بصريات

جزء من سلسلة عن
الفيزياء
فِهرِس مخطط تفصيلي المصطلحات التاريخ ( الخط الزمني )
الفروع الصوتيات الفيزياء الفلكية الفيزياء الذرية الفيزياء الحيوية الفيزياء الكلاسيكية الكهرومغناطيسية الجيوفيزياء الميكانيكا الفيزياء الحديثة الفيزياء النووية بصريات الديناميكا الحرارية
بحث فيزيائي ( قائمة ) قائمة جوائز الفيزياء قائمة المجلات قائمة المشاكل التي لم يتم حلها
بوابة الفيزياء  فئة
ف ت هـ

البصريات هي فرع من الفيزياء يدرس سلوك وخصائص الضوء ، بما في ذلك تفاعلاته مع المادة وبناء الأدوات التي تستخدمه أو تكتشفه . ^[1] تصف البصريات عادةً سلوك الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء . الضوء هو نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وتُظهر أشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الأشعة السينية والموجات الدقيقة والموجات الراديوية خصائص مماثلة. ^[1]

يمكن تفسير معظم الظواهر البصرية باستخدام الوصف الكهرومغناطيسي الكلاسيكي للضوء، ومع ذلك فإن الأوصاف الكهرومغناطيسية الكاملة للضوء غالبًا ما يكون من الصعب تطبيقها عمليًا. تتم البصريات العملية عادةً باستخدام نماذج مبسطة. وأكثرها شيوعًا، البصريات الهندسية ، التي تعامل الضوء كمجموعة من الأشعة التي تنتقل في خطوط مستقيمة وتنحني عندما تمر عبر الأسطح أو تنعكس عنها. البصريات الفيزيائية هي نموذج أكثر شمولاً للضوء، والذي يتضمن تأثيرات الموجة مثل الانعراج والتداخل التي لا يمكن تفسيرها في البصريات الهندسية. تاريخيًا، تم تطوير نموذج الضوء القائم على الأشعة أولاً، يليه نموذج الموجة للضوء. أدى التقدم في النظرية الكهرومغناطيسية في القرن التاسع عشر إلى اكتشاف أن موجات الضوء كانت في الواقع إشعاعًا كهرومغناطيسيًا.

تعتمد بعض الظواهر على أن الضوء يتمتع بخواص موجية وأخرى جسيمية . ويتطلب تفسير هذه التأثيرات ميكانيكا الكم . وعند النظر في خصائص الضوء الشبيهة بالجسيمات، يتم نمذجة الضوء كمجموعة من الجسيمات تسمى " الفوتونات ". وتتعامل البصريات الكمومية مع تطبيق ميكانيكا الكم على الأنظمة البصرية.

يُعد علم البصريات ذا صلة بالعديد من التخصصات ذات الصلة، ويُدرس فيها، بما في ذلك علم الفلك ، ومجالات الهندسة المختلفة ، والتصوير الفوتوغرافي ، والطب (وخاصة طب العيون وقياس البصر ، حيث يُطلق عليه اسم البصريات الفسيولوجية). توجد التطبيقات العملية للبصريات في مجموعة متنوعة من التقنيات والأشياء اليومية، بما في ذلك المرايا ، والعدسات ، والتلسكوبات ، والمجاهر ، والليزر ، والألياف الضوئية .

بدأ علم البصريات مع تطوير العدسات من قبل المصريين القدماء وبلاد ما بين النهرين . يرجع تاريخ أقدم العدسات المعروفة، المصنوعة من الكريستال المصقول ، غالبًا الكوارتز ، إلى عام 2000 قبل الميلاد من جزيرة كريت (المتحف الأثري في هيراكليون، اليونان). يعود تاريخ العدسات من رودس إلى حوالي 700 قبل الميلاد، وكذلك العدسات الآشورية مثل عدسة نمرود . ^[2] قام الرومان والإغريق القدماء بملء الكرات الزجاجية بالماء لصنع العدسات. تبع هذه التطورات العملية تطوير نظريات الضوء والرؤية من قبل الفلاسفة اليونانيين والهنود القدماء ، وتطوير البصريات الهندسية في العالم اليوناني الروماني . تأتي كلمة البصريات من الكلمة اليونانية القديمة ὀπτική ، optikē " المظهر، المظهر " . ^[3]

انقسمت الفلسفة اليونانية في البصريات إلى نظريتين متعارضتين حول كيفية عمل الرؤية، نظرية الإدخال ونظرية الانبعاث . ^[4] رأى نهج الإدخال أن الرؤية تأتي من الأشياء التي تتخلص من نسخ من نفسها (تسمى eidola) التي تم التقاطها بواسطة العين. مع العديد من المروجين بما في ذلك ديمقريطس وأبيقور وأرسطو وأتباعهم ، يبدو أن هذه النظرية لها بعض الاتصال بالنظريات الحديثة حول ماهية الرؤية حقًا، لكنها ظلت مجرد تكهنات تفتقر إلى أي أساس تجريبي .

صاغ أفلاطون لأول مرة نظرية الانبعاث ، وهي فكرة مفادها أن الإدراك البصري يتم من خلال الأشعة التي تنبعث من العينين. كما علق على عكس التكافؤ في المرايا في تيماوس . ^[5] بعد بضع مئات من السنين، كتب إقليدس (القرنين الرابع والثالث قبل الميلاد) أطروحة بعنوان البصريات حيث ربط الرؤية بالهندسة ، وخلق البصريات الهندسية . ^[6] استند في عمله على نظرية الانبعاث لأفلاطون حيث وصف القواعد الرياضية للمنظور ووصف تأثيرات الانكسار نوعيًا، على الرغم من أنه شكك في أن شعاع الضوء من العين يمكن أن يضيء النجوم على الفور في كل مرة يرمش فيها شخص ما. ^[7] ذكر إقليدس مبدأ أقصر مسار للضوء، ونظر في الانعكاسات المتعددة على المرايا المسطحة والكروية. في أطروحته "البصريات" ، تبنى بطليموس نظرية الإرسال والإدخال للرؤية: حيث شكلت الأشعة (أو التدفق) من العين مخروطًا، وكانت القمة داخل العين، وكانت القاعدة تحدد المجال البصري. كانت الأشعة حساسة، ونقلت المعلومات إلى عقل المراقب حول مسافة واتجاه الأسطح. وقد لخص الكثير من أعمال إقليدس واستمر في وصف طريقة لقياس زاوية الانكسار ، على الرغم من أنه فشل في ملاحظة العلاقة التجريبية بينها وبين زاوية السقوط. ^{[8] وصف} بلوتارخ (القرنين الأول والثاني الميلاديين) انعكاسات متعددة على المرايا الكروية وناقش إنشاء صور مكبرة ومختصرة، سواء كانت حقيقية أو خيالية، بما في ذلك حالة كيرالية الصور.

خلال العصور الوسطى ، تم إحياء الأفكار اليونانية حول البصريات وتوسيعها من قبل الكتاب في العالم الإسلامي . كان أحد أقدم هؤلاء هو الكندي ( حوالي  801-873 ) الذي كتب عن مزايا الأفكار الأرسطية والإقليدية للبصريات، مفضلاً نظرية الانبعاث لأنها يمكن أن تقيس الظواهر البصرية بشكل أفضل. ^[9] في عام 984، كتب عالم الرياضيات الفارسي ابن سهل أطروحة "حول حرق المرايا والعدسات"، واصفًا بشكل صحيح قانون الانكسار المكافئ لقانون سنيل. ^[10] استخدم هذا القانون لحساب الأشكال المثلى للعدسات والمرايا المنحنية . في أوائل القرن الحادي عشر، كتب الحسن (ابن الهيثم) كتاب البصريات ( كتاب المناظير ) الذي استكشف فيه الانعكاس والانكسار واقترح نظامًا جديدًا لشرح الرؤية والضوء بناءً على الملاحظة والتجربة. ^{[11] رفض "نظرية الانبعاث" في البصريات البطلمية التي كانت تبث أشعتها من العين، وطرح بدلاً من ذلك فكرة أن الضوء ينعكس في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة من جميع نقاط الأشياء التي يتم مشاهدتها ثم يدخل العين، على الرغم من أنه لم يتمكن من شرح كيفية التقاط العين للأشعة بشكل صحيح. [12]} تم تجاهل عمل الحسن إلى حد كبير في العالم العربي ولكن تمت ترجمته بشكل مجهول إلى اللاتينية حوالي عام 1200 بعد الميلاد وتم تلخيصه وتوسيعه من قبل الراهب البولندي فيتيلو ^[13] مما جعله نصًا قياسيًا في البصريات في أوروبا على مدار الأربعمائة عام التالية. ^[14]

في القرن الثالث عشر في أوروبا في العصور الوسطى، كتب الأسقف الإنجليزي روبرت جروسيتيست عن مجموعة واسعة من الموضوعات العلمية، وناقش الضوء من أربعة مناظير مختلفة: نظرية معرفة الضوء، وميتافيزيقيا أو علم نشأة الضوء، وعلم أسباب الضوء أو فيزياء الضوء، ولاهوت الضوء، ^[15] مستندًا إلى أعمال أرسطو وأفلاطونية. كتب روجر بيكون ، تلميذ جروسيتيست الأكثر شهرة ، أعمالًا تستشهد بمجموعة واسعة من الأعمال البصرية والفلسفية المترجمة مؤخرًا، بما في ذلك أعمال الحسن وأرسطو وابن سينا ​​وابن رشد وإقليدس والكندي وبطليموس وتيديوس وقسطنطين الأفريقي . كان بيكون قادرًا على استخدام أجزاء من المجالات الزجاجية كعدسات مكبرة لإثبات أن الضوء ينعكس عن الأشياء بدلاً من إطلاقه منها.

