దృశా శాస్త్రము

నిర్వచనాలు

దృశా శాస్త్రము (ఆప్టిక్స్) అనేది కాంతి గూర్చి వివరించే భౌతిక శాస్త్ర విభాగము.

కాంతి

కాంతి అనునది మనకు దృష్టి అనుభవాన్ని కలిగించే ఒక శక్తి స్వరూపం. ఈ కాంతి వస్తువులపై పడినపుడు అవి పరావర్తనం చెంది ఆ కిరణాలు మన కంటిని చేరినపుడు మనకు ఆ వస్తువులను చూసే అనుభవం కలుగుతుంది.

స్వయం ప్రకాశకాలు

కాంతిని విడుదల చేసి, కాంతికి జనకాలుగా ఉండే వస్తువులను, స్వయం ప్రకాశకాలు అంటారు.

ఉదా: సూర్యుడు, మండుతున్న క్రొవ్వొత్తి, విద్యుత్ బల్బు, నక్షత్రాలు మొదలైనవి.

నక్షత్రాలు స్వయం ప్రకాశకాలు. అంటే వెలుతురును తమకు తాముగా కాంతిని ప్రసరిస్తాయి.

అస్వయం ప్రకాశకాలు

కాంతిని స్వయంగా విడుదల చేయకుండా వాటిమీద కాంతి పడటం వల్ల ప్రకాశిస్తూ కనిపించే వాటిని అస్వయం ప్రకాశకాలు అంటారు.

ఉదా: భూమి, చంద్రుడు, బల్ల, కుర్చీ, మొదలైనవి.

పారదర్శక పదార్థాలు

ఏ పదార్థాల గుండా కాంతి స్వేచ్ఛగా ప్రయాణించగలదో ఆ పదార్థాలను పారదర్శక పదార్థాలు అంటారు.

ఉదా:- గాలి, నీరు, గాజు, కొన్ని స్ఫటికాలు, కెనడా బాల్సం, నూనె మొదలైనవి.

• 
  పటంలో గాజు, నీరు పారదర్శక పదార్థాలు, వాటి గుండా కాంతి ప్రవహిస్తుంది.
• 
  కొన్ని స్ఫటికములు పారదర్శకంగా ఉంటాయి.
• 
  పారదర్శకములైన మంచు ముక్కలు
• 
  పారదర్శకములైన పాలిథీన్ సంచులు, వాటిలో గల నీరు

పాక్షిక పారదర్శకాలు

ఏ పదార్థాల గుండా కాంతి పాక్షికంగా ప్రయాణించగలదో ఆ పదార్థాలను పాక్షిక పారదర్శకాలు అంటారు.

ఉదా: గరుకు గాజు, పారఫిన్ మైనం, నూనె కాగితం, మొదలగునవి.

కాంతి నిరోధకాలు

ఏ పదార్థాలు తమ గుండా కాంతిని ప్రసరింపనీయవో, వాటిని కాంతి నిరోధకాలు అంటారు.

ఉదా:- రాయి, కర్ర, లోహాలు, మొదలగునవి.

సాంకేతిక పదాలకి అర్థాలు

• Focus = నాభి
• Image = ప్రతిబింబం; ఛాయాబింబం
  • virtual - = మిధ్యాబింబం
• Lens = కటకం
  • convex - = కుంభ కటకం
  • concave - = పుటాకార కటకం
• Optics = దృశా శాస్త్రం; దృష్టికి సంబంధించిన విషయాలలో కాంతి పుట్టుక, ప్రసరణ ప్రక్రియలని అధ్యయనం చేసే శాస్త్రం;
• Prism = పట్టకం
• Reflection = పరావర్తనం
• Refraction = వక్రీభవం

ఉపోద్ఘాతం

ఆప్టిక్స్ సాధారణంగా కనిపించే కాంతి యొక్క, అతినీలలోహిత, పరారుణ కాంతుల యొక్క ప్రవర్తనను వర్ణిస్తుంది. కాంతి ఒక విద్యుదయస్కాంత తరంగం కాబట్టి X-కిరణాలు, సూక్ష్మ తరంగాలు (మైక్రోవేవ్ లు), రేడియో తరంగాలు, ఇతర విద్యుదయస్కాంత తరంగాల వలె ఉంటుంది. కనుక చాలా ఆప్టికల్ విషయాలను విద్యుదయస్కాంత తత్త్వం ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు కాని ఆచరణలో పెట్టడం కష్టం. ప్రాయోగిక దృశా శాస్త్రంలో సాధారణంగా సరళమైన నమూనాలు ఉపయోగించడం జరుగుతుంది.

