เลนส์

เลนส์เป็นสาขาของฟิสิกส์ว่าการศึกษาพฤติกรรมและคุณสมบัติของแสงรวมถึงการมีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องและการก่อสร้างของเครื่องมือที่ใช้หรือการตรวจสอบมัน [1]เลนส์มักจะอธิบายลักษณะการทำงานของการมองเห็น , รังสีอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรดแสง เพราะแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่น ๆ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นรังสีเอกซ์ , ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุแสดงคุณสมบัติที่คล้ายกัน [1]

ทัศนศาสตร์รวมถึงการศึกษา การกระจายตัวของแสง

ปรากฏการณ์ทางแสงส่วนใหญ่สามารถอธิบายได้โดยใช้คำอธิบายแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกของแสง อย่างไรก็ตามคำอธิบายแม่เหล็กไฟฟ้าที่สมบูรณ์ของแสงมักจะนำไปใช้ในทางปฏิบัติได้ยาก เลนส์ที่ใช้งานได้จริงมักจะทำโดยใช้แบบจำลองที่เรียบง่าย เลนส์ทางเรขาคณิตที่พบมากที่สุดถือว่าแสงเป็นกลุ่มของรังสีที่เดินทางเป็นเส้นตรงและโค้งงอเมื่อผ่านหรือสะท้อนจากพื้นผิว ทัศนศาสตร์ทางกายภาพเป็นแบบจำลองของแสงที่ครอบคลุมมากขึ้นซึ่งรวมถึงผลกระทบของคลื่นเช่นการเลี้ยวเบนและการรบกวนที่ไม่สามารถนำมาพิจารณาในเลนส์ทางเรขาคณิตได้ ในอดีตแบบจำลองแสงที่ใช้รังสีได้รับการพัฒนาก่อนตามด้วยแบบจำลองคลื่นของแสง ความก้าวหน้าของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าในศตวรรษที่ 19 นำไปสู่การค้นพบว่าแท้จริงแล้วคลื่นแสงเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

ปรากฏการณ์บางอย่างขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าแสงมีทั้งเหมือนคลื่นและอนุภาคเช่นคุณสมบัติ คำอธิบายของผลกระทบเหล่านี้ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัม เมื่อพิจารณาคุณสมบัติคล้ายอนุภาคของแสงแสงจะถูกจำลองเป็นกลุ่มของอนุภาคที่เรียกว่า " โฟตอน " Quantum opticsเกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมกับระบบออปติก

วิทยาศาสตร์แสงเป็นที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาในสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องจำนวนมากรวมทั้งดาราศาสตร์ต่างๆวิศวกรรมสาขาการถ่ายภาพและการแพทย์ (โดยเฉพาะจักษุวิทยาและออพ ) การใช้งานจริงของเลนส์ที่พบในความหลากหลายของเทคโนโลยีและวัตถุในชีวิตประจำวันรวมทั้งกระจก , เลนส์ , กล้องโทรทรรศน์ , กล้องจุลทรรศน์ , เลเซอร์และใยแก้วนำแสง

เลนส์นิมรูด

เลนส์เริ่มต้นด้วยการพัฒนาของเลนส์โดยชาวอียิปต์โบราณและMesopotamians เลนส์ที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักกันดีซึ่งทำจากคริสตัลขัดเงาซึ่งมักเป็นควอตซ์มีอายุตั้งแต่ 2,000 ปีก่อนคริสตกาลจากเกาะครีต (Archaeological Museum of Heraclion, Greece) เลนส์จากโรดส์วันประมาณ 700 ปีก่อนคริสตกาลเช่นเดียวกับแอสเลนส์เช่นเลนส์ Nimrud [2]โรมันโบราณและชาวกรีกที่เต็มไปด้วยแก้วทรงกลมกับน้ำเพื่อให้เลนส์ การพัฒนาในทางปฏิบัติเหล่านี้ตามมาด้วยการพัฒนาทฤษฎีของแสงและการมองเห็นโดยโบราณกรีกและอินเดียปรัชญาและการพัฒนาของเลนส์เรขาคณิตในโลกกรีกโรมัน คำว่าทัศนศาสตร์มาจากภาษากรีกโบราณคำว่าὀπτική ( optikē ) หมายถึง "รูปลักษณ์รูปลักษณ์" [3]

ปรัชญากรีกในเลนส์ยากจนลงเป็นสองทฤษฎีตรงข้ามกับวิธีการทำงานวิสัยทัศน์ที่ทฤษฎี intromissionและทฤษฎีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก [4]วิธีการ intromission มองเห็นการมองเห็นที่มาจากวัตถุที่คัดลอกมาจากตัวมันเอง (เรียกว่า eidola) ที่ถูกจับด้วยตา ด้วยผู้โฆษณาชวนเชื่อจำนวนมากรวมถึงDemocritus , Epicurus , Aristotleและผู้ติดตามของพวกเขาทฤษฎีนี้ดูเหมือนจะมีส่วนเกี่ยวข้องกับทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับวิสัยทัศน์ที่แท้จริง แต่ก็ยังคงเป็นเพียงการคาดเดาที่ไม่มีรากฐานการทดลองใด ๆ