تم اختراع أول نظارات يمكن ارتداؤها في إيطاليا حوالي عام 1286. ^[16] كانت هذه بداية الصناعة البصرية لطحن وتلميع العدسات لهذه "النظارات"، أولاً في البندقية وفلورنسا في القرن الثالث عشر، ^[17] وفي وقت لاحق في مراكز صنع النظارات في كل من هولندا وألمانيا. ^[18] ابتكر صانعو النظارات أنواعًا محسنة من العدسات لتصحيح الرؤية استنادًا إلى المعرفة التجريبية المكتسبة من ملاحظة تأثيرات العدسات بدلاً من استخدام النظرية البصرية البدائية في ذلك اليوم (نظرية لم تستطع في الغالب حتى تفسير كيفية عمل النظارات بشكل كافٍ). ^{[19] [20]} أدى هذا التطور العملي والإتقان والتجريب بالعدسات مباشرة إلى اختراع المجهر البصري المركب حوالي عام 1595، والتلسكوب الانكساري في عام 1608، وكلاهما ظهر في مراكز صنع النظارات في هولندا. ^{[21] [22]}

في أوائل القرن السابع عشر، توسع يوهانس كيبلر في علم البصريات الهندسية في كتاباته، حيث غطى العدسات، والانعكاس بواسطة المرايا المسطحة والمنحنية، ومبادئ الكاميرات ذات الثقب الدقيق، وقانون التربيع العكسي الذي يحكم شدة الضوء، والتفسيرات البصرية للظواهر الفلكية مثل خسوف القمر والشمس والمنظر الفلكي . كان قادرًا أيضًا على استنتاج دور شبكية العين بشكل صحيح باعتبارها العضو الفعلي الذي يسجل الصور، وأخيرًا أصبح قادرًا على تحديد تأثيرات أنواع مختلفة من العدسات التي كان صناع النظارات يراقبونها علميًا على مدار 300 عام سابقة. ^[24] بعد اختراع التلسكوب، وضع كيبلر الأساس النظري لكيفية عملهم ووصف نسخة محسنة، تُعرف باسم تلسكوب كيبلر ، باستخدام عدستين محدبتين لإنتاج تكبير أعلى. ^[25]

تقدمت النظرية البصرية في منتصف القرن السابع عشر مع الأطروحات التي كتبها الفيلسوف رينيه ديكارت ، والتي شرحت مجموعة متنوعة من الظواهر البصرية بما في ذلك الانعكاس والانكسار بافتراض أن الضوء ينبعث من الأشياء التي تنتجه. ^[26] وهذا يختلف جوهريًا عن نظرية الانبعاث اليونانية القديمة. في أواخر ستينيات القرن السابع عشر وأوائل سبعينيات القرن السابع عشر، وسع إسحاق نيوتن أفكار ديكارت إلى نظرية الجسيمات للضوء ، حيث حدد بشكل مشهور أن الضوء الأبيض هو مزيج من الألوان التي يمكن فصلها إلى أجزائها المكونة باستخدام منشور . في عام 1690، اقترح كريستيان هويجنز نظرية موجية للضوء بناءً على الاقتراحات التي قدمها روبرت هوك في عام 1664. انتقد هوك نفسه علنًا نظريات نيوتن للضوء واستمر الخلاف بين الاثنين حتى وفاة هوك. في عام 1704، نشر نيوتن كتابه البصريات ، وفي ذلك الوقت، وبسبب نجاحه في مجالات أخرى من الفيزياء، كان يُنظر إليه عمومًا على أنه المنتصر في المناقشة حول طبيعة الضوء. ^[26]

كانت البصريات النيوتونية مقبولة بشكل عام حتى أوائل القرن التاسع عشر عندما أجرى توماس يونج وأوغستين جان فرينل تجارب على تداخل الضوء والتي أثبتت بشكل قاطع طبيعة الموجة للضوء. أظهرت تجربة الشق المزدوج الشهيرة ليونج أن الضوء يتبع مبدأ التراكب ، وهي خاصية تشبه الموجة لم تتنبأ بها نظرية جسيمات نيوتن. أدى هذا العمل إلى نظرية حيود الضوء وفتح مجالًا كاملاً للدراسة في البصريات الفيزيائية. ^[27] تم توحيد البصريات الموجية بنجاح مع النظرية الكهرومغناطيسية بواسطة جيمس كليرك ماكسويل في ستينيات القرن التاسع عشر. ^[28]

جاء التطور التالي في النظرية البصرية في عام 1899 عندما وضع ماكس بلانك نموذجًا صحيحًا لإشعاع الجسم الأسود بافتراض أن تبادل الطاقة بين الضوء والمادة يحدث فقط بكميات منفصلة أطلق عليها الكم . ^[29] في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي التي أسست بقوة لتكميم الضوء نفسه. ^{[30] [31]} في عام 1913، أظهر نيلز بور أن الذرات لا يمكنها إلا أن تنبعث منها كميات منفصلة من الطاقة، وبالتالي شرح الخطوط المنفصلة التي شوهدت في أطياف الانبعاث والامتصاص . ^[32] إن فهم التفاعل بين الضوء والمادة الذي أعقب هذه التطورات لم يشكل أساس البصريات الكمومية فحسب، بل كان أيضًا أمرًا بالغ الأهمية لتطوير ميكانيكا الكم ككل. تفسر نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية ، التي بلغت ذروتها في النهاية، جميع البصريات والعمليات الكهرومغناطيسية بشكل عام كنتيجة لتبادل الفوتونات الحقيقية والافتراضية . ^[33] اكتسبت البصريات الكمومية أهمية عملية مع اختراع الميزر في عام 1953 والليزر في عام 1960. ^[34]

بعد عمل بول ديراك في نظرية المجال الكمومي ، قام جورج سودارشان وروي جيه جلاوبر وليونارد ماندل بتطبيق نظرية الكم على المجال الكهرومغناطيسي في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين للحصول على فهم أكثر تفصيلاً للكشف الضوئي وإحصائيات الضوء .

تنقسم البصريات الكلاسيكية إلى فرعين رئيسيين: البصريات الهندسية (أو الشعاعية) والبصريات الفيزيائية (أو الموجية). في البصريات الهندسية، يُعتقد أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة، بينما في البصريات الفيزيائية، يُعتبر الضوء بمثابة موجة كهرومغناطيسية.

يمكن النظر إلى البصريات الهندسية باعتبارها تقريب للبصريات الفيزيائية التي تنطبق عندما يكون الطول الموجي للضوء المستخدم أصغر بكثير من حجم العناصر البصرية في النظام الذي يتم نمذجته.

يصف علم البصريات الهندسية ، أو علم بصريات الأشعة ، انتشار الضوء من حيث "الأشعة" التي تنتقل في خطوط مستقيمة، والتي تحكم مساراتها قوانين الانعكاس والانكسار عند الواجهات بين الوسائط المختلفة. ^[35] تم اكتشاف هذه القوانين تجريبياً منذ عام 984 م ^[10] وتم استخدامها في تصميم المكونات والأجهزة البصرية منذ ذلك الحين وحتى يومنا هذا. ويمكن تلخيصها على النحو التالي:

عندما يسقط شعاع الضوء على الحد الفاصل بين مادتين شفافتين، فإنه ينقسم إلى شعاع منعكس وشعاع منكسر.

• ينص قانون الانعكاس على أن الشعاع المنعكس يقع في مستوى السقوط، وأن زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط.
• ينص قانون الانكسار على أن الشعاع المنكسر يقع في مستوى السقوط، وأن جيب زاوية السقوط مقسومًا على جيب زاوية الانكسار هو ثابت: حيث n هو ثابت لأي مادتين ولون معين للضوء. إذا كانت المادة الأولى هي الهواء أو الفراغ، فإن n هو معامل الانكسار للمادة الثانية.$${\displaystyle {\frac {\sin {\theta _{1}}}{\sin {\theta _{2}}}=n,}$$

يمكن استخلاص قوانين الانعكاس والانكسار من مبدأ فيرما الذي ينص على أن المسار الذي يسلكه شعاع الضوء بين نقطتين هو المسار الذي يمكن قطعه في أقل وقت. ^[36]

غالبًا ما يتم تبسيط البصريات الهندسية عن طريق إجراء تقريب محوري ، أو "تقريب الزاوية الصغيرة". ثم يصبح السلوك الرياضي خطيًا، مما يسمح بوصف المكونات والأنظمة البصرية بمصفوفات بسيطة. يؤدي هذا إلى تقنيات البصريات الغاوسية وتتبع الأشعة المحورية ، والتي تُستخدم للعثور على الخصائص الأساسية للأنظمة البصرية، مثل مواضع الصور والأشياء التقريبية والتكبير . ^[37]

يمكن تقسيم الانعكاسات إلى نوعين: الانعكاس المرآوي والانعكاس المنتشر . يصف الانعكاس المرآوي لمعان الأسطح مثل المرايا، والتي تعكس الضوء بطريقة بسيطة ويمكن التنبؤ بها. وهذا يسمح بإنتاج صور منعكسة يمكن ربطها بموقع فعلي ( حقيقي ) أو مُستقرأ ( افتراضي ) في الفضاء. يصف الانعكاس المنتشر المواد غير اللامعة، مثل الورق أو الصخور. لا يمكن وصف الانعكاسات من هذه الأسطح إلا إحصائيًا، مع التوزيع الدقيق للضوء المنعكس اعتمادًا على التركيب المجهري للمادة. يتم وصف العديد من العاكسات المنتشرة أو يمكن تقريبها بواسطة قانون جيب التمام لامبرت ، والذي يصف الأسطح التي لها سطوع متساوٍ عند النظر إليها من أي زاوية. يمكن أن تعطي الأسطح اللامعة انعكاسًا مرآويًا ومنتشرًا.

في الانعكاس المرآوي، يتم تحديد اتجاه الشعاع المنعكس من خلال الزاوية التي يصنعها الشعاع الساقط مع العمودي على السطح ، وهو خط عمودي على السطح عند النقطة التي يصطدم بها الشعاع. تقع الأشعة الساقطة والمنعكسة والعمودي في مستوى واحد، والزاوية بين الشعاع المنعكس والعمودي على السطح هي نفسها الزاوية بين الشعاع الساقط والعمودي. ^[38] وهذا ما يُعرف بقانون الانعكاس .

بالنسبة للمرايا المسطحة ، فإن قانون الانعكاس يعني أن صور الأشياء تكون منتصبة وعلى نفس المسافة خلف المرآة مثل الأشياء أمام المرآة. حجم الصورة هو نفس حجم الجسم. يعني القانون أيضًا أن صور المرآة تكون معكوسة التكافؤ، وهو ما ندركه على أنه انعكاس من اليسار إلى اليمين. الصور المتكونة من الانعكاس في مرآتين (أو أي عدد زوجي من) المرايا ليست معكوسة التكافؤ. تنتج عاكسات الزوايا أشعة منعكسة تنتقل للخلف في الاتجاه الذي جاءت منه الأشعة الواردة. ^[39] وهذا ما يسمى بالانعكاس الرجعي .