ఆప్టికల్ సైన్స్ ఖగోళశాస్త్రం, వివిధ ఇంజనీరింగ్, ఫోటోగ్రఫీ, వైద్య పరికరాలలో - అనగా, ముఖ్యంగా కంటిని పరీక్షించే పరికరాలలోను, కళ్లజోళ్లు అమెర్చే పరికరాలలోను (ఆప్టోమెట్రీ) -ఉపయోగ పడుతుంది. ఆప్టిక్స్ ఆచరణీయ అనువర్తనాలను అద్దాలు, కటకములు, దుర్భిణి, సూక్ష్మదర్శిని, లేజర్లు, ఫైబర్ ఆప్టిక్స్ వస్తువులులో ఉపయోగిస్తాము.

ఆప్టిక్స్ లో రెండు భాగాలు ఉన్నాయి. మొదటి భాగాన్ని రేఖా దృశా శాస్త్రం అని అంటాం. ఇక్కడ మనం కాంతిని సరళరేఖలలో ప్రయాణం చేసే కిరణాలుగా భావిస్తాం. రెండవదానిని భౌతిక దృశా శాస్త్రం అని అంటాం. భౌతిక దృశా శాస్త్రంలో కాంతి యొక్క తరంగ ధైర్ఘ్యము మనం పనిచేస్తున్న ఆప్టికల్ పనిముట్లతో పోల్చగలం.

1. కిరణ దృశా శాస్త్రము - రేఖాగణిత దృశా శాస్త్రము (రే ఆప్టిక్స్)
2. భౌతిక దృశా శాస్త్రము - తరంగ దృశా శాస్త్రము (వేవ్ ఆప్టిక్స్)

భౌతిక దృశా శాస్త్రము

• దీనిని తరంగ దృశా శాస్త్రం అని కూడా అంటారు.
• కాంతి కిరణం యే వస్తువు మీద పతనం అవుతుందో ఆ వస్తువు పరిమాణం కాంతి తరంగ దైర్ఘ్యంతో పోల్చుకోదగ్గట్టు ఉంటే ఆ విభాగాన్ని భౌతిక దృశా శాస్త్రము అంటారు.
• ఈ విభాగంలో కాంతిని ఒక తరంగంగా భావించి కాంతి ధర్మములను వివరిస్తారు.
• లేసర్లు వగైరా పనిముట్లని తయారు చెయ్యడానికి ఈ రకం శాస్త్రం ఉపయోగపడుతుంది.

కిరణ దృశా శాస్త్రము

• దీనిని రేఖా (గణిత) దృశా శాస్త్రం అని కూడా అంటారు.
• కాంతి కిరణం యే వస్తువు మీద పతనం అవుతుందో ఆ వస్తువు పరిమాణం కంటే కాంతి తరంగ దైర్ఘ్యం చాలా తక్కువగా ఉంటే ఆ విభాగాన్ని కిరణ దృశా శాస్త్రము అంటారు.
• ఈ విభాగంలో కాంతిని ఒక కిరణంగా (అనగా, తిన్నగా గీసిన గీతలా) తీసుకుని కాంతి ధర్మములను వివరిస్తారు.
• కటకాలు, పట్టకాలు ఉపయోగించి కళ్లజోళ్లు, సూక్ష్మదర్శనిలు, దూరదర్శనిలు, మొదలైన పరికరాలు తయారు చెయ్యడానికి ఈ రకం శాస్త్రం ఉపయోగపడుతుంది.

కిరణ దృశా శాస్త్రములో సూత్రాలు

కాంతి కిరణం రెండు పారదర్శక పదార్థాలు మధ్యనున్న సరిహద్దుని తాకినప్పుడు, దానిలో ఒక అంశ పరావర్తనం చెందుతుంది. మరొక అంశ వక్రీభవనం చెందుతుంది. బొమ్మ చూడండి.

