I raggi di luce cambiano direzione quando riflettono una superficie, si spostano da un mezzo trasparente a un altro o viaggiano attraverso un mezzo la cui composizione cambia continuamente. La legge di riflessione afferma che, sulla riflessione da una superficie liscia, l’angolo del raggio riflesso è uguale all’angolo del raggio incidente. (Per convenzione, tutti gli angoli nell’ottica geometrica sono misurati rispetto alla normale alla superficie-cioè a una linea perpendicolare alla superficie.,) Il raggio riflesso è sempre nel piano definito dal raggio incidente e dal normale alla superficie. La legge della riflessione può essere utilizzata per comprendere le immagini prodotte da specchi piani e curvi. A differenza degli specchi, la maggior parte delle superfici naturali sono ruvide sulla scala della lunghezza d’onda della luce e, di conseguenza, i raggi di luce incidente paralleli si riflettono in molte direzioni diverse o diffusamente. La riflessione diffusa è responsabile della capacità di vedere la maggior parte delle superfici illuminate da qualsiasi posizione—i raggi raggiungono gli occhi dopo aver riflesso ogni porzione della superficie.,

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Quando la luce che viaggia in un mezzo trasparente incontra un confine con un secondo mezzo trasparente (ad es.,, aria e vetro), una parte della luce viene riflessa e una porzione viene trasmessa nel secondo mezzo. Quando la luce trasmessa si sposta nel secondo mezzo, cambia la sua direzione di marcia; cioè, viene rifratta. La legge di rifrazione, noto anche come legge di Snell, descrive la relazione tra l’angolo di incidenza (θ1) e l’angolo di rifrazione (θ2), misurato rispetto al normale (“retta perpendicolare”) per la superficie, in termini matematici: n1 peccato θ1 = n2 sin θ2, dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione di prima e seconda media, rispettivamente., L’indice di rifrazione per qualsiasi mezzo è una costante adimensionale uguale al rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la sua velocità in quel mezzo.

Per definizione, l’indice di rifrazione per un vuoto è esattamente 1., Poiché la velocità della luce in qualsiasi mezzo trasparente è sempre inferiore alla velocità della luce nel vuoto, gli indici di rifrazione di tutti i media sono maggiori di uno, con indici per i materiali trasparenti tipici tra uno e due. Ad esempio, l’indice di rifrazione dell’aria in condizioni standard è 1,0003, l’acqua è 1,33 e il vetro è circa 1,5.

Le caratteristiche di base della rifrazione sono facilmente derivate dalla legge di Snell. La quantità di flessione di un raggio di luce mentre attraversa un confine tra due media è dettata dalla differenza nei due indici di rifrazione., Quando la luce passa in un mezzo più denso, il raggio è piegato verso il normale. Al contrario, la luce che emerge obliquamente da un mezzo più denso è piegata lontano dal normale. Nel caso particolare in cui il raggio incidente sia perpendicolare al confine (cioè uguale al normale), non vi è alcun cambiamento nella direzione della luce mentre entra nel secondo mezzo.

La legge di Snell regola le proprietà di imaging delle lenti. I raggi di luce che passano attraverso una lente sono piegati su entrambe le superfici della lente. Con una corretta progettazione delle curvature delle superfici, è possibile realizzare vari effetti di messa a fuoco., Ad esempio, i raggi inizialmente divergenti da una sorgente puntiforme di luce possono essere reindirizzati da una lente per convergere in un punto nello spazio, formando un’immagine focalizzata. L’ottica dell’occhio umano è incentrata sulle proprietà di messa a fuoco della cornea e del cristallino. I raggi di luce provenienti da oggetti distanti passano attraverso questi due componenti e si concentrano in un’immagine nitida sulla retina sensibile alla luce. Altri sistemi di imaging ottico spaziano da semplici applicazioni a lente singola, come la lente d’ingrandimento, gli occhiali e le lenti a contatto, a complesse configurazioni di lenti multiple., Non è insolito per una fotocamera moderna avere una mezza dozzina o più elementi obiettivo separati, scelti per produrre ingrandimenti specifici, ridurre al minimo le perdite di luce tramite riflessi indesiderati e ridurre al minimo la distorsione dell’immagine causata dalle aberrazioni dell’obiettivo.