يمكن إنشاء نموذج للمرايا ذات الأسطح المنحنية من خلال تتبع الأشعة واستخدام قانون الانعكاس عند كل نقطة على السطح. بالنسبة للمرايا ذات الأسطح المكافئة ، تنتج الأشعة المتوازية الساقطة على المرآة أشعة منعكسة تتقارب عند بؤرة مشتركة . قد تركز الأسطح المنحنية الأخرى الضوء أيضًا، ولكن مع الانحرافات بسبب الشكل المتباعد الذي يتسبب في تلطيخ البؤرة في الفضاء. على وجه الخصوص، تُظهر المرايا الكروية انحرافًا كرويًا . يمكن للمرايا المنحنية تكوين صور بتكبير أكبر من أو أقل من واحد، ويمكن أن يكون التكبير سلبيًا، مما يشير إلى أن الصورة مقلوبة. الصورة المستقيمة المتكونة من الانعكاس في المرآة تكون افتراضية دائمًا، بينما الصورة المقلوبة حقيقية ويمكن عرضها على شاشة. ^[40]

يحدث الانكسار عندما ينتقل الضوء عبر منطقة من الفضاء لها معامل انكسار متغير؛ يسمح هذا المبدأ بالعدسات وتركيز الضوء. تحدث أبسط حالة من حالات الانكسار عندما تكون هناك واجهة بين وسط موحد بمعامل انكسار n ₁ ووسط آخر بمعامل انكسار n _2. في مثل هذه المواقف، يصف قانون سنيل الانحراف الناتج عن شعاع الضوء:

$${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$$

حيث θ ₁ و θ ₂ هما الزاويتان بين العمودي (إلى الواجهة) والموجات الواردة والمنكسرة، على التوالي. ^[38]

يرتبط معامل انكسار وسط بسرعة الضوء v في هذا الوسط حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ . $${\displaystyle n=c/v,}$$

يمكن استخدام قانون سنيل للتنبؤ بانحراف أشعة الضوء أثناء مرورها عبر وسائط خطية طالما أن مؤشرات الانكسار وهندسة الوسائط معروفة. على سبيل المثال، يؤدي انتشار الضوء عبر منشور إلى انحراف شعاع الضوء اعتمادًا على شكل المنشور واتجاهه. في معظم المواد، يختلف مؤشر الانكسار مع تردد الضوء، والمعروف باسم التشتت . مع أخذ ذلك في الاعتبار، يمكن استخدام قانون سنيل للتنبؤ بكيفية تشتيت المنشور للضوء في طيف. ^[41] يُنسب اكتشاف هذه الظاهرة عند مرور الضوء عبر منشور إلى إسحاق نيوتن.

تحتوي بعض الوسائط على معامل انكسار يتغير تدريجيًا مع الموضع، وبالتالي، تكون أشعة الضوء في الوسط منحنية. هذا التأثير مسؤول عن السراب الذي يُرى في الأيام الحارة: يتسبب تغير معامل انكسار الهواء مع الارتفاع في انحناء أشعة الضوء، مما يخلق مظهر انعكاسات مرآوية في المسافة (كما لو كانت على سطح بركة من الماء). تسمى المواد البصرية ذات معامل الانكسار المتغير مواد معامل التدرج (GRIN). تُستخدم مثل هذه المواد لصنع بصريات معامل التدرج . ^[42]

بالنسبة لأشعة الضوء التي تنتقل من مادة ذات معامل انكسار مرتفع إلى مادة ذات معامل انكسار منخفض، يتوقع قانون سنيل أنه لا يوجد θ ₂ عندما تكون θ ₁ كبيرة. في هذه الحالة، لا يحدث أي انتقال؛ ينعكس كل الضوء. تسمى هذه الظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي وتسمح بتكنولوجيا الألياف الضوئية. عندما ينتقل الضوء عبر الألياف الضوئية، فإنه يخضع للانعكاس الداخلي الكلي مما يسمح بعدم فقد أي ضوء على طول الكابل. ^[43]

الجهاز الذي ينتج أشعة ضوء متقاربة أو متباعدة بسبب الانكسار يُعرف باسم العدسة . تتميز العدسات بطول بؤريها : العدسة المتقاربة لها طول بؤري موجب، بينما العدسة المتباعدة لها طول بؤري سالب. يشير الطول البؤري الأصغر إلى أن العدسة لها تأثير متقارب أو متباعد أقوى. يتم تحديد الطول البؤري للعدسة البسيطة في الهواء بواسطة معادلة صانع العدسات . ^[44]

يمكن استخدام تتبع الأشعة لإظهار كيفية تكوين الصور بواسطة عدسة. بالنسبة لعدسة رقيقة في الهواء، يتم تحديد موقع الصورة بالمعادلة البسيطة

$${\displaystyle {\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}},}$$

حيث S ₁ هي المسافة من الجسم إلى العدسة، و θ ₂ هي المسافة من العدسة إلى الصورة، و f هي البعد البؤري للعدسة. في اتفاقية الإشارة المستخدمة هنا، تكون مسافات الجسم والصورة موجبة إذا كان الجسم والصورة على جانبين متقابلين من العدسة. ^[45]

يتم تركيز الأشعة المتوازية الواردة بواسطة عدسة متقاربة على بقعة تبعد مسافة بؤرية واحدة عن العدسة، على الجانب البعيد من العدسة. وهذا ما يسمى بنقطة التركيز الخلفية للعدسة. يتم تركيز الأشعة من جسم على مسافة محددة أبعد عن العدسة من المسافة البؤرية؛ فكلما اقترب الجسم من العدسة، كلما ابتعدت الصورة عن العدسة.

في العدسات المتباعدة، تتباعد الأشعة المتوازية الواردة بعد مرورها عبر العدسة، بطريقة تجعلها تبدو وكأنها نشأت في نقطة تقع على بعد بؤري واحد أمام العدسة. هذه هي النقطة البؤرية الأمامية للعدسة. ترتبط الأشعة من جسم على مسافة محدودة بصورة افتراضية أقرب إلى العدسة من النقطة البؤرية، وعلى نفس جانب العدسة مثل الجسم. كلما اقترب الجسم من العدسة، اقتربت الصورة الافتراضية من العدسة. كما هو الحال مع المرايا، فإن الصور المستقيمة التي تنتجها عدسة واحدة تكون افتراضية، في حين أن الصور المقلوبة تكون حقيقية. ^[46]

تعاني العدسات من الانحرافات التي تشوه الصور. تحدث الانحرافات أحادية اللون لأن هندسة العدسة لا توجه الأشعة من كل نقطة جسم إلى نقطة واحدة في الصورة بشكل مثالي، بينما يحدث الانحراف اللوني لأن معامل انكسار العدسة يتغير مع طول موجة الضوء. ^[47]

في البصريات الفيزيائية، يُعتقد أن الضوء ينتشر على شكل موجات. يتنبأ هذا النموذج بظواهر مثل التداخل والحيود، والتي لا يمكن تفسيرها بالبصريات الهندسية. تبلغ سرعة موجات الضوء في الهواء حوالي 3.0×10 ⁸  م/ث (بالضبط 299,792,458 م/ث في الفراغ ). يتراوح الطول الموجي لموجات الضوء المرئي بين 400 و700 نانومتر، ولكن مصطلح "الضوء" يُطبق أيضًا غالبًا على الأشعة تحت الحمراء (0.7–300 ميكرومتر) والأشعة فوق البنفسجية (10–400 نانومتر).

يمكن استخدام نموذج الموجة للتنبؤ بكيفية تصرف النظام البصري دون الحاجة إلى شرح لما "يموج" في أي وسط. حتى منتصف القرن التاسع عشر، كان معظم علماء الفيزياء يؤمنون بوجود وسط "أثيري" ينتشر فيه اضطراب الضوء. ^[48] تم التنبؤ بوجود الموجات الكهرومغناطيسية في عام 1865 من خلال معادلات ماكسويل . تنتشر هذه الموجات بسرعة الضوء ولها مجالات كهربائية ومغناطيسية متفاوتة متعامدة مع بعضها البعض، وكذلك في اتجاه انتشار الموجات. ^[49] تُعامل موجات الضوء الآن بشكل عام على أنها موجات كهرومغناطيسية باستثناء الحالات التي يتعين فيها مراعاة التأثيرات الميكانيكية الكمومية.

تتوفر العديد من التقريبات المبسطة لتحليل وتصميم الأنظمة البصرية. تستخدم معظم هذه التقريبات كمية قياسية واحدة لتمثيل المجال الكهربائي للموجة الضوئية، بدلاً من استخدام نموذج متجه مع متجهات كهربائية ومغناطيسية متعامدة. ^[50] معادلة هويجنز-فريسنل هي أحد هذه النماذج. تم استنباط هذا النموذج تجريبياً بواسطة فرينل في عام 1815، بناءً على فرضية هويجنز بأن كل نقطة على واجهة الموجة تولد واجهة موجة كروية ثانوية، والتي جمعها فرينل مع مبدأ تراكب الموجات. تضع معادلة حيود كيرشوف ، والتي تم استنباطها باستخدام معادلات ماكسويل، معادلة هويجنز-فريسنل على أساس فيزيائي أكثر ثباتًا. يمكن العثور على أمثلة لتطبيق مبدأ هويجنز-فريسنل في المقالات حول الحيود وحيود فراونهوفر .

إن التعامل مع المواد التي تؤثر خصائصها الكهربائية والمغناطيسية على تفاعل الضوء مع المادة يتطلب نماذج أكثر صرامة، تتضمن نمذجة كل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية للموجة الضوئية. على سبيل المثال، يختلف سلوك الموجة الضوئية المتفاعلة مع سطح معدني تمامًا عما يحدث عندما تتفاعل مع مادة عازلة. كما يجب استخدام نموذج متجه لنمذجة الضوء المستقطب.

يمكن استخدام تقنيات النمذجة العددية مثل طريقة العناصر المحدودة وطريقة العناصر الحدودية وطريقة مصفوفة خطوط النقل لنمذجة انتشار الضوء في الأنظمة التي لا يمكن حلها تحليليًا. تتطلب مثل هذه النماذج قدرًا كبيرًا من الحساب وعادةً ما تُستخدم فقط لحل المشكلات الصغيرة التي تتطلب دقة تتجاوز ما يمكن تحقيقه باستخدام الحلول التحليلية. ^[51]

يمكن استعادة جميع النتائج من البصريات الهندسية باستخدام تقنيات بصريات فورييه التي تطبق العديد من نفس التقنيات الرياضية والتحليلية المستخدمة في الهندسة الصوتية ومعالجة الإشارات .

