بصريات

يصف عِلْم البَصَرياتِ أو المَناظِرِ سلوك الطيف المرئي، تحت الأحمر، فوق البنفسجي، بشكل مجمل معظم الأمواج الكهرطيسية والظواهر المشابهة مثل الأشعة السينية، الأمواج الميكروية،الأمواج الراديوية وغيرها من أنواع الأمواج والإشعاع الكهرطيسي. لذا يتم اعتبار البصريات أحيانا فرعا من الكهرطيسية. تعتمد بعض الظواهر البصرية على ميكانيكا الكم لكن الغالبية العظمى من الظواهر البصرية يمكن شرحها وتفسيرها بناء على الوصف الكهرطيسي للضوء الذي تحدده بدقة قوانين ماكسويل.

بشكل كبير تعتبر البصريات حقل دراسي مستقل عن بقية فروع واختصاصات الفيزياء بحيث يملك كيانا مستقلا وجمعيات علمية خاصة ومؤتمرات خاصة، تدعى النواحي العلمية البحتة من البصريات فيزياء بصرية اما النواحي التطبيقية فتدعى هندسة بصرية.

تاريخياً يعتبر العالم العربي ابن الهيثم 965-1039 م مؤسس علم بصريات بكتابه الفريد المناظر، وهو الذي قام بتوصيف آلية الابصار العين كجسم مستقبل للضوء فحسب، مخالفاً نظرية بطليموس الذي اقترح أن العين تصدر الضوء أيضاً.

أهم تطبيقات علم البصريات اليوم في المجال التكنولوجيا هي الألياف البصرية لنقل البيانات وأشعة الليزر.

البصريات هي العلم الذي يتعامل مع الضوء في كيفيه تولده وانتشاره اما الضوء فهو نوع من أنواع الطاقات المعروفة كالطاقة الحراريه والطاقة الميكانيكيه والطاقة الكهربيه ولكن الطاقة الضوئية تظهر في صورة خاصه من صور الطاقة هي الصورة الاشعاعية والتي تؤثر في العين فتسبب الرؤية وتتحول هذه الطاقة الاشعاعية الضوئية إلى الأنواع المعروفة للطاقة تحقيقا لمبدأ بقاء الطاقة وكيفية رؤية العين لا كما كان يفسر قديما بأن الأشعة تخرج من العين فتسقط على الجسم فترى العين ويعرف الضوء المرئي بأنه الاشعاع الذي يؤثمر في العين فيسبب الرؤية وتعتمد درجة وضوح رؤية الجسم المرئي على الكم والنوع للطاقه المرتدة من الجسم والتي تستقبلها العين وكل نقطة على الجسم المرئي تعتبر مصدرا للاشعاع تستقبل منه العين كل الأشعة الصادرة منه على شكل مخروطى قاعدته هي العين وقمته هي النقطة التي على الجسم المضئ. ينتشر الضوء في جميع الاتجاهات بسرعة فائقة جدا لدرجة انه لا يوجد في تجاربنا اليوميه ما يدعونا للظن بإن سرعة الضوء ليست نهائية وتقل سرعة الضوء في الأوساط المادية فمثلا سرعة الضوء في الماء أكبر من سرعته في الماس. و تختلف مصادر الضوء عن بعضها في مقدار الذبذبات الصادرة منها وبذلك تختلف في مقدار الطاقة الاضعاعية الصادرة عنها وبالتالى تأثيرها على الرؤيه أي انها تختلف في طول الموجة والتردد ويتضح من هذا علاقه الألوان المكونة للضوء كل واحد منها له طول موجى وتردد خاصين بها ويختلفان عن باقى الألوان. أوضح ماكسويل ان الضوء هو أحد الأجزاء المكونة للطيف الكهرومغناطيسى

التاريخ

عدسة النمرود

بدأت البصريات مع تطور العدسات من قبل قدماء المصريين و بلاد ما بين النهرين . وكانت أولى العدسات مصنوعه من الكريستال المصقول، وغالبا الكوارتز ،كما تم في وقت مبكر من التاريخ ( 700 ق.م ) عمل عدسات مثل عدسة النمرود في بلاد آشور قديماً, كما كان الرومان القدماء والإغريق يصنعون عدسات بدائيه عن طريق ملئ الزجاجات بالماء. تلت هذه التطورات, تطوير نظريات الضوء و الرؤيه من الفلسفه اليونانية و الهندية, ثم تطورت البصريات الهندسيه عند اليونان و الرومان

نظرية إبن سهل

خلال العصور الوسطى, كانت الأفكار اليونانيه حول مأخوذه من العالم الإسلامي. وكان أول المسلمين هو يعقوب بن إسحاق الكندي و الذي كتب في موضوع الأفكار الأرسطية والبصريات الإقليدية، والعالم المسلم الفارسي إبن سهل كتب اطروحه حول المرايا و العدسات وضع وإكتشف إبن سهل أول قانون إنكسار, وقد استخدم القانون لإستخلاص أشكال العدسات التي تركز الضوء من غير إنحراف.

