Redigerer Optikk (avsnitt)

== Fysiologisk optikk og anvendelser ==
Svært mange biologiske skapninger har [[syn]] eller andre visuelle systemer, noe som viser den sentrale rollen optikk spiller som en av de [[Sansesystem|fem sanser]]. Fysiologisk optikk omfatter teoriene for syn, bildedannelse i øyet, etterbildedannelse, samt optiske illusjoner og andre effekter med det menneskelige syn. Den ligger i grenseområdet mellom fysikk, [[fysiologi]], og [[psykologi]]. Mange mennesker dra nytte av [[briller]] eller [[kontaktlinser]], og optikk er en integrert funksjon i mange forbruksvarer som for eksempel [[kamera]]er eller [[kikkert]]er. Regnbue og [[speil]]ing er eksempler på optiske fenomener i atmosfæren. [[Optisk kommunikasjon]] er selve ryggraden for både [[Internett]] og moderne [[telefoni]].

=== Det menneskelige øyet ===
[[Fil:Eye-diagram no circles border.svg|thumb|Tegning av et menneskelig øye. Funksjonene som er nevnt i denne artikkelen er 3 – [[ciliærmuskelen]], 6 – [[pupill]]en, 8 – [[hornhinne]]en,  10 – linsen, 22 – [[Nervus opticus|synsnerven]], 26 – [[Fovea centralis|fovea]], 30 – [[Netthinne]]]]

Det menneskelige øyet fungerer ved å fokusere lys på et lag med ''fotoreseptorceller'' kalt [[netthinne]]n (''Retina''). Fokusering oppnås ved hjelp av en rekke transparente deler. Lyset inn i øyet passerer først gjennom [[hornhinnen]] (''cornea''), som bevirker mye av øyets optiske effekt. Lyset fortsetter gjennom et [[fluid]] like bak hornhinnen [[fremre øyekammer]] (''Camera anterior bulbi oculi''), deretter passerer det gjennom [[pupill]]en (''Pupilla''). Lyset passerer så gjennom øyelinsen (''lens crystallin'') som fokuserer lyset videre og foretar justering av fokus. Lyset passerer videre gjennom hoveddelen av fluidet i øye, det såkalte [[glasslegeme]]t (''humor vitreus''), og treffer til slutt netthinnen. Cellene i netthinnen utgjør bakre overflate i øyet og er lysfølsom over det hele, bortsett fra der [[Nervus opticus|synsnerven]] (''Nervus opticus'') har sin utgang: Dette resulterer i en [[den blinde flekk|blind flekk]]. Aller mest lysfølsom er [[Macula lutea|den gule flekk]] (''Macula lutea'') der øyets [[Visus (synsskarphet)|synsskarphet]] ivaretas.

Det finnes to typer fotoreseptorceller som kalles ''tapper'' og ''staver''. Disse er følsomme for ulike aspekter av lyset.<ref name="eyeoptics">{{Cite book|author=D. Atchison and G. Smith|title=Optics of the Human Eye|url=https://archive.org/details/opticsofhumaneye0000atch|year=2000|isbn=0-7506-3775-7|publisher=Elsevier}}</ref> Stavene er følsomme for intensiteten av lys over et bredt frekvensområde, og dermed er ansvarlig for svart/hvitt-synet. Stavceller er ikke tilstede på ''[[Fovea centralis|fovea]]'', området av netthinnen som er ansvarlig for det sentrale synet, og er ikke så responsivt som tappcellene for romlige og tidsmessige endringer i synsinntrykket. Det er imidlertid tjue ganger flere stavceller enn tappceller i retina, men stavcellene på den andre siden er tilstede over et større område. På grunn av bredere utstrekning er stavene ansvarlig for sidesynet.<ref name="Kandel">{{Cite book|author=E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell|title=Principles of Neural Science|url=https://archive.org/details/isbn_9780838577011|edition= 4th|year=2000|publisher=McGraw-Hill|place=New York|isbn=0-8385-7701-6| pages=[https://archive.org/details/isbn_9780838577011/page/507 507]–513}}</ref>