انتشار الشعاع الغاوسي هو نموذج بصري فيزيائي بسيط لانتشار الإشعاع المتماسك مثل أشعة الليزر. تأخذ هذه التقنية في الاعتبار جزئيًا الانعراج، مما يسمح بحسابات دقيقة لمعدل تمدد شعاع الليزر مع المسافة، والحد الأدنى للحجم الذي يمكن تركيز الشعاع عليه. وبالتالي فإن انتشار الشعاع الغاوسي يسد الفجوة بين البصريات الهندسية والفيزيائية. ^[52]

في غياب التأثيرات غير الخطية ، يمكن استخدام مبدأ التراكب للتنبؤ بشكل أشكال الموجة المتفاعلة من خلال الإضافة البسيطة للاضطرابات. ^[53] يُطلق على تفاعل الموجات هذا لإنتاج نمط ناتج بشكل عام "التداخل" ويمكن أن يؤدي إلى مجموعة متنوعة من النتائج. إذا كانت موجتان من نفس الطول الموجي والتردد في طور ، فإن قمم الموجة وأحواض الموجة تتوافق. يؤدي هذا إلى تداخل بناء وزيادة في سعة الموجة، والتي ترتبط بالنسبة للضوء بتفتيح شكل الموجة في ذلك الموقع. بدلاً من ذلك، إذا كانت الموجتان من نفس الطول الموجي والتردد خارج الطور، فإن قمم الموجة ستتوافق مع أحواض الموجة والعكس صحيح. يؤدي هذا إلى تداخل مدمر وانخفاض في سعة الموجة، والتي ترتبط بالنسبة للضوء بتعتيم شكل الموجة في ذلك الموقع. انظر أدناه لتوضيح هذا التأثير. ^[54]

شكل الموجة المجمعة
الموجة 1
الموجة 2
	موجتان في الطور	موجتان خارج الطور بمقدار 180 درجة

نظرًا لأن مبدأ هويجنز-فرينل ينص على أن كل نقطة من الجبهة الموجية مرتبطة بإنتاج اضطراب جديد، فمن الممكن أن تتداخل الجبهة الموجية مع نفسها بشكل بناء أو مدمر في مواقع مختلفة مما ينتج عنه حواف ساطعة ومظلمة في أنماط منتظمة ويمكن التنبؤ بها. ^[55] التداخل هو علم قياس هذه الأنماط، وعادةً ما يكون ذلك كوسيلة لإجراء تحديدات دقيقة للمسافات أو الدقة الزاوية . ^[56] كان مقياس تداخل ميكلسون أداة مشهورة استخدمت تأثيرات التداخل لقياس سرعة الضوء بدقة. ^[57]

يتأثر مظهر الأغشية الرقيقة والطلاءات بشكل مباشر بتأثيرات التداخل. تستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس التداخل المدمر لتقليل انعكاسية الأسطح التي تغطيها، ويمكن استخدامها لتقليل الوهج والانعكاسات غير المرغوب فيها. أبسط حالة هي طبقة واحدة بسُمك ربع طول موجة الضوء الساقط. تكون الموجة المنعكسة من أعلى الفيلم والموجة المنعكسة من واجهة الفيلم/المادة بعد ذلك خارج الطور تمامًا بمقدار 180 درجة، مما يتسبب في تداخل مدمر. تكون الموجات خارج الطور تمامًا فقط لطول موجي واحد، والذي يتم اختياره عادةً ليكون بالقرب من مركز الطيف المرئي، حوالي 550 نانومتر. يمكن للتصاميم الأكثر تعقيدًا باستخدام طبقات متعددة تحقيق انعكاسية منخفضة على نطاق عريض، أو انعكاسية منخفضة للغاية عند طول موجي واحد.

يمكن أن يؤدي التداخل البنّاء في الأغشية الرقيقة إلى انعكاس قوي للضوء في نطاق من الأطوال الموجية، والتي يمكن أن تكون ضيقة أو واسعة اعتمادًا على تصميم الطلاء. تُستخدم هذه الأغشية في صنع المرايا العازلة ، ومرشحات التداخل ، وعاكسات الحرارة ، ومرشحات فصل الألوان في كاميرات التلفزيون الملون . كما أن تأثير التداخل هذا هو ما يسبب أنماط قوس قزح الملونة التي نراها في بقع النفط. ^[58]

الحيود هو العملية التي يتم من خلالها ملاحظة تداخل الضوء بشكل شائع. تم وصف التأثير لأول مرة في عام 1665 بواسطة فرانشيسكو ماريا جريمالدي ، الذي صاغ أيضًا المصطلح من الكلمة اللاتينية diffringere " التحطم إلى قطع " . ^{[59] [60]} في وقت لاحق من ذلك القرن، وصف روبرت هوك وإسحاق نيوتن أيضًا ظواهر معروفة الآن باسم الحيود في حلقات نيوتن ^[61] بينما سجل جيمس جريجوري ملاحظاته لأنماط الحيود من ريش الطيور. ^[62]

تم تطوير أول نموذج بصري فيزيائي للحيود يعتمد على مبدأ هويجنز-فريسنل في عام 1803 بواسطة توماس يونج في تجاربه التداخلية مع أنماط التداخل لشقين متقاربين. أظهر يونج أن نتائجه لا يمكن تفسيرها إلا إذا كان الشقان بمثابة مصدرين فريدين للموجات بدلاً من الجسيمات. ^[63] في عامي 1815 و1818، أسس أوغستين جان فريسنل بقوة الرياضيات لكيفية تفسير تداخل الموجات للحيود. ^[64]

تستخدم أبسط النماذج الفيزيائية للحيود معادلات تصف الفصل الزاوي بين الحواف المضيئة والداكنة بسبب ضوء بطول موجي معين ( λ ). وبشكل عام، تأخذ المعادلة الشكل حيث d هو الفصل بين مصدرين للموجة الأمامية (في حالة تجارب يونج، كان شقين )، و θ هو الفصل الزاوي بين الحافة المركزية والحافة من الدرجة m ، حيث يكون الحد الأقصى المركزي m = 0. ^[65]$${\displaystyle m\lambda =d\sin \theta }$$

تم تعديل هذه المعادلة قليلاً لتأخذ في الاعتبار مجموعة متنوعة من المواقف مثل الحيود من خلال فجوة واحدة، أو الحيود من خلال شقوق متعددة، أو الحيود من خلال شبكة حيود تحتوي على عدد كبير من الشقوق بمسافات متساوية. ^[66] تتطلب النماذج الأكثر تعقيدًا للحيود العمل مع رياضيات حيود فرينل أو فراونهوفر . ^[67]

يستفيد حيود الأشعة السينية من حقيقة أن الذرات في البلورة لها مسافات منتظمة على مسافات تبلغ حوالي أنجستروم واحد . ولرؤية أنماط الحيود، يتم تمرير الأشعة السينية ذات الأطوال الموجية المماثلة لتلك المسافة عبر البلورة. ونظرًا لأن البلورات عبارة عن أجسام ثلاثية الأبعاد وليست شبكات ثنائية الأبعاد، فإن نمط الحيود المرتبط يختلف في اتجاهين وفقًا لانعكاس براج ، مع حدوث البقع المضيئة المرتبطة في أنماط فريدة ويكون d ضعف المسافة بين الذرات. ^[68]

تحد تأثيرات الحيود من قدرة الكاشف البصري على حل مصادر الضوء المنفصلة بصريًا. بشكل عام، سوف يتعرض الضوء الذي يمر عبر فتحة للحيود وأفضل الصور التي يمكن إنشاؤها (كما هو موضح في البصريات المحدودة بالحيود ) تظهر كنقطة مركزية مع حلقات ساطعة محيطة بها، مفصولة بنقاط داكنة؛ يُعرف هذا النمط باسم نمط Airy ، والفص المركزي الساطع كقرص Airy . ^[69] يتم تحديد حجم هذا القرص بواسطة حيث θ هي الدقة الزاوية، وλ هو الطول الموجي للضوء، و D هو قطر فتحة العدسة. إذا كان الفصل الزاوي بين النقطتين أقل بكثير من نصف القطر الزاوي لقرص Airy، فلا يمكن حل النقطتين في الصورة، ولكن إذا كان الفصل الزاوي بينهما أكبر بكثير من هذا، يتم تكوين صور مميزة للنقطتين وبالتالي يمكن حلهما. لقد حدد رايلي " معيار رايلي " التعسفي إلى حد ما والذي ينص على أن النقطتين اللتين تكون المسافة الزاوية بينهما مساوية لنصف قطر قرص إيري (مقاسًا حتى الصفر الأول، أي حتى أول مكان لا يُرى فيه الضوء) يمكن اعتبارهما محسومتين. ويمكن ملاحظة أنه كلما زاد قطر العدسة أو فتحتها، كانت الدقة أدق. ^{[70] تسمح} القياسات التداخلية ، بقدرتها على محاكاة فتحات خط الأساس الكبيرة للغاية، بأقصى دقة زاوية ممكنة. ^[56]$${\displaystyle \sin \theta =1.22{\frac {\lambda }{D}}}$$

بالنسبة للتصوير الفلكي، يمنع الغلاف الجوي تحقيق الدقة المثلى في الطيف المرئي بسبب التشتت والتشتت الجوي الذي يتسبب في وميض النجوم . يشير علماء الفلك إلى هذا التأثير باسم جودة الرؤية الفلكية . تم استخدام تقنيات تُعرف باسم البصريات التكيفية للقضاء على التشويش الجوي للصور وتحقيق نتائج تقترب من حد الانعراج. ^[71]

تحدث العمليات الانكسارية في حد البصريات الفيزيائية، حيث يكون طول موجة الضوء مشابهًا للمسافات الأخرى، كنوع من التشتت. أبسط أنواع التشتت هو تشتت تومسون الذي يحدث عندما تنحرف الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة جسيمات مفردة. في حد تشتت تومسون، حيث تكون الطبيعة الموجية للضوء واضحة، يتشتت الضوء بشكل مستقل عن التردد، على عكس تشتت كومبتون الذي يعتمد على التردد وهو عملية ميكانيكية كمية بحتة ، تنطوي على طبيعة الضوء كجسيمات. بالمعنى الإحصائي، فإن التشتت المرن للضوء بواسطة العديد من الجسيمات الأصغر بكثير من طول موجة الضوء هو عملية تُعرف باسم تشتت رايلي بينما تُعرف العملية المماثلة للتشتت بواسطة جسيمات مماثلة أو أكبر في الطول الموجي باسم تشتت مي مع كون تأثير تيندال نتيجة ملحوظة بشكل شائع. قد تخضع نسبة صغيرة من تشتت الضوء من الذرات أو الجزيئات لتشتت رامان ، حيث يتغير التردد بسبب إثارة الذرات والجزيئات. يحدث تشتت بريلوين عندما يتغير تردد الضوء بسبب التغيرات المحلية مع الوقت وحركات مادة كثيفة. ^[72]