Geometry of reflection and refraction of light rays

పరావర్తన సూత్రం (Law of Reflection): పతనమైన కిరణం, పరావర్తనం చెందిన కిరణం ఒకే తలంలో ఉంటాయి. పతన కోణం (${\theta _{1}}$), పరావర్తన కోణం (${\theta _{2}}$) సమానంగా ఉంటాయి.

వక్రీభవన సూత్రం (Law of Refraction): పతనమైన కిరణం, వక్రీభవనం చెందిన కిరణం ఒకే తలంలో ఉంటాయి. పతన కోణం యొక్క "సైను" (sine of the incident angle), వక్రీభవన కిరణం కోణం యొక్క "సైను" (sine of the refracted angle) మధ్య ఉండే నిష్పత్తి n ని వక్రీభవన సూచిక (index of refraction) అంటారు. బొమ్మ చూడండి.

${\frac {\sin {\theta _{1}}}{\sin {\theta _{2}}}}=n$

పరావర్తనాలు

పరావర్తనాలని రెండు రకాలుగా విభజించవచ్చు. మొదటిది స్పెక్యులర్ (లేదా సాధారణ) పరావర్తనం. రెండవది డిఫ్యూజ్ పరావర్తనం. సాధారణ పరావర్తనం అద్దాల వంటి ఉపరితలాలనుండి వచ్చేది. డిఫ్యూజ్ పరావర్తనం కాగితం, రాయి వంటి అపారదర్శక వంటి ఉపరితలాలనుండి వచ్చేది.

180x180px

చదునైన అద్దాలలో కనిపించే సాధారణ పరావర్తనాలలో ఛాయా బింబం (image) నిటారుగా ఉంటుంది. అద్దం ముందు వస్తువులు ఎంత దూరంలో ఉన్నాయో అదే దూరంలో అద్దం వెనుక ఛాయా బింబం కనబడుతుంది. వస్తువు పరిమాణం, అద్దంలో కనబడే ఛాయా బింబం పరిమాణం రెండూ సమానమే. చదునైన అద్దములో ఛాయా బింబములో ఎడమ, కుడి తారుమారవుతుంది. రెండు కంటే ఎక్కువ అద్దాల సహాయముతో ఏర్పడినటువంటి ఛాయా బింబాలకి ఇటువంటి తిరగబడుట జరగదు.

thumb

వక్రీభవనాలు

కాంతి ప్రయాణించే మార్గంలో వక్రీభవన సూచిక మారుతూ ఉంటే అప్పుడు కాంతి వక్రీభవనం పొందుతుంది. ఈ సూత్రం వల్ల కటకములని ఉపయోగించి కాంతిని కేంద్రీకృతం చేయవచ్చు.

thumb

కాంతి కిరణం ఒక వక్రీభవన సూచిక గల పదార్థం నుండి మరొక వక్రీభవన సూచిక గల పదార్థం లోనికి ప్రవేశించినప్పుడు కాంతి దిశ మారుతుంది. ఈ ప్రక్రియని వక్రీభవనం (refraction) అంటారు. ఈ వక్రీభవనాన్ని స్నెల్ సూత్రం (Snell's Law) ఇలా వర్ణిస్తుంది.

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

ఇక్కడ $\theta _{1}$ అనేది అంతర్ముఖం నుండి గీసిన లంబ రేఖకు, పతన కిరణానికి మధ్య గల కోణం అయితే, $\theta _{2}$ అనేది అదే లంబ రేఖకు, పరావర్తన కిరణానికి మధ్య గల కోణం అవుతుంది [Young].

ఒక యానకం యొక్క వక్రీభవన సూచిక (the index of refraction of a medium) కీ ఆ యానకంలో కాంతి వేగానికి మధ్య ఒక సంబంధం ఉంది. యానకంలో కాంతి వేగం 'v' అనిన్నీ, శూన్యంలో కాంతి వేగం 'c' అనిన్నీ అనుకుంటే, ఈ సంబంధాన్ని ఈ దిగువ విధంగా వర్ణించవచ్చు:

$n=c/v$.

