Луч (оптика)

редактировать

В оптике луч - это идеализированная модель света, полученный путем выбора линии, перпендикулярной волновым фронтам фактического света и указывающей в направлении потока энергии. Лучи используются для моделирования распространения света через оптическую систему путем деления реального светового поля на отдельные лучи, которые могут быть распространены в системе с помощью вычислений с помощью методов трассировка лучей. Это позволяет проводить математический анализ или моделирование даже очень сложных оптических систем на компьютере. Трассировка лучей использует приближенные решения уравнений Максвелла, которые действительны до тех пор, пока световые волны распространяются через и вокруг объектов, размеры которых намного превышают длину волны света . Теория лучей (геометрическая оптика ) не описывает такие явления, как дифракция, которые требуют теории волн. Некоторые волновые явления, такие как интерференция, можно смоделировать в ограниченных обстоятельствах, добавив фазу к лучевой модели.

Содержание

1 Определение
2 Специальные лучи
- 2.1 Взаимодействие с поверхностями
- 2.2 Оптические системы
- 2.3 Волоконная оптика
3 См. Также
4 Ссылки

Определение

Луч света - это линия (прямая или изогнутая ), которая перпендикулярна к волновым фронтам света; его касательная находится коллинеарна с волновым вектором . Световые лучи в однородной среде прямые. Они изгибаются на границе раздела между двумя разнородными средами и могут изгибаться в среде, в которой показатель преломления изменяется. Геометрическая оптика описывает, как лучи распространяются через оптическую систему. Объекты, которые необходимо отобразить, рассматриваются как совокупность независимых точечных источников, каждый из которых создает сферические волновые фронты и соответствующие направленные наружу лучи. Лучи от каждой точки объекта можно математически распространять, чтобы найти соответствующую точку на изображении.

Чуть более строгое определение светового луча следует из принципа Ферма, который гласит, что путь, пройденный лучом света между двумя точками, - это путь, который можно пройти в наименьшей степени. время.

Специальные лучи

Есть много специальных лучей, которые используются в оптическом моделировании для анализа оптической системы. Они определены и описаны ниже, сгруппированы по типу системы, для моделирования которой они используются.

Взаимодействие с поверхностями

Диаграмма лучей на поверхности, где

θ i {\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {i}}}

\ theta _ {{\ mathrm i}}

- это угол падения,

θ r {\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {r}}}

\ theta _ {{\ mathrm r}}

- это угол отражения, а

θ R {\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {R}}}

\ theta _ {{\ mathrm R}}

- это угол преломления.

. Падающий луч - это луч света, падающий на поверхность. Угол между этим лучом и перпендикуляром или нормалью к поверхности составляет угол падения.
. Отраженный луч, соответствующий данному падающему лучу, - это луч, который представляет собой свет, отраженный поверхностью. Угол между нормалью к поверхности и отраженным лучом известен как угол отражения . Закон отражения гласит, что для зеркальной (не рассеивающей) поверхности угол отражения всегда равен углу падения.
преломленный луч или прошедший луч, соответствующий данному падающему лучу, представляет свет, который проходит через поверхность. Угол между этим лучом и нормалью известен как угол преломления, и он задается законом Снеллиуса. Сохранение энергии требует, чтобы мощность падающего луча равнялась сумме мощности преломленного луча, мощности отраженного луча и любой мощности, поглощаемой на поверхности.
Если материал двулучепреломляющий, преломленный луч может разделиться на обычные и необыкновенные лучи, которые испытывают разные показатели преломления при прохождении через двулучепреломляющий материал.

Оптические системы

Простая диаграмма лучей, показывающая типичные главные и краевые лучи

A меридиональный луч или тангенциальный луч - луч, который ограничен плоскостью, содержащей оптическая ось и точка объекта, из которой исходит луч.
A косой луч - луч, который не распространяется в плоскости, содержащей как точку объекта, так и оптическую ось. Такие лучи нигде не пересекают оптическую ось и не параллельны ей.
крайний луч (иногда известный как луч или краевой осевой луч) в оптической системе меридиональный луч, который начинается в точке, где объект пересекает оптическую ось, и касается края диафрагмы диафрагмы системы. Этот луч полезен, потому что он снова пересекает оптическую ось в местах, где будет формироваться изображение. Расстояние краевого луча от оптической оси в местах расположения входного зрачка и выходного зрачка определяет размеры каждого зрачка (поскольку зрачки представляют собой изображения диафрагмы).
главный луч или главный луч (иногда называемый b-лучом) в оптической системе - это меридиональный луч, который начинается в край объекта и проходит через центр диафрагмы. Этот луч пересекает оптическую ось в местах расположения зрачков. Как такие главные лучи эквивалентны лучам в камере-обскуре. Расстояние между главным лучом и оптической осью в месте расположения изображения определяет размер изображения. Маргинальный и главный лучи вместе определяют инвариант Лагранжа, который характеризует пропускную способность или выходную оптической системы. Некоторые авторы определяют «главный луч» для каждой точки объекта. Главный луч, начинающийся в точке на краю объекта, может тогда называться краевым главным лучом.
A сагиттальный луч или поперечный луч от точки вне оси объекта - это луч, который распространяется в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости и содержащей главный луч. Сагиттальные лучи пересекают зрачок по линии, которая перпендикулярна меридиональной плоскости точки объекта луча и проходит через оптическую ось. Если направление оси определено как ось z, а меридиональная плоскость - это плоскость y-z, сагиттальные лучи пересекают зрачок в точке y p = 0. Главный луч бывает как сагиттальным, так и меридиональным. Все другие сагиттальные лучи - это косые лучи.
A Параксиальный луч - луч, который составляет небольшой угол к оптической оси системы и лежит близко к этой оси по всей системе. Такие лучи можно достаточно хорошо смоделировать с помощью параксиального приближения . При обсуждении трассировки лучей это определение часто меняется на противоположное: «параксиальный луч» - это тогда луч, моделируемый с использованием параксиального приближения, не обязательно луч, который остается близко к оси.
A конечный луч или Настоящий луч - это луч, который отслеживается без параксиального приближения.
A парабазальный луч - это луч, который распространяется близко к определенному «базовому лучу», а не к оптической оси. Это более уместно, чем параксиальная модель в системах, в которых отсутствует симметрия относительно оптической оси. В компьютерном моделировании парабазальные лучи - это «настоящие лучи», то есть лучи, которые обрабатываются без параксиального приближения. Парабазальные лучи вокруг оптической оси иногда используются для расчета свойств первого порядка оптических систем.

Волоконная оптика

A меридиональный луч - это луч, который проходит через ось из оптическое волокно.
A косой луч - это луч, который движется по неплоской зигзагообразной траектории и никогда не пересекает ось в оптическом волокне.
A направленный луч, ограниченный луч или захваченный луч - это луч в многомодовом оптоволокне, который ограничен сердечником . Для волокна со ступенчатым показателем преломления свет, попадающий в волокно, будет направляться, если он составляет угол с осью волокна, меньший, чем угол приема волокна .
A излучающий луч или . туннельный луч - это луч в оптическом волокне, который, по прогнозам геометрической оптики, будет полностью отражать на границе между сердцевиной и оболочкой, но который страдает потери из-за изогнутой границы сердечника.

См. также

Ссылки