يحدث التشتت عندما يكون للترددات المختلفة للضوء سرعات طور مختلفة ، إما بسبب خصائص المادة ( تشتت المادة ) أو بسبب هندسة الموجّه الضوئي ( تشتت الموجّه الضوئي ). الشكل الأكثر شيوعًا للتشتت هو انخفاض معامل الانكسار مع زيادة الطول الموجي، والذي يُرى في معظم المواد الشفافة. يُسمى هذا "التشتت الطبيعي". يحدث في جميع المواد العازلة ، في نطاقات الطول الموجي حيث لا تمتص المادة الضوء. ^[73] في نطاقات الطول الموجي حيث يكون للوسط امتصاص كبير، يمكن أن يزيد معامل الانكسار مع طول الموجة. يُسمى هذا "التشتت الشاذ". ^[73]

إن فصل الألوان بواسطة المنشور هو مثال على التشتت العمودي. على أسطح المنشور، يتوقع قانون سنيل أن الضوء الساقط بزاوية θ على العمودي سينكسر بزاوية arcsin(sin ( θ ) / n ) . وبالتالي، فإن الضوء الأزرق، بمعامل انكساره الأعلى، ينحني بقوة أكبر من الضوء الأحمر، مما يؤدي إلى نمط قوس قزح المعروف . ^[41]

غالبًا ما يتميز تشتت المواد برقم آبي ، والذي يعطي مقياسًا بسيطًا للتشتت بناءً على معامل الانكسار عند ثلاثة أطوال موجية محددة. يعتمد تشتت الموجه على ثابت الانتشار . ^[74] يتسبب كلا النوعين من التشتت في حدوث تغييرات في خصائص المجموعة للموجة، وهي سمات حزمة الموجة التي تتغير بنفس تردد سعة الموجة الكهرومغناطيسية. يتجلى "تشتت سرعة المجموعة" في انتشار "غلاف" الإشارة للإشعاع ويمكن قياسه كميًا باستخدام معامل تأخير تشتت المجموعة:

$${\displaystyle D={\frac {1}{v_{\mathrm {g} }^{2}}}{\frac {dv_{\mathrm {g} }}{d\lambda }}}$$

حيث v _g هي سرعة المجموعة. ^[75] بالنسبة للوسط الموحد، تكون سرعة المجموعة

$${\displaystyle v_{\mathrm {g} }=c\left(n-\lambda {\frac {dn}{d\lambda }}\right)^{-1}}$$

حيث n هو معامل الانكسار و c هي سرعة الضوء في الفراغ. ^[76] وهذا يعطي شكلًا أبسط لمعامل تأخير التشتت:

$${\displaystyle D=-{\frac {\lambda }{c}}\,{\frac {d^{2}n}{d\lambda ^{2}}}.}$$

إذا كانت قيمة D أقل من الصفر، يقال إن الوسط له تشتت موجب أو تشتت طبيعي. إذا كانت قيمة D أكبر من الصفر، يقال إن الوسط له تشتت سلبي . إذا انتشرت نبضة ضوئية عبر وسط مشتت طبيعيًا، فإن النتيجة هي أن المكونات ذات التردد الأعلى تتباطأ أكثر من المكونات ذات التردد الأدنى. وبالتالي تصبح النبضة موجبة التغريد ، أو موجبة التغريد ، وتزداد ترددها مع الوقت. يتسبب هذا في ظهور الطيف الخارج من المنشور مع الضوء الأحمر الأقل انكسارًا والضوء الأزرق/البنفسجي الأكثر انكسارًا. وعلى العكس من ذلك، إذا انتقلت نبضة عبر وسط مشتت بشكل غير طبيعي (سلبي)، فإن المكونات ذات التردد العالي تنتقل بشكل أسرع من المكونات ذات التردد الأدنى، وتصبح النبضة سالبة التغريد ، أو سالبة التغريد ، وتتناقص ترددها مع الوقت. ^[77]

النتيجة المترتبة على تشتت سرعة المجموعة، سواء كانت سلبية أو إيجابية، هي الانتشار الزمني للنبضة في النهاية. وهذا يجعل إدارة التشتت مهمة للغاية في أنظمة الاتصالات البصرية القائمة على الألياف البصرية ، لأنه إذا كان التشتت مرتفعًا للغاية، فإن مجموعة من النبضات التي تمثل المعلومات ستنتشر في الوقت وتندمج، مما يجعل من المستحيل استخراج الإشارة. ^[75]

الاستقطاب هو خاصية عامة للموجات تصف اتجاه تذبذباتها. بالنسبة للموجات المستعرضة مثل العديد من الموجات الكهرومغناطيسية، فإنه يصف اتجاه التذبذبات في المستوى العمودي على اتجاه انتقال الموجة. قد تكون التذبذبات موجهة في اتجاه واحد ( استقطاب خطي )، أو قد يدور اتجاه التذبذب أثناء انتقال الموجة ( استقطاب دائري أو بيضاوي ). يمكن للموجات المستقطبة دائريًا أن تدور إلى اليمين أو اليسار في اتجاه السفر، وأي من هاتين الدورانتين موجود في الموجة يسمى كيرالية الموجة . ^[78]

الطريقة النموذجية للنظر في الاستقطاب هي تتبع اتجاه متجه المجال الكهربائي أثناء انتشار الموجة الكهرومغناطيسية. يمكن تقسيم متجه المجال الكهربائي لموجة مستوية بشكل تعسفي إلى مكونين متعامدين يُطلق عليهما x و y (حيث يشير z إلى اتجاه السفر). الشكل الذي يتتبعه متجه المجال الكهربائي في المستوى xy هو شكل ليساجوس الذي يصف حالة الاستقطاب . ^[79] تُظهر الأشكال التالية بعض الأمثلة على تطور متجه المجال الكهربائي (الأزرق)، مع الوقت (المحاور الرأسية)، عند نقطة معينة في الفضاء، إلى جانب مكوناته x و y (أحمر / يسار وأخضر / يمين)، والمسار الذي تتبعه المتجه في المستوى (أرجواني): سيحدث نفس التطور عند النظر إلى المجال الكهربائي في وقت معين أثناء تطور النقطة في الفضاء، على طول الاتجاه المعاكس للانتشار.

في الشكل الموجود في أقصى اليسار أعلاه، تكون مكونات x و y للموجة الضوئية في طور واحد. في هذه الحالة، تكون نسبة قوتهما ثابتة، وبالتالي يكون اتجاه المتجه الكهربائي (مجموع متجهي هذين المكونين) ثابتًا. نظرًا لأن طرف المتجه يرسم خطًا واحدًا في المستوى، فإن هذه الحالة الخاصة تسمى الاستقطاب الخطي. يعتمد اتجاه هذا الخط على السعات النسبية للمكونين. ^[80]

في الشكل الأوسط، يكون للمكونين المتعامدين نفس السعات ويكونان خارج الطور بمقدار 90 درجة. في هذه الحالة، يكون أحد المكونين صفرًا عندما يكون المكون الآخر عند أقصى سعة أو أدنى سعة. هناك علاقتان طوريتان محتملتان تلبيان هذا المتطلب: يمكن أن يكون المكون x متقدمًا بمقدار 90 درجة عن المكون y أو يمكن أن يكون متأخرًا بمقدار 90 درجة عن المكون y . في هذه الحالة الخاصة، يرسم المتجه الكهربائي دائرة في المستوى، لذلك تسمى هذه الاستقطاب بالاستقطاب الدائري. يعتمد اتجاه الدوران في الدائرة على أي من علاقات الطورتين موجود ويتوافق مع الاستقطاب الدائري الأيمن والاستقطاب الدائري الأيسر . ^[81]

في جميع الحالات الأخرى، حيث لا يكون للمكونين نفس السعات و/أو لا يكون فرق الطور بينهما صفرًا ولا مضاعفًا لـ 90 درجة، يُطلق على الاستقطاب اسم الاستقطاب الإهليلجي لأن المتجه الكهربائي يرسم قطعًا ناقصًا في المستوى ( قطع الاستقطاب الناقص ). ^[82] يظهر هذا في الشكل أعلاه على اليمين. تتم الرياضيات التفصيلية للاستقطاب باستخدام حساب جونز وتتميز بمعلمات ستوكس . ^[83]

تُسمى الوسائط التي لها مؤشرات انكسار مختلفة لأنماط الاستقطاب المختلفة بالوسائط ثنائية الانكسار . [ ^84] تظهر المظاهر المعروفة لهذا التأثير في ألواح الموجات الضوئية / المثبطات (الأنماط الخطية) وفي دوران فاراداي / الدوران البصري (الأنماط الدائرية). ^[85] إذا كان طول المسار في الوسط ثنائي الانكسار كافيًا، فستخرج الموجات المستوية من المادة باتجاه انتشار مختلف بشكل كبير، بسبب الانكسار. على سبيل المثال، هذه هي الحال مع بلورات الكالسيت العيانية ، والتي تقدم للمشاهد صورتين مستقطبتين متعامدتين لأي شيء يُرى من خلالها. كان هذا التأثير هو الذي قدم أول اكتشاف للاستقطاب، بواسطة إيراسموس بارثولينوس في عام 1669. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحول الطور، وبالتالي التغيير في حالة الاستقطاب، يعتمد عادةً على التردد، والذي غالبًا ما يؤدي، بالاقتران مع ازدواجية اللون ، إلى ظهور ألوان زاهية وتأثيرات تشبه قوس قزح. في علم المعادن ، غالبًا ما يتم استغلال هذه الخصائص، المعروفة باسم تعدد الألوان ، لغرض تحديد المعادن باستخدام المجاهر الاستقطابية. بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من المواد البلاستيكية التي لا تكون ثنائية الانكسار عادةً ستصبح كذلك عند تعرضها لضغط ميكانيكي ، وهي الظاهرة التي تشكل أساس المرونة الضوئية . ^[86] تتضمن الطرق غير ثنائية الانكسار، لتدوير الاستقطاب الخطي لأشعة الضوء، استخدام دوارات الاستقطاب المنشورية التي تستخدم الانعكاس الداخلي الكلي في مجموعة من المنشورات المصممة لنقل خطي فعال. ^[87]

تُسمى الوسائط التي تقلل من سعة أوضاع الاستقطاب معينة بالثنائية اللون ، مع وجود أجهزة تحجب تقريبًا كل الإشعاع في وضع واحد تُعرف باسم مرشحات الاستقطاب أو ببساطة " المستقطبات ". ينص قانون مالوس، الذي سمي على اسم إتيان لويس مالوس ، على أنه عندما يتم وضع مستقطب مثالي في شعاع ضوئي مستقطب خطي، فإن شدة الضوء الذي يمر عبره ، I ، تُعطى بواسطة

$${\displaystyle I=I_{0}\cos ^{2}\theta _{\mathrm {i} },}$$ حيث I ₀ هي الشدة الأولية، و θ _i هي الزاوية بين اتجاه الاستقطاب الأولي للضوء ومحور المستقطب. ^[88]