దీనిని ఇంకొక విధముగా కూడా చూడవచ్చు. ఒక పదార్థం నుండి మరొక పదార్ధము లోనికి వెళ్లినప్పుడు కాంతి యొక్క వేగం మారుతుంది.

కాంతిలో చాలా రంగులు ఉంటాయి.ఒక్కొక్క రంగుకు ఒక వక్రీభవన సూచిక ఉంటుంది. కాబట్టి కాంతి పట్టకం లోనికి ప్రవేశించినపుడు రంగులు వేరు వేరు దిశలలో చీలి పట్టకం బయటకు వస్తాయి. దీనిని డిస్పర్షన్ అంటారు. ఇలా అయినప్పుడు మనకు కాంతి యొక్క అన్నీ రంగులు కనపడుతాయి.

Optics includes study of dispersion of light.

కటకాలు

వక్రీభవనం కారణంగా కాంతి కిరణాల మార్గాన్ని కేంద్రాభిసరణం (converge) చేసేది కాని, కేంద్రావసరణం (diverge) చేసేది కాని అయిన పరికరం కటకం అనబడుతుంది. కటకాలలో రెండు రకాలు ఉన్నాయి. ఒకటి పుటాకార కటకం మరొకటి కుంభ కటకం. కుంభ కటకం కాంతి కిరణాలను ఒక చోటికి చేర్చుతుంది (కేంద్రాభిసరణం చేస్తుంది).. పుటాకార కటకం కాంతి కిరణాలను వ్యాప్తి (కేంద్రావసరణం) చేస్తుంది.

ఒక పల్చటి కటకం గుండా కాంతి ప్రయాణించినప్పుడు ఛాయా బింబం ఎక్కడ పడుతుందో ఒక గణిత సమీకరణం ద్వారా చెప్పవచ్చు:

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

ఇక్కడ బొమ్మలో చూపినట్లు $S_{1}$ అనేది కటకానికి వస్తువుకి మధ్య దూరం, $S_{2}$ అనేది కటకానికి ఛాయా బింబానికి మధ్య దూరం, $f$ అనేది కటకం యొక్క నాభ్యంతరం. వస్తువు, ఛాయా బింబం కటకానికి ఇరువైపులా ఉన్నట్లయితే ఆయా దూరాలని ధన సంఖ్యతో సూచిచడం సంప్రదాయం [Hecht].

350x350px

350x350px

కుంభ కటకం దగ్గరకు అనంత దూరం నుండి వస్తున్న కాంతి సమాంతర కిరణాలు కటకం యొక్క అవతలి పక్క ఒక బిందువు దగ్గర కేంద్రీకరించబడతాయి. ఈ బిందువుని నాభి (focus) అంటారు. పరిమిత దూరంలో ఒక వస్తువు నుండి కిరణాలు కటకం వైపు వస్తున్నపుడు అవి నాభ్యంతరం కంటే ఎక్కువ దూరంలో అభిసరించి ఛాయాబింబం ఏర్పడేలా చేస్తాయి; వస్తువు కటకానికి దగ్గర అవుతూన్న కొద్దీ ఛాయాబింబం దూరం అవుతుంది. (బొమ్మ చూడండి)

పుటాకార కటకం దగ్గరకు అనంత దూరం నుండి వస్తున్న కాంతి సమాంతర కిరణాలు కటకం యొక్క అవతలి పక్క అవసరణ చెందుతాయి. అలా అవసరణ చెందిన కిరణాలని వెనక్కి పొడిగిస్తే అవి కటకం ముందు ఒక బిందువి దగ్గర అభిసరణ చెందడం వల్ల ఆ ఊహా బిందువు దగ్గర ఉన్న ఊహా వస్తువు నుండి బయలుదేరిన కిరణాలులా మనకి అనిపిస్తుంది.

మూలాలు

• 1. H. D. Young (1992). "35". University Physics 8e. Addison-Wesley. ISBN 0-201-52981-5.
• 2. E. Hecht (1987). Optics (2nd ed.). Addison Wesley. ISBN 0-201-11609-X. Chapters 5 & 6.