. Det fungerer som en grundlæggende model for geometrisk optik, hvor enhver lysstråle er repræsenteret af et sæt lysstråler. Lysstrålen er en tilnærmelse af udbredelsesretningen for lysbølgen eller fotoner.
Når man overvejer lysbølgen, hvis bølgeoverfladen er et plan, er alle strålerne parallelle med hinanden, og hvis bølgeoverfladen er sfærisk, går alle strålerne til et punkt eller ser ud til at komme fra 'et punkt: vi har en stråle, der konvergerer ved et punkt, eller som afviger fra et punkt.
Begrebet optisk sti gør det muligt på en geometrisk måde at oversætte indflydelsen af mediets brydningsindeks på lysets hastighed. Den optiske sti er lig med den afstand, som lys ville have tilbagelagt i samme tid i et vakuum.
I praksis udtrykkes den optiske sti i et homogent indeksmedium for en tilbagelagt afstand :
.I en kontinuerlig tilgang og ikke diskret optisk vej: .
Den Fermats princip er baseret på begrebet optiske vej "mellem 2 point, lyset følger bane, der svarer til en optisk bane stationær (konstant), dvs., stien med minimal tid rute."
For at relatere lysstrålemodellen til bølgeteorien om lys er det nødvendigt at have en energisk tilgang til udbredelsen af lys. Lysstrålen repræsenterer udbredelsesretningen af lysenergi. Denne retning er vinkelret på lysbølgens bølgefronter.
To hovedprincipper grundlagt geometrisk optik:
Disse principper blev ikke formaliseret før sent sammenlignet med refleksionsloven, men de var allerede blevet postuleret i antikken af Heron of Alexandria . Brydningsloven kom senere. Refleksion og brydning er underlagt lovene i Snell-Descartes . Fænomenet med grænsebrydning og total refleksion findes først senere.
Brydningen i geometrisk optik på en plan diopter, i det tilfælde hvor n 1 <n 2 .
Illustration af refleksionsloven.
Geometrisk optik kan ikke forklare alle lysfænomener. Især tager det ikke højde for, om lyset er bølge eller partikel i naturen . Når alle objekter, der interagerer med lys, har karakteristiske størrelser store i forhold til lysstrålens bølgelængde, er det praktisk og enklere at bruge geometrisk optik til at beskrive dens opførsel med god præcision. Men når lyset diffunderer eller passerer gennem objekter, hvis størrelse er af samme størrelsesorden (eller endda mindre) end dets bølgelængde, er det ikke længere muligt at forsømme bølgeformen, og vi går ind i feltet for fysisk optik .
To karakteristiske fænomener med bølgeoptik, uforklarlige i forbindelse med geometrisk optik, er lysinterferens og diffraktion .
I den elektromagnetiske model af lys svarer geometrisk optik til et bestemt tilfælde, hvor bølgelængden betragtes som nul foran alle systemerne ( linser , spejle , ...), og hvor strålerne anses for at være uoverensstemmende med hinanden. Denne tilnærmelse gør det muligt at retfærdiggøre fokusering af lysstrålerne på et punkt såvel som fraværet af et diffraktionsfænomen .