يمكن تصور شعاع الضوء غير المستقطب على أنه يحتوي على خليط موحد من الاستقطابات الخطية عند جميع الزوايا الممكنة. ونظرًا لأن القيمة المتوسطة لـ cos ² θ هي 1/2، فإن معامل النفاذية يصبح

$${\displaystyle {\frac {I}{I_{0}}}={\frac {1}{2}}\,.}$$

في الممارسة العملية، يتم فقدان بعض الضوء في المستقطب وسيكون النقل الفعلي للضوء غير المستقطب أقل إلى حد ما من هذا، حوالي 38% لمستقطبات من نوع بولارويد ولكن أعلى بكثير (>49.9%) لبعض أنواع المنشورات ثنائية الانكسار. ^[89]

بالإضافة إلى ازدواجية الانكسار وثنائية اللون في الوسائط الممتدة، يمكن أن تحدث تأثيرات الاستقطاب أيضًا عند الواجهة (العاكسة) بين مادتين لهما معامل انكسار مختلف. تتم معالجة هذه التأثيرات بواسطة معادلات فرينل . ينتقل جزء من الموجة وينعكس جزء آخر، مع اعتماد النسبة على زاوية السقوط وزاوية الانكسار. بهذه الطريقة، تستعيد البصريات الفيزيائية زاوية بروستر . ^[90] عندما ينعكس الضوء من فيلم رقيق على سطح، يمكن أن يؤدي التداخل بين الانعكاسات من أسطح الفيلم إلى استقطاب في الضوء المنعكس والمنتقل.

تحتوي معظم مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي على عدد كبير من الذرات أو الجزيئات التي تصدر الضوء. قد لا يكون اتجاه المجالات الكهربائية التي تنتجها هذه الباعثات مترابطًا ، وفي هذه الحالة يقال إن الضوء غير مستقطب . إذا كان هناك ارتباط جزئي بين الباعثات، فإن الضوء مستقطب جزئيًا . إذا كان الاستقطاب متسقًا عبر طيف المصدر، فيمكن وصف الضوء المستقطب جزئيًا بأنه تراكب لمكون غير مستقطب تمامًا ومكون مستقطب تمامًا. يمكن للمرء بعد ذلك وصف الضوء من حيث درجة الاستقطاب ومعلمات قطع الاستقطاب. ^[79]

الضوء المنعكس عن المواد الشفافة اللامعة يكون مستقطبًا جزئيًا أو كليًا، إلا عندما يكون الضوء عموديًا على السطح. كان هذا التأثير هو الذي سمح لعالم الرياضيات إتيان لويس مالوس بإجراء القياسات التي سمحت بتطوير أول نماذج رياضية للضوء المستقطب. يحدث الاستقطاب عندما ينتشر الضوء في الغلاف الجوي . ينتج الضوء المتناثر السطوع واللون في السماء الصافية . يمكن الاستفادة من هذا الاستقطاب الجزئي للضوء المتناثر باستخدام مرشحات الاستقطاب لتغميق السماء في الصور الفوتوغرافية . الاستقطاب البصري له أهمية أساسية في الكيمياء بسبب ازدواجية اللون الدائرية والدوران البصري ( الانكسار الدائري ) الذي تظهره الجزيئات النشطة بصريًا ( الكيرالية ) . ^[91]

تشمل البصريات الحديثة مجالات العلوم البصرية والهندسة التي أصبحت شائعة في القرن العشرين. ترتبط هذه المجالات من العلوم البصرية عادةً بالخصائص الكهرومغناطيسية أو الكمومية للضوء ولكنها تشمل موضوعات أخرى. أحد المجالات الفرعية الرئيسية للبصريات الحديثة، البصريات الكمومية ، يتعامل مع الخصائص الميكانيكية الكمومية للضوء على وجه التحديد. البصريات الكمومية ليست نظرية فقط؛ بعض الأجهزة الحديثة، مثل الليزر، لها مبادئ تشغيل تعتمد على ميكانيكا الكم. تستجيب أجهزة الكشف عن الضوء، مثل مضاعفات الضوء والقنوات ، للفوتونات الفردية. تعرض أجهزة استشعار الصور الإلكترونية ، مثل أجهزة اقتران الشحنات ، ضوضاء لقطة تتوافق مع إحصائيات أحداث الفوتون الفردية. لا يمكن فهم الثنائيات الباعثة للضوء والخلايا الكهروضوئية أيضًا بدون ميكانيكا الكم. في دراسة هذه الأجهزة، غالبًا ما تتداخل البصريات الكمومية مع الإلكترونيات الكمومية . ^[92]

تشمل مجالات التخصص في أبحاث البصريات دراسة كيفية تفاعل الضوء مع مواد معينة كما هو الحال في بصريات البلورات والمواد الفائقة . تركز أبحاث أخرى على ظواهر الموجات الكهرومغناطيسية كما هو الحال في البصريات المفردة ، والبصريات غير التصويرية ، والبصريات غير الخطية ، والبصريات الإحصائية، والقياس الإشعاعي . بالإضافة إلى ذلك، اهتم مهندسو الكمبيوتر بالبصريات المتكاملة ، والرؤية الآلية ، والحوسبة الفوتونية كمكونات محتملة لـ "الجيل القادم" من أجهزة الكمبيوتر. ^[93]

اليوم، يُطلق على علم البصريات البحت اسم علم البصريات أو الفيزياء البصرية لتمييزه عن العلوم البصرية التطبيقية، والتي يشار إليها باسم الهندسة البصرية . تشمل المجالات الفرعية البارزة للهندسة البصرية هندسة الإضاءة والفوتونيات والبصريات الإلكترونية مع تطبيقات عملية مثل تصميم العدسات وتصنيع واختبار المكونات البصرية ومعالجة الصور . تتداخل بعض هذه المجالات، مع وجود حدود غامضة بين مصطلحات الموضوعات التي تعني أشياء مختلفة قليلاً في أجزاء مختلفة من العالم وفي مجالات مختلفة من الصناعة. تطور مجتمع محترف من الباحثين في مجال البصريات غير الخطية في العقود العديدة الماضية بسبب التقدم في تكنولوجيا الليزر. ^[94]

الليزر هو جهاز يصدر الضوء، وهو نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي، من خلال عملية تسمى الانبعاث المحفز . مصطلح الليزر هو اختصار لـ " تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع " . ^[95] عادةً ما يكون ضوء الليزر متماسكًا مكانيًا ، مما يعني أن الضوء إما ينبعث في شعاع ضيق منخفض التباعد ، أو يمكن تحويله إلى شعاع بمساعدة المكونات البصرية مثل العدسات. نظرًا لأن المكافئ الميكرويفي لليزر، الميزر ، تم تطويره أولاً، فإن الأجهزة التي تصدر ترددات الميكروويف والراديو تسمى عادةً الميزرات . ^[96]

تم عرض أول ليزر يعمل في 16 مايو 1960 بواسطة ثيودور مايمان في مختبرات أبحاث هيوز . ^[98] عندما تم اختراعها لأول مرة، كانت تسمى "حل يبحث عن مشكلة". ^[99] منذ ذلك الحين، أصبحت الليزر صناعة بمليارات الدولارات، حيث وجدت فائدة في آلاف التطبيقات المتنوعة للغاية. كان أول تطبيق لليزر مرئيًا في الحياة اليومية للسكان بشكل عام هو ماسح الباركود في السوبر ماركت ، والذي تم تقديمه في عام 1974. ^[100] كان مشغل الأقراص الليزرية ، الذي تم تقديمه في عام 1978، أول منتج استهلاكي ناجح يتضمن ليزرًا، لكن مشغل الأقراص المضغوطة كان أول جهاز مزود بالليزر يصبح شائعًا حقًا في منازل المستهلكين، بدءًا من عام 1982. ^[101] تستخدم أجهزة التخزين الضوئية هذه ليزر أشباه الموصلات بعرض أقل من مليمتر واحد لمسح سطح القرص لاسترجاع البيانات. تعتمد الاتصالات عبر الألياف الضوئية على الليزر لنقل كميات كبيرة من المعلومات بسرعة الضوء. تشمل التطبيقات الشائعة الأخرى لليزر الطابعات الليزرية ومؤشرات الليزر . تُستخدم الليزرات في الطب في مجالات مثل الجراحة بدون دم وجراحة العيون بالليزر والتشريح الدقيق بالليزر وفي التطبيقات العسكرية مثل أنظمة الدفاع الصاروخي والتدابير المضادة الكهروضوئية (EOCM) والليدار . تُستخدم الليزرات أيضًا في الهولوغرامات والفقاعات وعروض الضوء بالليزر وإزالة الشعر بالليزر . [ ^102]

يتسبب تأثير كابيتسا -ديراك في حيود حزم الجسيمات نتيجة للقاء موجة ثابتة من الضوء. يمكن استخدام الضوء لتحديد موضع المادة باستخدام ظواهر مختلفة (انظر الملاقط البصرية ).

البصريات جزء من الحياة اليومية. يشير انتشار الأنظمة البصرية في علم الأحياء إلى الدور المركزي الذي تلعبه البصريات كعلم لإحدى الحواس الخمس . يستفيد العديد من الأشخاص من النظارات الطبية أو العدسات اللاصقة ، والبصريات جزء لا يتجزأ من عمل العديد من السلع الاستهلاكية بما في ذلك الكاميرات . تعد أقواس قزح والسراب أمثلة على الظواهر البصرية. يوفر الاتصال البصري العمود الفقري لكل من الإنترنت والهاتف الحديث .

تعمل العين البشرية عن طريق تركيز الضوء على طبقة من الخلايا المستقبلة للضوء تسمى الشبكية، والتي تشكل البطانة الداخلية للجزء الخلفي من العين. يتم التركيز من خلال سلسلة من الوسائط الشفافة. يمر الضوء الذي يدخل العين أولاً عبر القرنية، والتي توفر الكثير من القوة البصرية للعين. ثم يستمر الضوء عبر السائل خلف القرنية مباشرة - الغرفة الأمامية ، ثم يمر عبر الحدقة . ثم يمر الضوء عبر العدسة ، والتي تركز الضوء بشكل أكبر وتسمح بتعديل التركيز. ثم يمر الضوء عبر الجسم الرئيسي للسائل في العين - الجسم الزجاجي ، ويصل إلى شبكية العين. تبطن الخلايا الموجودة في شبكية العين الجزء الخلفي من العين، باستثناء المكان الذي يخرج منه العصب البصري؛ وهذا يؤدي إلى ظهور بقعة عمياء .