I motsetning til stavene er tappcellene mindre følsom for den totale intensiteten av lyset, men finnes  i tre varianter som er følsomme for forskjellige frekvensområder, dermed anvendes disse for oppfatningen av [[farge]] og fotopisk syn (høylys-syn). Tappene er sterkt konsentrert i fovea og har en høy synsskarphet, noe som betyr at de er bedre til romlig oppløsning enn stavcellene. Siden tappene ikke er så følsom for svakt lys som stavcellene, er [[nattsyn]] for en stor del begrenset til stavcellene. Siden tappcellene er i fovea er det disse som tar seg av sentralsynet, altså det som brukes for å gjøre det mest av lesning, studere fine detaljer som ved sying, eller nøye undersøkelse av objekter.<ref name="Kandel" />

''Ciliærmuskelen'' rundt øyelinsen sørger for at øyets fokus justeres fortløpende, noe som kalles ''[[Akkommodasjon (øyet)|akkommodasjon]]''. ''Nærfokus'' og ''fjernfokus'' definerer den nærmeste og fjerneste avstand fra øye som et objekt kan bringes i skarpt fokus. For en person med normalt syn, er fjernfokus uendelig langt unna. Posisjonen for nærfokus avhenger av hvor mye musklene er i stand til å øke krumningen på linsen, og hvor lite fleksibel linsen har blitt med alderen. Øyeleger og optikere vil vanligvis vurdere en hensiktsmessig nærfokus å være nærmere enn normal leseavstand, omtrent 25&nbsp;cm<ref name="eyeoptics" />

Defekter på synet kan forklares ved hjelp av optiske prinsipper. Som menneskets alder øker blir linsen mindre fleksibel og området for nærfokus trekker seg fra øyet, en tilstand som kalles ''[[presbyopi]]''. Mennesker som lider av ''[[hypermetropi]]'' kan ikke redusere brennvidden til øyets linse nok til at nærliggende objekter blir avbildet på deres netthinnen. Omvendt, personer som ikke kan øke brennvidden på øyelinsene nok til at fjerntliggende objekter å avbildes på netthinnen, sies å lide av [[nærsynthet]] (''myopi''). I dette tilfellet har personen fjernfokus som er betydelig nærmere enn uendelig. En tilstand som kalles [[astigmatisme]] resulterer i at hornhinnen ikke er sfærisk, men mer buet i én retning. Dette fører til at objekter med horisontalt utstrekning blir fokusert på ulike deler av netthinnen enn vertikalt utstrakte objekter, noe som resulterer i forvrengt syn.<ref name="eyeoptics" />

Alle disse forholdene kan rettes opp ved hjelp av korrigerende linser. For presbyopi og hyperopia  vil en konvergerende linse gi den ekstra krumning som er nødvendig for å bringe nærfokus nærmere øyet. En [[divergerende linse]] brukes for nærsynthet og gir den kurvaturen som er nødvendig for å sende fjernfokus til uendelig avstand. Astigmatisme korrigeres med en sylindrisk linse som kurver sterkere i en retning enn i den andre for å kompensere for ulik form på hornhinnen.<ref name="lensdesign">{{Cite web|url=http://www.opticampus.com/cecourse.php?url=lens_design/&OPTICAMP=f1e4252df70c63961503c46d0c8d8b60|title=Ophthalmic Lens Design|author=D. Meister|publisher=OptiCampus.com|accessdate=12. november 2008}}</ref>

Den optiske effekten av korrigerende linser måles med enheten [[Dioptri|diopter]], en verdi lik den [[resiprok]]e av brennvidden målt i meter. En positiv brennvidde svarende til en konvergerende linse, og en negativ verdi for brennvidde svarende til en divergerende linse. For linser som korrigerer for astigmatisme i tillegg, må tre tall angis: Et tall for henholdsvis sfærisk og sylindrisk forsterkning, samt et for vinkelorientering av astigmatisme.<ref name="lensdesign" />

=== Visuelle effekter ===
{{Hoved|Optisk illusjon|Sentralperspektiv}}

[[File:Ponzo illusion.gif|thumb|Ponzo-Illusionen bygger på det faktum at parallelle linjer synes å konvergere når de nærmer seg uendelig.]]