وفي أوائل القرن الحادي عشر كتب ابن الهيثم كتب في البصريات كتاب المناظير والذي بحث في الإنعكاس والإنكسار, و إقترح نظاماً جديداً لشرح الرؤية و الضوء إعتماداً على الملاحظه والتجربة, و رفض نظرية الإنبعاث, و وضع بدلاً من ذلك فكرة أن الضوء المنعكس في كل الاتجاهات في خطوط مستقيمة من جميع نقاط الجسم تظهر ويتم مشاهدتها ومن ثم تدخل العين، على الرغم من انه لم يتمكن من شرح آلية صحيحة لكيفية إلتقاط العين للأشعة. تم تجاهل إلى حد كبير عمل ابن الهيثم في العالم العربي ولكن تم ترجمتها بشكل مجهول إلى اللاتينية حوالي 1200 م و تلخيص المزيد و وسعت من قبل الراهب البولندي Witelo

غلاف أول نسخه من بصريات نيوتن

في منتصف القرن السابع عشر كتب الفيلسوف رينيه ديكارت بعض النظريات البصريه, والتي أوضحت مجموعة متنوعة من الظواهر البصرية بما في ذلك الإنعكاس و الإنكسار وهذا يختلف تماماً عن نظرية الإنبعاث اليونانية القديمة. وفي (أواخر 1660s و أوائل 1670s) وسع نيوتن أفكار ديكارت في نظرية جسيمية الضوء الشهيره والتي تظهر أن الضوء الأبيض مزيج مركب من الألوان المختلفه و التي يمكن فصلها بالمنشور.

البصريات الكلاسيكية

تنقسم البصريات الكلاسيكية إلى فرعين رئيسيين: البصريات الهندسية والبصريات الفيزيائية.

البصريات الهندسية

إنعكاس وإنكسار أشعة الضوء

البصريات الهندسية، أو أشعة البصريات، ويصف انتشار الضوء من حيث "الأشعة" التي تتجه في خطوط مستقيمة، و مسارات تخضع لقوانين الانعكاس والانكسار تم اكتشاف هذه القوانين تجريبيا بقدر ما يعود إلى 984 م, واستخدمت من ذلك الحين وحتى اليوم في تصميم أدوات و مكونات بصرية. ويمكن تلخيصها على النحو التالي: عندما يصطدم شعاع من الضوء بين مادتين شفافتين, ينقسم إلى إنعكاس و شعاع منكسر.

قانون الإنعكاس يقول أن إنعكاس الأشعة يكمن في زاوية السقوط, وأن زاوية الإنكسار تساوي زاوية السقوط.

قانون الانكسار يقول أن إنكسار الأشعة يكمن في زاوية السقوط، وجيب زاوية الانكسار مقسوما على جيب الزاوية الإصابة هو ثابت.

حيث n هو ثابت لأي مادتين ولون معين من الضوء. كما هو معروف في معامل الانكسار .

ويمكن اشتقاق قوانين الانعكاس والانكسار من مبدأ فيرما التي تنص على أن تتخذ مسار بين نقطتين من قبل شعاع الضوء هو المسار الذي يمكن اجتيازه في أقل وقت.

الضوء المرئى

يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرطيسيه بإنه ذلك الطيف الذي يمكن أن يؤثر في العين في العين فتحس الرؤيه ويبدأ المدى باللون البنفسجى وينتهى ياللون الأحمر ونظرا لان حساسيه العين تختلف باختلاف طول موجه الأشعة الضوئية المستقبلة فهي قادره على التمييز بين الألوان المختلفة وتكون حساسيه العين أكبر ما يمكن عند الطول الموجى الذي يقع بين الأخضر والاصفر وتقاس اطوال الموجات الضوئية بوحدات صغيره جدا مثل الميكرومتر والنانومتر والانجستروم.