Mengapa Langit Biru

Ini adalah optik, tapi itu bukan desain optik! Tapi tentu saja kami akan memberikan jawaban: Rayleigh hamburan. Apa artinya ini? Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik, dengan panjang gelombang dari sekitar 0,35 mikrometer (violet) menjadi sekitar 0,75 mikrometer (merah). Meskipun cahaya bergerak terutama di garis lurus, juga dapat tersebar oleh partikel seperti molekul udara, yang berarti bahwa bagian-bagian dari energi cahaya yang dikeluarkan dari lapangan di berbagai arah. Arah ditentukan oleh hubungan antara ukuran panjang gelombang (yang menentukan warna cahaya) dan ukuran partikel hamburan. Untuk atmosfer kita, efek ini terkuat di panjang gelombang terpendek, menurun hampir ke 0 pada panjang gelombang merah. Karena cahaya tampak yang paling intens pada 0,5 mikrometer (yang kita lihat sebagai biru), hamburan pada panjang gelombang ini adalah dominan dan langit tampak biru. .

Mengapa kaca pembesar membuat benda terlihat lebih besar? Ini adalah pertanyaan di mana "cahaya sebagai sinar geometris" pendekatan bekerja cukup baik, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Instrumen optik Banyak membengkokkan sinar dengan cara yang mirip dengan "bodoh" visual (mata / otak) sistem ke dalam melihat sebuah gambar virtual seperti ini (itu adalah "virtual" karena tidak dapat diproyeksikan seperti bayangan nyata - kemampuan fokus dari mata adalah bagian yang diperlukan dari suatu sistem optik).

Bagaimana cara kerja laser? Meskipun desainer optik menggunakan sinar laser dalam banyak sistem mereka desain (seperti scanner supermarket produk dan CD player), prinsip dasar dari laser tergantung pada sifat foton cahaya. Foton adalah partikel energi yang dapat diserap ke dalam dan emittted dari atom dan molekul. Ketika sebuah atom menyerap sebuah foton energi cahaya, atom ini menyimpan energi ekstra untuk sementara (kita mengatakan atom dalam keadaan energi yang lebih tinggi). Ketika atom "rileks" untuk alam negaranya rendah energi, menyerah kelebihan energi dalam bentuk foton lain (kita sebut ini emisi spontan - itu hanya terjadi). Laser yang mungkin karena jenis lain emisi foton yang disebut emisi terstimulasi. Jika Anda entah bagaimana bisa mendapatkan BANYAK atom menjadi spesifik keadaan energi yang lebih tinggi, Anda dapat menggunakan cahaya untuk memicu atau "merangsang" semua dari mereka menjadi melepaskan kelebihan energi mereka foton pada waktu yang sama (kita katakan foton ini berada dalam fase, atau koheren ). Ada berbagai cara untuk mendapatkan banyak atom ke dalam keadaan energi tinggi yang sama (ini disebut "memompa" laser), dan ada berbagai cara untuk mengandung mereka cukup lama untuk membangun sebuah "pulsa" besar energi cahaya. Laser benar-benar menarik - lihat referensi untuk mempelajari lebih lanjut.

Gelombang / dualitas partikel Percobaan dengan cahaya dapat mengakibatkan kesimpulan yang berbeda tentang sifat fundamental. Di dalam laser, dan detektor cahaya banyak (seperti yang ditemukan dalam kamera video), cahaya berperilaku cukup jelas seperti aliran partikel, masing-masing yang membawa jumlah, tetap tertentu energi - yang kita sebut foton. Tapi ketika cahaya dari laser dilewatkan melalui dua lubang pin erat-spasi, pola interferensi yang terjadi mirip dengan pola riak terlihat ketika dua batu yang jatuh ke dalam air untuk membentuk mengganggu gelombang air. Lampu laser jelas bertindak seperti gelombang dalam banyak hal. Namun itu adalah cahaya yang sama. Kita sering menyebut perilaku ini sebagai skizofrenia gelombang / dualitas partikel.