Optiske illusjoner (også kalt optiske bedrag) er et fenomen der [[visuell persepsjon|visuelt persiperte]] bilder skiller seg fra hvordan de er i virkeligheten. Informasjonen som samles inn med øyet blir behandlet i hjernen der en feilaktig [[persepsjon]] oppstår, altså noe som avviker fra objektet som synet egentlig registrerer. Optiske illusjoner kan være et resultat av en rekke fenomener inkludert fysiske effekter som skaper bilder som er forskjellig fra de objektene som i utgangspunktet skaper bildene en person ser. De fysiologiske virkningene på øynene og hjernen av overdreven stimulering (for eksempel lysstyrke, skråstilling, farge, bevegelse), og kognitive illusjoner hvor øyet og hjernen skaper såkalt ''bevisstløs inferens''.<ref>{{Cite web|url=http://www.livescience.com/strangenews/080602-foresee-future.html|title=Key to All Optical Illusions Discovered|author=J. Bryner|publisher=LiveScience.com|date=2008-06-02}}</ref>

Kognitive illusjoner består blant annet av noen effekter som har å gjøre med ubevisste feilbruk av visse optiske prinsipper. For eksempel [[Ames-rom]], [[Herings illusion|Hering-]], [[Müller-Lyer-illusionen|Müller-Lyer-]], [[Orbisons illusion|Orbisons-]], [[Ponzos illusion|Ponzos-]], [[Sander illusion|Sanders-]] og [[Wundts illusjon]] er alle avhengige av oppfatningen av avstand ved hjelp av konvergerende og divergerende linjer. Dette på samme måte som parallelle lysstråler, eller hvilke som helst parallell linjer, ser ut til å samles i et [[forsvinningspunkt]] uendelig langt borte i et to-dimensjonalt [[Sentralperspektiv|bilde med perspektiv]].<ref>[http://www.math.utah.edu/~treiberg/Perspect/Perspect.htm#UsingVP Geometry of the Vanishing Point]</ref> Denne oppfatningen av avstand er også bakgrunnen for [[måneillusjonen]] hvor månen, til tross for at den i hovedsak har den samme størrelse, oppfattes som mye større i nærheten av [[horisont]]en enn det gjør i [[senit]] (rett opp).<ref>[http://facstaff.uww.edu/mccreadd/ "The Moon Illusion Explained"]  {{Wayback|url=http://facstaff.uww.edu/mccreadd/ |date=20151204212728 }}, Don McCready, University of Wisconsin-Whitewater</ref> Denne illusjonen forvirret [[Klaudios Ptolemaios]] (90-168) så mye at han feilaktig tilskrev den til å være forårsaket av atmosfærisk brytning, noe han beskrev i sin avhandling ''Optikk''.<ref name="Ptolemy" />

En annen type optisk illusjon utnytter «ødelagte mønstre» til å lure hjernen til å oppfatte symmetrier eller asymmetrier som ikke er til stede. Noen eksempler på slike er [[Café vegg illusjon|Café vegg-]], [[Ehrenstein illusjon|Ehrenstein-]], [[Fraser spiral illusjon|Fraser spiral-]], [[Poggendorffs illusion|Poggendorffs-]] og [[Zöllner illusjon]]er. Relaterte, men ikke strengt tatt illusjoner, er mønstre som oppstår på grunn av overlagring av periodiske strukturer. For eksempel [[Transparens|transparente]] vevede stoffer med rutenettstruktur som produserer figurer kjent som ''[[moarémønster]]''. Overlagring av periodiske gjennomsiktige mønstre oppfattes som parallelle ugjennomsiktig linjer eller kurver som produserer ''[[Line moiré]]-mønstre''.<ref>{{Cite book|title=Energy Minimization Methods in Computer Vision and Pattern Recognition|author=A. K. Jain, M. Figueiredo, J. Zerubia|publisher=Springer | year=2001|url =https://archive.org/details/springer_10.1007-3-540-44745-8|isbn=978-3-540-42523-6}}</ref>

=== Optiske instrumenter ===
[[File:Table of Opticks, Cyclopaedia, Volume 2.jpg|thumb|Illustrasjoner av forskjellige optiske instrumenter hentet fra ''[[Cyclopaedia]]'' utgitt i 1728.]]