هناك نوعان من الخلايا المستقبلة للضوء، العُصى والمخاريط، والتي تكون حساسة لجوانب مختلفة من الضوء. ^[103] الخلايا العُصية حساسة لشدة الضوء على نطاق تردد واسع، وبالتالي فهي مسؤولة عن الرؤية بالأبيض والأسود . لا توجد الخلايا العُصية في الحفرة، وهي منطقة الشبكية المسؤولة عن الرؤية المركزية، ولا تستجيب مثل الخلايا المخروطية للتغيرات المكانية والزمانية في الضوء. ومع ذلك، يوجد عدد من الخلايا العُصية أكبر بعشرين مرة من الخلايا المخروطية في الشبكية لأن الخلايا العُصية موجودة عبر منطقة أوسع. وبسبب توزيعها الأوسع، تكون الخلايا العُصية مسؤولة عن الرؤية الطرفية . ^[104]

على النقيض من ذلك، تكون الخلايا المخروطية أقل حساسية لشدة الضوء الكلية، ولكنها تأتي في ثلاثة أنواع حساسة لنطاقات تردد مختلفة وبالتالي تُستخدم في إدراك اللون والرؤية الضوئية . تتركز الخلايا المخروطية بشكل كبير في الحفرة وتتمتع بحدة بصرية عالية مما يعني أنها أفضل في الدقة المكانية من الخلايا العصوية. نظرًا لأن الخلايا المخروطية ليست حساسة للضوء الخافت مثل الخلايا العصوية، فإن معظم الرؤية الليلية تقتصر على الخلايا العصوية. وبالمثل، نظرًا لأن الخلايا المخروطية توجد في الحفرة، فإن الرؤية المركزية (بما في ذلك الرؤية اللازمة للقيام بمعظم القراءة، أو العمل التفصيلي الدقيق مثل الخياطة، أو الفحص الدقيق للأشياء) تتم بواسطة الخلايا المخروطية. ^[104]

تسمح العضلات الهدبية المحيطة بالعدسة بتعديل تركيز العين. تُعرف هذه العملية بالتكيف . تحدد النقطة القريبة والنقطة البعيدة أقرب وأبعد مسافة من العين يمكن عندها إحضار الجسم إلى تركيز حاد. بالنسبة للشخص ذي الرؤية الطبيعية، تقع النقطة البعيدة في اللانهاية. يعتمد موقع النقطة القريبة على مدى قدرة العضلات على زيادة انحناء العدسة، ومدى عدم مرونة العدسة مع تقدم العمر. عادةً ما يعتبر أطباء البصريات وأطباء العيون وأخصائيو البصريات أن النقطة القريبة المناسبة هي أقرب من مسافة القراءة الطبيعية - حوالي 25 سم. ^[103]

يمكن تفسير عيوب الرؤية باستخدام المبادئ البصرية. مع تقدم الناس في السن، تصبح العدسة أقل مرونة وتبتعد النقطة القريبة عن العين، وهي حالة تُعرف باسم طول النظر الشيخوخي . وبالمثل، لا يستطيع الأشخاص الذين يعانون من طول النظر تقليل البعد البؤري لعدستهم بما يكفي للسماح بتصوير الأشياء القريبة على شبكية العين. وعلى العكس من ذلك، يعاني الأشخاص الذين لا يستطيعون زيادة البعد البؤري لعدستهم بما يكفي للسماح بتصوير الأشياء البعيدة على شبكية العين من قصر النظر ويكون لديهم نقطة بعيدة أقرب بكثير من اللانهاية. تحدث حالة تُعرف باسم اللابؤرية عندما لا تكون القرنية كروية ولكنها بدلاً من ذلك أكثر انحناءً في اتجاه واحد. يتسبب هذا في تركيز الأشياء الممتدة أفقيًا على أجزاء مختلفة من شبكية العين مقارنة بالأشياء الممتدة رأسياً، مما يؤدي إلى صور مشوهة. ^[103]

يمكن تصحيح كل هذه الحالات باستخدام العدسات التصحيحية . بالنسبة لطول النظر الشيخوخي وطول النظر، توفر العدسة المتقاربة الانحناء الإضافي اللازم لتقريب النقطة القريبة من العين بينما بالنسبة لقصر النظر توفر العدسة المتباعدة الانحناء اللازم لإرسال النقطة البعيدة إلى ما لا نهاية. يتم تصحيح الاستجماتيزم باستخدام عدسة سطحية أسطوانية تنحني بقوة أكبر في اتجاه واحد أكثر من الآخر، مما يعوض عن عدم تجانس القرنية. ^[105]

تقاس القوة البصرية للعدسات التصحيحية بالديوبتر ، وهي قيمة تساوي مقلوب البعد البؤري المقاس بالأمتار؛ حيث يتوافق البعد البؤري الموجب مع العدسة المتقاربة والبعد البؤري السالب مع العدسة المتباعدة. بالنسبة للعدسات التي تصحح الاستجماتيزم أيضًا، يتم إعطاء ثلاثة أرقام: واحد للقوة الكروية، وواحد للقوة الأسطوانية، وواحد لزاوية اتجاه الاستجماتيزم. ^[105]

تتميز الأوهام البصرية (وتسمى أيضًا الأوهام البصرية) بالصور المدركة بصريًا والتي تختلف عن الواقع الموضوعي. تتم معالجة المعلومات التي تجمعها العين في المخ لإعطاء تصور يختلف عن الكائن الذي يتم تصويره. يمكن أن تكون الأوهام البصرية نتيجة لمجموعة متنوعة من الظواهر بما في ذلك التأثيرات الفيزيائية التي تخلق صورًا مختلفة عن الأشياء التي تصنعها، والتأثيرات الفسيولوجية على العينين والدماغ من التحفيز المفرط (مثل السطوع، والميل، واللون، والحركة)، والأوهام المعرفية حيث تقوم العين والدماغ باستنتاجات غير واعية . ^[106]

تتضمن الأوهام المعرفية بعضًا مما ينتج عن سوء تطبيق غير واعٍ لمبادئ بصرية معينة. على سبيل المثال، تعتمد أوهام غرفة أميس ، وهيرينج ، ومولر-ليير ، وأوربيسون ، وبونزو ، وساندر ، ووندت جميعها على اقتراح ظهور المسافة باستخدام خطوط متقاربة ومتباعدة، بنفس الطريقة التي تبدو بها أشعة الضوء المتوازية (أو أي مجموعة من الخطوط المتوازية) وكأنها تتقارب عند نقطة التلاشي في اللانهاية في الصور المرسومة ثنائية الأبعاد بمنظور فني. ^[107] هذا الاقتراح مسؤول أيضًا عن وهم القمر الشهير حيث يبدو القمر، على الرغم من أن له نفس الحجم الزاوي بشكل أساسي، أكبر بكثير بالقرب من الأفق مما يبدو عليه في سمت الرأس . ^[108] أربك هذا الوهم بطليموس لدرجة أنه نسبه بشكل غير صحيح إلى الانكسار الجوي عندما وصفه في أطروحته، البصريات . ^[8]

يستغل نوع آخر من الخداع البصري الأنماط المكسورة لخداع العقل في إدراك التناظرات أو عدم التناظرات غير الموجودة. تشمل الأمثلة جدار المقهى ، وإيرينشتاين ، ودوامة فريزر ، وبوغيندورف ، وأوهام زولنر . الأنماط ذات الصلة، ولكنها ليست أوهامًا صارمة، هي الأنماط التي تحدث بسبب تراكب الهياكل الدورية. على سبيل المثال، تنتج الأنسجة الشفافة ذات البنية الشبكية أشكالًا تُعرف باسم أنماط مواريه ، بينما ينتج تراكب الأنماط الشفافة الدورية التي تتكون من خطوط أو منحنيات معتمة متوازية أنماط مواريه خطية . ^[109]

للعدسات الفردية مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك العدسات الفوتوغرافية والعدسات التصحيحية والنظارات المكبرة بينما تُستخدم المرايا الفردية في العاكسات المكافئة ومرايا الرؤية الخلفية . يؤدي الجمع بين عدد من المرايا والمناشير والعدسات إلى إنتاج أدوات بصرية مركبة لها استخدامات عملية. على سبيل المثال، المنظار هو ببساطة مرآتان مستويتان محاذيتان للسماح بالرؤية حول العوائق. أشهر الأدوات البصرية المركبة في العلوم هي المجهر والتلسكوب اللذان اخترعهما الهولنديون في أواخر القرن السادس عشر. ^[110]

تم تطوير المجاهر لأول مرة بعدستين فقط: عدسة موضوعية وعدسة عينية . العدسة الموضوعية هي في الأساس عدسة مكبرة وقد تم تصميمها بطول بؤري صغير جدًا بينما يكون للعدسة العينية عمومًا طول بؤري أطول. يؤدي هذا إلى إنتاج صور مكبرة للأشياء القريبة. بشكل عام، يتم استخدام مصدر إضافي للإضاءة نظرًا لأن الصور المكبرة تكون باهتة بسبب الحفاظ على الطاقة وانتشار أشعة الضوء على مساحة سطح أكبر. تحتوي المجاهر الحديثة، المعروفة باسم المجاهر المركبة، على العديد من العدسات (أربعة عادةً) لتحسين الوظيفة وتعزيز استقرار الصورة. ^[111] مجموعة متنوعة مختلفة قليلاً من المجاهر، المجهر المقارن ، تنظر إلى الصور جنبًا إلى جنب لإنتاج عرض ثنائي العين مجسم يبدو ثلاثي الأبعاد عند استخدامه من قبل البشر. ^[112]

تم تطوير أول تلسكوبات، والتي تسمى تلسكوبات الانكسار، أيضًا بعدسة موضوعية وعينية واحدة. وعلى النقيض من المجهر، تم تصميم العدسة الموضوعية للتلسكوب بطول بؤري كبير لتجنب الانحرافات البصرية. تركز العدسة الموضوعية صورة لجسم بعيد عند نقطة بؤرتها والتي يتم تعديلها لتكون عند نقطة بؤرة لعدسة عينية ذات طول بؤري أصغر بكثير. الهدف الرئيسي للتلسكوب ليس بالضرورة التكبير، بل بالأحرى جمع الضوء الذي يتم تحديده من خلال الحجم المادي للعدسة الموضوعية. وبالتالي، يتم الإشارة إلى التلسكوبات عادةً بأقطار أهدافها بدلاً من التكبير الذي يمكن تغييره عن طريق تبديل العدسات العينية. نظرًا لأن تكبير التلسكوب يساوي البعد البؤري للعدسة الموضوعية مقسومًا على البعد البؤري للعدسة العينية، فإن العدسات العينية ذات البعد البؤري الأصغر تسبب تكبيرًا أكبر. ^[113]