Muka gelombang dan sinar Gelombang bidang dari sumber titik adalah permukaan bola dari fase konstan. Sinar adalah garis yang normal untuk ini muka gelombang, menunjukkan arah aliran energi pada satu titik tertentu.

Snell Hukum dan Refraksi Hukum Snell ditemukan pada tahun 1621 - Anda mungkin ingat dari fisika SMA. Ini justru mendefinisikan bagaimana cahaya dibengkokkan, atau dibiaskan, ketika melewati batas antara dua media yang berbeda indeks bias (n), seperti udara dan kaca atau udara dan air (sudut teta-i dan theta-t adalah insiden dan ditransmisikan sudut, masing-masing). Kami melihat refraksi ketika kita melihat sebuah benda yang ada di bawah air: Dalam arti, semua optik geometris yang terkandung dalam ungkapan sederhana Snell, tetapi dalam prakteknya, insinyur optik dan program komputer menggunakan sejumlah besar persamaan dan teknik yang lebih nyaman untuk bekerja dengan lensa dan komponen optik lainnya.

Jenis Lensa Lensa datang dalam berbagai bentuk dan ukuran, dan sistem optik banyak menggunakan elemen lensa ganda untuk membelokkan cahaya hanya dalam cara yang tepat untuk membentuk gambar seperti yang diperlukan dan meminimalkan penyimpangan. Perbedaan dasar adalah antara lensa (berfokus atau konvergen) positif dan lensa (divergen) negatif: Positif atau lensa konvergen: Negatif atau lensa divergen: Meskipun exampls tertentu yang simetris dalam bentuk (depan dan belakang lekukan adalah sama tetapi berlawanan tanda), elemen lensa paling tidak simetris. Pembengkokan, sifat kaca, dan ketebalan semua mempengaruhi cara bahwa lensa mengubah jalan cahaya melewatinya. Menentukan parameter-parameter ini (biasanya untuk sejumlah lensa bekerja sama) adalah tugas desainer optik.

Jenis Evaluasi Optik Ada banyak cara untuk mengevaluasi model sistem optik menggunakan software desain optik. Ketika kita mengatakan "mengevaluasi," kita benar-benar ingin mensimulasikan lensa sebelum dibangun, dan memprediksi bagaimana akan tampil. Sistem pencitraan mencoba untuk membawa cahaya ke fokus yang tajam, tetapi kita perlu untuk lebih tepat dari ini. Beberapa evaluasi yang lebih umum adalah tempat diagram, dikelilingi energi, dan MTF. diagram Spot adalah grafik yang menunjukkan di mana sinar dari benda titik akan jatuh pada permukaan gambar (mereka harus jatuh berdekatan jika lensa adalah untuk membentuk citra yang baik) . Energi dikelilingi adalah cara untuk mengukur bagaimana energi (ditentukan dengan menghitung sinar) dalam diagram tempat didistribusikan sebagai fungsi dari radius, diukur dari pusat (biasanya ditampilkan sebagai grafik). MTF adalah "modulasi fungsi transfer." Hal ini membutuhkan ide frekuensi spasial, yang hanya ukuran berapa bagian dari sebuah adegan yang ditempatkan terpisah. Bayangkan sebuah pagar kayu putih dengan rumah yang gelap di belakangnya. Dari beberapa meter, Anda dapat dengan mudah melihat kontras antara garis-garis putih dan gelap. Ini adalah frekuensi spasial rendah. Sekarang perhatikan sisir hitam terhadap sepotong kertas putih. Dari beberapa meter, Anda mungkin bahkan tidak tahu bahwa ada garis-garis gelap dan terang sama sekali! Ini adalah frekuensi spasial tinggi, yang dapat Anda anggap sebagai detail halus dalam sebuah adegan. Sebuah lensa (seperti mata Anda) dapat gambar frekuensi spasial rendah lebih mudah daripada frekuensi tinggi. MTF adalah hanya grafik yang menunjukkan ini "respons frekuensi" untuk lensa, dari rendah ke frekuensi tinggi (lensa setiap memiliki frekuensi maksimum atau cut-off, artinya ada alway beberapa tingkat detail yang terlalu baik untuk lensa untuk mendeteksi ).