En enkelt linse alene benyttes i en rekke forskjellige apparater som objektiver i kameraer, synskorrigerende linser og [[Lupe|forstørrelsesglass]], mens ett enkelt speil brukes i parabolske speil og vanlige speil. En kombinasjon av en rekke speil, prismer og linser gir sammensatte optiske instrumenter som har mange praktiske anvendelsesområder. For eksempel har et [[periskop]] (til bruk på undervannsbåter) bare to plane speil innrettet for å muliggjøre syn over hindringer. De mest kjente sammensatte optiske instrumenter er [[mikroskop]] og [[Optisk teleskop|teleskop]]. Disse ble begge oppfunnet i Nederland på sent 1500-tall.<ref name="instrument">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5|chapter =36}}</ref>

Mikroskopet ble først utviklet med bare to objektiver: objektivet og [[okular]]et. Objektivlinsen er i det vesentlige et forstørrelsesglass med meget liten brennvidde, mens okularet generelt har en lengre brennvidde. Effekten av dette blir et forstørret bilde av nære objekter. Vanligvis er en ekstern lyskilde nødvendig siden forstørrede bilder er svakere, dette kan forklares med [[energiprinsippet]] og spredning av lysstrålene over et større overflateareal. Moderne mikroskoper, også kjent som ''sammensatte mikroskop'' har mange objektiver (vanligvis fire) for å optimalisere funksjonalitet og forbedre bildestabiliteten.<ref name="instrument" /> En litt annen type mikroskop er ''sammenligningsmikroskopet'' som benyttes for å se på like objekter plassert side ved side for å skape en stereoskopisk forstørrelse. For det menneskelige syn vises dermed et tredimensjonal bilde.<ref>{{Cite web|url=http://www.microscopyu.com/articles/stereomicroscopy/stereointro.html|title=Introduction to Stereomicroscopy|author=P. E. Nothnagle, W. Chambers, M. W. Davidson|publisher=Nikon MicroscopyU}}</ref>

De første teleskoper ble kalt refraktorer, og ble også utviklet med et enkelt objektiv og okular. I motsetning til mikroskopet, ble objektivlinsen på teleskopet utformet med stor brennvidde for å unngå optiske aberrasjoner. Objektivet fokuserer et bilde av en fjern gjenstand på sitt fokuspunkt som er justert for å være midtpunktet i et okular med en mye mindre brennvidde. Hovedmålet med et teleskop er ikke nødvendigvis forstørrelse, men i stedet å samle mest mulig lys, noe som er  bestemt av den fysiske størrelsen av objektivlinsen. Dermed beskrives teleskoper vanligvis med diameteren av objektivet i stedet for sin forstørrelse. Forstørrelsen kan uansett endres ved å bytte okularer. På grunn av at forstørrelsen et teleskop gir er lik brennvidden til objektivet dividert med brennvidden til okularet, vil okularer med mindre brennlengde føre til større forstørrelse.<ref name="instrument" />

Siden produksjon av store linser er mye vanskeligere enn å lage store speil, er de fleste moderne teleskoper ''[[speilteleskop]]er'', det vil si at de bruker et primærspeil i stedet for et objektiv. De samme generelle optiske betraktninger gjelder for speilteleskoper som for refraktorer. Nemlig at jo  større hovedspeil, jo mer lys blir samlet, og forstørrelsen er fremdeles lik brennvidden av det primære speilet dividert med brennvidden til okularet. Generelt har ikke profesjonelle teleskoper okular, i stedet plasseres en sensor (ofte en CCD) i fokus slik at en kan se bildet på en skjerm.<ref name="instrument" />

=== Fotografering ===
[[Fil:Jonquil flowers at f32.jpg|thumb|Foto tatt med blender {{F/}} 32]]
[[File:Jonquil flowers at f5.jpg|thumb|Foto tatt med blender {{F/}} 5]]