เพลโตเป็นคนแรกที่พูดถึงทฤษฎีการปล่อยความคิดที่ว่าการรับรู้ภาพสามารถทำได้โดยรังสีที่ปล่อยออกมาจากดวงตา นอกจากนี้เขายังแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความเท่าเทียมกันของการพลิกกลับของกระจกในTimaeus [5]บางร้อยปีต่อมาEuclid (ที่ 4 ที่ 3 ศตวรรษก่อนคริสต์ศักราช) เขียนตำราสิทธิเลนส์ที่เขาเชื่อมโยงกับวิสัยทัศน์ที่จะเรขาคณิตสร้างเลนส์เรขาคณิต [6]เขาใช้ผลงานของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีการแผ่รังสีของเพลโตซึ่งเขาอธิบายกฎทางคณิตศาสตร์ของมุมมองและอธิบายผลของการหักเหในเชิงคุณภาพแม้ว่าเขาจะตั้งคำถามว่าลำแสงจากดวงตาสามารถทำให้ดวงดาวสว่างขึ้นได้ทันทีทุกครั้งที่มีคนกระพริบตา [7] Euclid กล่าวถึงหลักการของวิถีแสงที่สั้นที่สุดและพิจารณาการสะท้อนหลายครั้งบนกระจกแบนและทรงกลม ปโตเลมีในบทความเรื่องOpticsของเขาได้จัดทฤษฎีการมองเห็นแบบ extramission-intromission: รังสี (หรือฟลักซ์) จากตาก่อตัวเป็นรูปกรวยจุดสุดยอดอยู่ภายในดวงตาและฐานที่กำหนดขอบเขตการมองเห็น รังสีมีความอ่อนไหวและส่งข้อมูลกลับไปยังสติปัญญาของผู้สังเกตเกี่ยวกับระยะทางและการวางแนวของพื้นผิว เขาสรุปยูคลิดส่วนใหญ่และอธิบายวิธีการวัดมุมหักเหแม้ว่าเขาจะไม่สังเกตเห็นความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ระหว่างมันกับมุมตกกระทบ [8] ตาร์ค (1st-ศตวรรษที่ 2 AD) อธิบายการสะท้อนความเห็นหลายคนบนกระจกทรงกลมและกล่าวถึงการสร้างขยายและการลดภาพทั้งจริงและจินตนาการรวมทั้งกรณีของchiralityของภาพ

Alhazen (อิบันอัล - Haytham) "บิดาแห่งทัศนศาสตร์" [9]
การสืบพันธุ์ของหน้าของ อิบัน Sahlต้นฉบับ 's แสดงความรู้ของ กฎหมายของการหักเห

ในช่วงยุคกลางความคิดเกี่ยวกับเลนส์กรีกถูกฟื้นคืนชีพและขยายออกไปโดยนักเขียนในโลกมุสลิม หนึ่งในกลุ่มที่เก่าแก่ที่สุดคืออัล - คินดี (ค.ศ. 801–873) ซึ่งเขียนเกี่ยวกับข้อดีของแนวคิดทางทัศนศาสตร์ของอริสโตเติลและยุคลิดโดยชอบทฤษฎีการปล่อยมลพิษเนื่องจากสามารถหาจำนวนปรากฏการณ์ทางแสงได้ดีกว่า [10]ในปี 984 อิบันซาห์ลนักคณิตศาสตร์ชาวเปอร์เซียได้เขียนบทความเรื่อง "เกี่ยวกับกระจกและเลนส์ที่กำลังลุกไหม้" โดยอธิบายถึงกฎการหักเหของแสงที่เทียบเท่ากับกฎของสเนลล์อย่างถูกต้อง [11]เขาใช้กฎหมายนี้ในการคำนวณรูปทรงที่เหมาะสมสำหรับเลนส์และกระจกโค้ง ในช่วงต้นศตวรรษที่ 11 Alhazen (Ibn al-Haytham) ได้เขียนBook of Optics ( Kitab al-manazir ) ซึ่งเขาได้สำรวจการสะท้อนและการหักเหของแสงและเสนอระบบใหม่สำหรับการอธิบายการมองเห็นและแสงโดยอาศัยการสังเกตและการทดลอง [12] [13] [14] [15] [16]เขาปฏิเสธ "ทฤษฎีการแผ่รังสี" ของเลนส์ปโตเลมาอิกที่มีการแผ่รังสีของมันออกมาทางตาและแทนที่จะหยิบยกแนวคิดที่ว่าแสงสะท้อนไปทุกทิศทางเป็นเส้นตรงจาก ทุกจุดของวัตถุที่มองแล้วเข้าตาแม้ว่าเขาจะไม่สามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องว่าดวงตาจับรังสีอย่างไร [17]งานของ Alhazen ส่วนใหญ่ถูกละเลยในโลกอาหรับ แต่ได้รับการแปลเป็นภาษาละตินโดยไม่ระบุชื่อเมื่อประมาณปี ค.ศ. 1200 และได้สรุปและขยายเพิ่มเติมโดยพระภิกษุชาวโปแลนด์Witelo [18]ทำให้เป็นข้อความมาตรฐานเกี่ยวกับทัศนศาสตร์ในยุโรปในช่วง 400 ปีข้างหน้า . [19]