Spot Diagram Diagram Spot adalah grafik yang menunjukkan di mana sinar dari benda titik akan jatuh pada permukaan gambar (mereka harus jatuh berdekatan jika lensa adalah untuk membentuk citra yang baik). Grafik biasanya sangat diperbesar (seperti jika Anda melihat tempat foto melalui mikroskop), dan bentuknya dapat menunjukkan jenis dan jumlah kelainan pada lensa. Perhap paling khas adalah koma penyimpangan, yang namanya cukup deskriptif. Coma terlihat seperti komet aa: Penyimpangan bola bulat dan terkonsentrasi di pusat: Silindris sederhana menunjukkan XY asimetri: Yang satu ini memiliki astigmatisme orde tinggi dicampur dengan penyimpangan lainnya: Ini adalah poin off-axis untuk kaca singlet, dan astigmatisme memberikan bentuk keseluruhan. Dispersi prisma-seperti kaca berfokus panjang gelombang merah, hijau, dan biru yang berbeda. Ini disebut kromatik kelainan:

Aberasi sferis Spherical penyimpangan hasil dari geometri dari BIAS dan REFLEKSI sinar. Ini mencegah lensa konvergen atau cermin dari membawa sinar paralel ke dalam fokus sempurna, karena panjang fokus untuk sinar yang difokuskan oleh bagian tengah lensa berbeda dari yang untuk sinar yang difokuskan oleh bagian luar. Untuk reflektor bola yang ditunjukkan di atas, dua sinar paralel masuk dari sebelah kiri (dari sumber titik yang terletak jarak yang sangat besar ke kiri, seperti bintang). Sinar dekat tepi (merah) memotong sumbu (garis hitam) lebih dekat ke cermin dari sinar (biru) yang lebih rendah. Kami mengatakan sinar luar "berfokus pendek." Jika permukaan bola berubah menjadi sebuah parabola, baik sinar akan fokus pada jarak yang sama dari cermin.

Lensa Bending Lensa bending mengacu pada nilai-nilai relatif dari depan dan lekukan belakang elemen lensa. Ada jumlah tak terbatas lensa (yaitu, depan dan kombinasi kelengkungan belakang) yang akan fokus pada jarak tertentu, tetapi tergantung pada bagaimana Anda "tikungan" lensa, aberasi akan bervariasi. kecil medium sangat besar Pembengkokan setiap lensa alami mempengaruhi kualitas lensa. Desainer menggunakan lensa membungkuk sebagai salah satu parameter desain mereka, biasanya dengan cara yang implisit (yaitu, program optimasi menentukan bendings terbaik di kombinasi dengan faktor lainnya dan persyaratan).

Hubble Space Telescope Hubble Space Telescope (HST) adalah teleskop astronomi besar yang mengorbit bumi, yang memungkinkan untuk melihat obyek yang jauh tanpa efek mengganggu atmosfer bumi. Sebuah kesalahan dibuat dalam fabrikasi cermin besar utama, dan sayangnya kesalahan ini tidak ditemukan sampai HST berada di orbit bumi. Para dihasilkan penyimpangan bola dicegah HST dari pembentukan gambar yang ideal. Menemukan sifat yang tepat dari masalah dan menciptakan memperbaiki diperlukan karya insinyur optik banyak, ilmuwan, dan desainer dari berbagai organisasi (termasuk ORA). Misi perbaikan untuk menginstal "lensa korektif" dipulihkan HST untuk hampir kinerja desain. Untuk informasi lebih lanjut tentang HST (dan banyak materi pendidikan yang menarik tentang astronomi dan mata kuliah terkait lainnya), kunjungi situs Web di Space Telescope Science Institute .