[[Fotografi]] involverer optikk både når det gjelder objektivet og mediet der den elektromagnetiske lyset blir registrert, enten det er snakk om en [[fotografisk film]] eller [[CCD]]. Ved fotografering må en vurdere gjensidighet mellom kameraet og eksponering som er oppsummert av forholdet:<ref>{{Cite book|title=Investigations on the Theory of the Photographic Process|author=Samuel Edward Sheppard and Charles Edward Kenneth Mees|publisher=Longmans, Green and Co|year=1907|page = [https://archive.org/details/investigationson00shep/page/214 214]|url=https://archive.org/details/investigationson00shep}}</ref>

:[[Eksponering]] ∝ [[Irisblender|Aperturets areal]] &times; [[Lukker|eksponeringstid]] &times; motivets [[luminans]]

der ∝ bety [[proporsjonal]] med. Med andre ord betyr dette at jo mindre blenderåpning, som også gir større dybdefokus, se bildene til høyre, jo mindre lys kommer inn. Dette betyr at for eksponering av et bilde må tidslengden økes, noe som fører til fare for uklarhet hvis motivet er i bevegelse. Et eksempel på bruk av loven om gjensidighet er ''f16-regelen'' som gir et grovt overslag for innstillingene som kreves for å estimere riktig [[eksponering]] i dagslys.<ref>{{Cite book|title=Mastering Black-and-White Photography|author=B. J. Suess|publisher=Allworth Communications|year=2003|isbn=1-58115-306-6|url=https://archive.org/details/masteringblackwh0000sues}}</ref> Enkelt forklart går denne regelen ut på at eksponeringstiden stilles inn slik at den tilsvarer filmens ISO-tall, altså filmens lysfølsomhet. Er ISO-tallet 100 settes lukkertiden til 1/100 sekunder, ISO-tall 200 gir lukkertid 1/200 sekunder, og så videre. Neste trinn er å sette blenderåpningen i samsvar med lysforholdene: Sterkt solskin – 16, lett overskyet vær – 11, overskyet – 8, lite dagslys – 5,6 og ved solnedgang – 4. Regelen heter ''Sunny 16'' på engelsk for at en lett skal huske at solskinn gir blenderåpning 16.

Kameraets blenderåpning angis med det dimensjonsløse [[Brennvidde|blendertallet]] eller ''f-nr'', ''f/#'', ofte skrevet bare som et tall <math>N</math> gitt ved:

:<math>f/\# = N = \frac fD \ </math>

der <math> f </math> er [[brennvidde]] og <math>D</math> er diameteren til blenderåpningen. Etter konvensjonen blir "f /#" behandlet som et enkelt symbol og bestemte verdier av ''f/#'' blir skrevet ved å erstatte [[nummertegn]]et med verdien. Det er to måter å øke f-nr på; enten ved å redusere diameteren på blenderåpningen eller endre til en lengre brennvidde (med en zoomlinse kan dette enkelt gjøres ved å justere objektivet). Høyere f-nr gir også en større [[dybdeskarphet]] som kan forklares med at objektivet nærmer seg å være et hullkamera (et kammer med et meget lite hull istedenfor linse). Et hullkamera er i stand til å fokusere alle bilder perfekt, uavhengig av avstand, men krever svært lange eksponeringstider.<ref>{{Cite book|title=Basic Photography|url=https://archive.org/details/Langfords_Basic_Photography|author=M. J. Langford|isbn=0-240-51592-7|year=2000|publisher=Focal Press}}</ref>

Synsfeltet til linsen vil forandres avhengig av brennvidden til den. Det er tre klassifikasjoner som er basert på forholdet mellom den diagonale størrelse på filmen (ofte 35&nbsp;mm for amatørkameraer), eller sensorstørrelsen til kameraet, dividert på objektivets brennvidde:<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71">{{Cite book|first=Bruce|last=Warren |title=Photography |url=https://books.google.com/books?id=sbdGeFem1zwC&pg=PA71 |year=2001 |publisher=Cengage Learning |isbn=978-0-7668-1777-7 |page=71}}</ref>