ในศตวรรษที่ 13 ในยุโรปยุคกลางบาทหลวงโรเบิร์ตกรอสเทสเตชาวอังกฤษเขียนหัวข้อทางวิทยาศาสตร์ที่หลากหลายและกล่าวถึงแสงจากมุมมองที่แตกต่างกันสี่มุมมอง: ญาณวิทยาของแสงอภิปรัชญาหรือจักรวาลแห่งแสงสาเหตุหรือฟิสิกส์ของแสงและกเทววิทยาแห่งแสง[20]โดยอาศัยผลงานของอริสโตเติลและลัทธิพลาโทนิสม์ ลูกศิษย์ที่มีชื่อเสียงมากที่สุด Grosseteste, โรเจอร์เบคอน , งานเขียนอ้างถึงความหลากหลายของการแปลเมื่อเร็ว ๆ นี้งานแสงและปรัชญารวมทั้งพวก Alhazen อริสโตเติลAvicenna , Averroes , ยุคลิดอัลคินดี, ปโตเลมี Tideus และคอนสแตนติแอฟริกัน เบคอนสามารถใช้ชิ้นส่วนของแก้วทรงกลมเป็นแว่นขยายเพื่อแสดงให้เห็นว่าแสงสะท้อนจากวัตถุแทนที่จะปล่อยออกจากพวกมัน

แว่นตาที่สวมใส่ได้เครื่องแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในอิตาลีเมื่อประมาณปีค. ศ. 1286 [21]นี่คือจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรมออพติคอลของการเจียรและขัดเลนส์สำหรับ "แว่นตา" เหล่านี้ครั้งแรกในเวนิสและฟลอเรนซ์ในศตวรรษที่สิบสาม[22]และต่อมาในยุค ศูนย์การสร้างปรากฏการณ์ทั้งในเนเธอร์แลนด์และเยอรมนี [23]ผู้ผลิตแว่นตาได้สร้างประเภทของเลนส์ที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับการแก้ไขการมองเห็นโดยอาศัยความรู้เชิงประจักษ์ที่ได้รับจากการสังเกตผลของเลนส์มากกว่าการใช้ทฤษฎีแสงพื้นฐานของวัน (ทฤษฎีซึ่งส่วนใหญ่ไม่สามารถอธิบายได้อย่างเพียงพอ แว่นตาทำงานอย่างไร) [24] [25]การพัฒนาในทางปฏิบัติความเชี่ยวชาญและการทดลองกับเลนส์นี้นำไปสู่การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบผสมในปี ค.ศ. 1595 และกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงในปี ค.ศ. 1608 ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ปรากฏในศูนย์สร้างภาพในเนเธอร์แลนด์ [26] [27]

บทความแรกเกี่ยวกับทัศนศาสตร์โดย Johannes Kepler , Ad Vitellionem paralipomena quibus Astronomiae pars optica traditur (1604)

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 17 โยฮันเนสเคปเลอร์ได้ขยายขอบเขตเกี่ยวกับทัศนศาสตร์ทางเรขาคณิตในงานเขียนของเขาโดยครอบคลุมเลนส์การสะท้อนด้วยกระจกแบนและโค้งหลักการของกล้องรูเข็มกฎสี่เหลี่ยมผกผันที่ควบคุมความเข้มของแสงและคำอธิบายทางแสงของปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์เช่น เป็นดวงจันทร์และสุริยคราสและดาราศาสตร์Parallax นอกจากนี้เขายังสามารถสรุปบทบาทของเรตินาได้อย่างถูกต้องว่าเป็นอวัยวะจริงที่บันทึกภาพในที่สุดก็สามารถหาจำนวนผลกระทบของเลนส์ประเภทต่างๆที่ผู้ผลิตแว่นตาได้สังเกตเห็นในช่วง 300 ปีที่ผ่านมาทางวิทยาศาสตร์ [28]หลังจากการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ Kepler ได้กำหนดพื้นฐานทางทฤษฎีเกี่ยวกับวิธีการทำงานและอธิบายถึงรุ่นที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งเรียกว่ากล้องโทรทรรศน์ Keplerianโดยใช้เลนส์นูนสองตัวเพื่อสร้างกำลังขยายที่สูงขึ้น [29]