نظرًا لأن صناعة العدسات الكبيرة أصعب كثيرًا من صناعة المرايا الكبيرة، فإن معظم التلسكوبات الحديثة هي تلسكوبات عاكسة ، أي تلسكوبات تستخدم مرآة أساسية بدلًا من عدسة موضوعية. تنطبق نفس الاعتبارات البصرية العامة على التلسكوبات العاكسة التي تنطبق على التلسكوبات الانكسارية، أي كلما كانت المرآة الأساسية أكبر، زاد الضوء الذي يتم جمعه، ولا يزال التكبير مساويًا للبعد البؤري للمرآة الأساسية مقسومًا على البعد البؤري للعدسة العينية. لا تحتوي التلسكوبات الاحترافية عمومًا على عدسات عينية وبدلاً من ذلك تضع أداة (غالبًا جهاز مقترن بالشحنة) عند نقطة البؤرة بدلاً من ذلك. ^[114]

تتضمن بصريات التصوير الفوتوغرافي كلاً من العدسات والوسط الذي يتم فيه تسجيل الإشعاع الكهرومغناطيسي، سواء كان عبارة عن لوحة أو فيلم أو جهاز مقترن بالشحنة. يجب على المصورين مراعاة المعاملة بالمثل بين الكاميرا واللقطة والتي يتم تلخيصها بالعلاقة

التعرض ∝ منطقة الفتحة × وقت التعرض × إضاءة المشهد ^[115]

بعبارة أخرى، كلما كانت الفتحة أصغر (مما يعطي عمقًا أكبر للتركيز)، قل الضوء الوارد، وبالتالي يجب زيادة طول الوقت (مما يؤدي إلى عدم وضوح محتمل في حالة حدوث حركة). أحد الأمثلة على استخدام قانون المعاملة بالمثل هو قاعدة Sunny 16 التي تقدم تقديرًا تقريبيًا للإعدادات اللازمة لتقدير التعرض المناسب في ضوء النهار. ^[116]

يتم قياس فتحة الكاميرا برقم بدون وحدات يسمى الرقم f أو f-stop،ف /#، غالبًا ما يتم تدوينه على هيئة ، ويتم تقديمه بواسطة ${\displaystyle N}$

${\displaystyle f/\#=N={\frac {f}{D}}\ }$

حيث هو البعد البؤري، و هو قطر حدقة الدخول. وفقًا للاتفاقية، "${\displaystyle f}$${\displaystyle D}$ف /يتم التعامل مع #" كرمز واحد، ويتم التعامل مع قيم محددة لـف /# يتم كتابتها عن طريق استبدال علامة الرقم بالقيمة. الطريقتان لزيادة فتحة العدسة هما إما تقليل قطر حدقة الدخول أو التغيير إلى طول بؤري أطول (في حالة عدسة التكبير ، يمكن القيام بذلك ببساطة عن طريق ضبط العدسة). تتمتع أرقام الفتحة الأعلى أيضًا بعمق مجال أكبر بسبب اقتراب العدسة من حد الكاميرا ذات الثقب الدقيق والتي يمكنها تركيز جميع الصور بشكل مثالي، بغض النظر عن المسافة، ولكنها تتطلب أوقات تعرض طويلة جدًا. ^[117]

يتغير مجال الرؤية الذي توفره العدسة مع تغير البعد البؤري للعدسة. وهناك ثلاثة تصنيفات أساسية تعتمد على العلاقة بين الحجم القطري للفيلم أو حجم مستشعر الكاميرا والبعد البؤري للعدسة: ^[118]

• عدسة عادية : زاوية رؤية تبلغ حوالي 50 درجة (تسمى عادية لأن هذه الزاوية تعتبر معادلة تقريبًا للرؤية البشرية ^[118] ) وطول بؤري يساوي تقريبًا قطر الفيلم أو المستشعر. ^[119]
• عدسة ذات زاوية واسعة : زاوية رؤية أوسع من 60 درجة وطول بؤري أقصر من العدسة العادية. ^[120]
• عدسة ذات تركيز طويل : زاوية رؤية أضيق من العدسة العادية. وهي أي عدسة ذات طول بؤري أطول من القياس القطري للفيلم أو المستشعر. ^[121] النوع الأكثر شيوعًا من عدسات التركيز الطويل هو عدسة المقربة ، وهو تصميم يستخدم مجموعة مقربة خاصة لتكون أقصر فعليًا من طولها البؤري. ^[122]

قد تحتوي عدسات التكبير/التصغير الحديثة على بعض أو كل هذه السمات.

تعتمد القيمة المطلقة لوقت التعرض المطلوب على مدى حساسية الوسيط المستخدم للضوء (يقاس بسرعة الفيلم ، أو بالنسبة للوسائط الرقمية، بالكفاءة الكمية ). ^[123] استخدمت التصوير الفوتوغرافي المبكر وسائط ذات حساسية منخفضة جدًا للضوء، وبالتالي كان لابد أن تكون أوقات التعرض طويلة حتى بالنسبة للقطات شديدة السطوع. ومع تحسن التكنولوجيا، تحسنت أيضًا الحساسية من خلال كاميرات الأفلام والكاميرات الرقمية. ^[124]

تنطبق نتائج أخرى من البصريات الفيزيائية والهندسية على بصريات الكاميرا. على سبيل المثال، يتم تحديد أقصى قدرة دقة لتركيبة كاميرا معينة من خلال حد الانعراج المرتبط بحجم حدقة العين، والذي يتم تحديده تقريبًا بواسطة معيار رايلي. ^[125]

تتسبب الخصائص البصرية الفريدة للغلاف الجوي في مجموعة واسعة من الظواهر البصرية المذهلة. اللون الأزرق للسماء هو نتيجة مباشرة لتشتت رايلي الذي يعيد توجيه ضوء الشمس ذي التردد الأعلى (الأزرق) إلى مجال رؤية المراقب. نظرًا لأن الضوء الأزرق يتشتت بسهولة أكبر من الضوء الأحمر، فإن الشمس تكتسب لونًا أحمر عندما يتم رصدها من خلال الغلاف الجوي السميك، كما هو الحال أثناء شروق الشمس أو غروبها . يمكن للجسيمات الإضافية في السماء أن تبعثر ألوانًا مختلفة بزوايا مختلفة مما يخلق سماء متوهجة ملونة عند الغسق والفجر. تشتت بلورات الجليد والجسيمات الأخرى في الغلاف الجوي مسؤول عن الهالات والتوهجات اللاحقة والإكليل وأشعة الشمس وكلاب الشمس . يرجع الاختلاف في هذه الأنواع من الظواهر إلى أحجام الجسيمات وهندستها المختلفة. ^[126]

السراب هو ظاهرة بصرية تنحني فيها أشعة الضوء بسبب الاختلافات الحرارية في معامل انكسار الهواء، مما ينتج صورًا مشوهة أو مشوهة بشدة للأجسام البعيدة. تشمل الظواهر البصرية الدرامية الأخرى المرتبطة بهذا تأثير نوفايا زيمليا حيث تبدو الشمس وكأنها تشرق قبل الموعد المتوقع بشكل مشوه. يحدث شكل مذهل من الانكسار مع انعكاس درجة الحرارة يسمى فاتا مورجانا حيث تظهر الأجسام على الأفق أو حتى ما وراء الأفق، مثل الجزر أو المنحدرات أو السفن أو الجبال الجليدية، ممدودة ومرتفعة، مثل "قلاع القصص الخيالية". ^[127]

قوس قزح هو نتيجة لمزيج من الانعكاس الداخلي والانكسار التشتتي للضوء في قطرات المطر. ينتج انعكاس واحد من ظهر مجموعة من قطرات المطر قوس قزح بحجم زاوي في السماء يتراوح من 40 درجة إلى 42 درجة مع اللون الأحمر على الجانب الخارجي. يتم إنتاج قوس قزح المزدوج من خلال انعكاسين داخليين بحجم زاوي يتراوح من 50.5 درجة إلى 54 درجة مع اللون البنفسجي على الجانب الخارجي. نظرًا لأن قوس قزح يُرى مع ابتعاد الشمس بمقدار 180 درجة عن مركز قوس قزح، فإن قوس قزح يكون أكثر بروزًا كلما اقتربت الشمس من الأفق. ^[128]

• بصريات الأيونات
• منشورات مهمة في البصريات
• قائمة المواضيع البصرية
• قائمة الكتب الدراسية في الكهرومغناطيسية

• بورن، ماكس؛ وولف، إميل (2002). مبادئ البصريات . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-1-139-64340-5.
• فاولز، جرانت ر. (1975). مقدمة في البصريات الحديثة (الطبعة الرابعة). أديسون ويسلي لونجمان.
• ليبسون، ستيفن جيه؛ ليبسون، هنري؛ تانهاوزر، ديفيد ستيفان (1995). الفيزياء البصرية . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-0-521-43631-1.
• سيرواي، رايموند أ.؛ جيويت، جون دبليو. (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين (الطبعة السادسة، المصورة). بلمونت، كاليفورنيا: تومسون-بروكس/كول. رقم ISBN 978-0-534-40842-8.
• تيبلر، بول أ.؛ موسكا، جين (2004). الفيزياء للعلماء والمهندسين: الكهرباء والمغناطيسية والضوء والفيزياء الحديثة الأولية . المجلد 2. دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 978-0-7167-0810-0.

المناقشات ذات الصلة

• البصريات في برنامج In Our Time على قناة BBC

الكتب المدرسية والدروس التعليمية

• الضوء والمادة – كتاب مدرسي مفتوح المصدر، يحتوي على معالجة للبصريات في الفصل 28-32
• Optics2001 – مكتبة ومجتمع البصريات
• أساسيات البصريات – دليل ميليس جريوت الفني
• فيزياء الضوء والبصريات – كتاب جامعي من جامعة بريغهام يونغ
• البصريات للطاقة الكهروضوئية – مقدمة خطوة بخطوة للبصريات الكلاسيكية

قراءة إضافية

• البصريات والفوتونيات: الفيزياء تعزز حياتنا من خلال منشورات معهد الفيزياء

المجتمعات