* Normalobjektiv: synsvinkel på cirka 50° (kalt ''normal'' fordi denne vinkelen regnes omtrent å  tilsvare menneskelig syn<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71" />) og en brennvidde  omtrent lik diagonalen av filmen eller sensoren.<ref>{{Cite book|title=View Camera Technique|author=Leslie D. Stroebel|publisher=Focal Press|year=1999|isbn=0-240-80345-0|url=}}</ref> <!-- It's generally accepted that 50 mm is a bit longer than "normal" for 35mm film; I've based this on 75 mm with 6×4 cm. Maybe the angle of width, rather than diagonal, is better? -->
* Vidvinkelobjektiv: synsvinkel bredere enn 60° og brennvidde kortere enn en vanlig linse.<ref>{{Cite book|title=Using the View Camera|url=https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893|author=S. Simmons|publisher=Amphoto Books|year=1992|isbn=0-8174-6353-4|page=[https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893/page/35 35]}}</ref>
* Lang fokuslinse: synsvinkel smalere enn vanlig linse. Et hvert objektiv med en brennvidde lengre enn diagonalen av filmen eller sensoren.<ref>{{Cite book|author=Sidney F. Ray |title=Applied Photographic Optics: Lenses and Optical Systems for Photography, Film, Video, Electronic and Digital Imaging |url=https://archive.org/details/appliedphotograp0000rays|year=2002 |publisher=Focal Press |isbn=978-0-240-51540-3 |page=[https://archive.org/details/appliedphotograp0000rays/page/294 294]}}</ref> Den vanligste typen lang fokuslinse er [[telelinse]]en med konstruksjon basert på en spesiell ''tele gruppe'' slik at den blir fysisk kortere enn brennvidden.<ref>{{Cite book|url = |title=The New York Times Guide to Essential Knowledge|author=New York Times Staff|isbn=978-0-312-31367-8|year=2004|publisher=Macmillan}}</ref>
[[Fil:Firesunset2edit.jpg|thumb|En fargerik himmel har ofte sin årsak i spredning av lyset på grunn av partikler og forurensning. Bilde av en solnedgang under [[Skogbrannene i California i oktober 2007]].]]
[[Fil:Rainbow1.svg|thumb|Refleksjon og lysbrytning i en regndråpe resulterer i dannelse av [[regnbue]] når det er mange nok dråper i atmosfæren er solskinnsdag.]]
Moderne [[zoomobjektiv]]er kan ha noen eller alle av disse egenskapene.

Den absolutte verdien for eksponeringstiden som kreves avhenger av hvor stor følsomhet filmen eller sensoren som brukes har. Dette måles ved hjelp av [[filmhastighet]] eller for digitale kameraer med [[kvanteutbyttet]].<ref>{{Cite book|title=Principles of Radiographic Imaging: An Art and a Science|author=R. R. Carlton, A. McKenna Adler|publisher=Thomson Delmar Learning|year=2000|isbn=0-7668-1300-2|url =https://archive.org/details/principlesofradi00carl}}</ref> I  fotograferingens barndom ble det brukt film som hadde svært lav lysfølsomhet, dermed måtte eksponeringstidene være lange, selv for svært lyse bilder. Etterhvert som teknologien har blitt bedre har følsomheten til filmkameraer og digitale kameraer blitt betydelig større.<ref>{{Cite book|author=W. Crawford|title=The Keepers of Light: A History and Working Guide to Early Photographic Processes|url=https://archive.org/details/keepersoflighthi0000craw_t6q9|year=1979|publisher=Morgan & Morgan|location=Dobbs Ferry, New York|isbn=0-87100-158-6|page=[https://archive.org/details/keepersoflighthi0000craw_t6q9/page/20 20]}}</ref>

Andre resultater overført fra fysisk og geometrisk optikk har å gjøre med kameraoptikk. For eksempel er den maksimale oppløsningsevnen til et bestemt kameraoppsett bestemt av diffraksjonsgrensen som er assosiert med størrelse av blenderåpningen og grovt angitt med ''[[Optisk oppløsning|Rayleigh-kriteriet]]''.<ref>{{Cite book|author=J. M. Cowley|year=1975|title=Diffraction physics|location=Amsterdam|publisher=North-Holland|isbn=0-444-10791-6}}</ref>