หน้าปกของOpticksของ Newton รุ่นแรก (1704)

ทฤษฎีออพติคอลดำเนินไปในช่วงกลางศตวรรษที่ 17 โดยมีบทความที่เขียนโดยนักปรัชญาRené Descartesซึ่งอธิบายปรากฏการณ์ทางแสงที่หลากหลายรวมถึงการสะท้อนและการหักเหของแสงโดยสมมติว่าแสงถูกปล่อยออกมาจากวัตถุที่สร้างมันขึ้นมา [30]สิ่งนี้แตกต่างอย่างมากจากทฤษฎีการปล่อยมลพิษของกรีกโบราณ ในยุค 1660 ในช่วงปลายยุค 1670 และต้นไอแซกนิวตันขยายความคิด Descartes' เป็นทฤษฎีเม็ดโลหิตของแสงที่มีชื่อเสียงระบุว่าแสงสีขาวเป็นส่วนผสมของสีที่สามารถแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่มีปริซึม ในปี 1690 Christiaan Huygens ได้เสนอทฤษฎีคลื่นสำหรับแสงตามข้อเสนอแนะของRobert Hookeในปี ค.ศ. 1664 ฮุควิพากษ์วิจารณ์ทฤษฎีแสงของนิวตันต่อสาธารณชนและความบาดหมางระหว่างทั้งสองดำเนินไปจนกระทั่งการตายของฮุค ในปี 1704 นิวตันได้ตีพิมพ์Opticksและในเวลานั้นส่วนหนึ่งเป็นเพราะความสำเร็จในสาขาฟิสิกส์อื่น ๆ โดยทั่วไปเขาถือว่าเป็นผู้ชนะในการถกเถียงเรื่องธรรมชาติของแสง [30]

เลนส์ Newtonian เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปจนถึงต้นศตวรรษที่ 19 เมื่อThomas YoungและAugustin-Jean Fresnelได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการรบกวนของแสงที่สร้างลักษณะคลื่นของแสงอย่างมั่นคง การทดลองแบบ double slit ที่มีชื่อเสียงของ Young แสดงให้เห็นว่าแสงเป็นไปตามหลักการ superpositionซึ่งเป็นคุณสมบัติคล้ายคลื่นที่ไม่ได้ทำนายโดยทฤษฎี corpuscle ของ Newton งานนี้นำไปสู่ทฤษฎีการเลี้ยวเบนของแสงและเปิดพื้นที่การศึกษาทั้งหมดในสาขาทัศนศาสตร์ทางกายภาพ [31] Wave optics เป็นหนึ่งเดียวกับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยJames Clerk Maxwellในทศวรรษที่ 1860 [32]

การพัฒนาต่อไปในทฤษฎีแสงมาในปี 1899 ตอนที่มักซ์พลังค์จำลองได้อย่างถูกต้องรังสีว่าความโดยสมมติว่ามีการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างแสงและเรื่องเดียวที่เกิดขึ้นในปริมาณที่ไม่ต่อเนื่องที่เขาเรียกว่าควอนตั้ม [33]ในปีพ. ศ. 2448 อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ตีพิมพ์ทฤษฎีเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่กำหนดปริมาณของแสงอย่างมั่นคง [34] [35]ในปี 1913 Niels Bohrแสดงให้เห็นว่าอะตอมสามารถเฉพาะจำนวนเงินที่ไม่ต่อเนื่องปล่อยพลังงานจึงอธิบายเส้นต่อเนื่องเห็นได้ในการปล่อยและการดูดซึมสเปกตรัม [36]ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่ตามมาจากการพัฒนาเหล่านี้ไม่เพียง แต่ก่อให้เกิดพื้นฐานของเลนส์ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญต่อการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมโดยรวมอีกด้วย สุดยอดที่สุดทฤษฎีของควอนตัมอิเล็กโทรดพลศาสตร์อธิบายเกี่ยวกับทัศนศาสตร์และกระบวนการทางแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทั่วไปอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนจริงและเสมือน [37]เลนส์ควอนตัมได้รับความสำคัญในทางปฏิบัติกับสิ่งประดิษฐ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1953 และเลเซอร์ใน 1960 [38]

ต่อไปนี้การทำงานของพอลดิแรกในทฤษฎีสนามควอนตัม , จอร์จ Sudarshan , รอยเจ Glauberและลีโอนาร์ Mandelใช้ทฤษฎีควอนตัมกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1950 และ 1960 จะได้รับความเข้าใจรายละเอียดเพิ่มเติมของ photodetection และสถิติของแสง