Луч (оптика) - Ray (optics)

В оптике луч является идеализированной моделью света , полученный путем выбора линии, которая перпендикулярна к волновым фронтам фактического света, и что точки в направлении потока энергии . Лучи используются для моделирования распространения света через оптическую систему путем разделения реального светового поля на дискретные лучи, которые могут быть распространены в системе с помощью вычислений с помощью методов трассировки 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.

Определение

Световой луч - это линия ( прямая или изогнутая ), которая перпендикулярна волновым фронтам света ; его касательное является коллинеарны с волновым вектором . Световые лучи в однородных средах прямые. Они изгибаются на границе раздела двух разнородных сред и могут искривляться в среде, в которой изменяется показатель преломления . 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.

Несколько более строгое определение светового луча следует из принципа Ферма , который гласит, что путь, пройденный лучом света между двумя точками, - это путь, который можно пройти за наименьшее время.

Особые 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 - угол падения , - угол отражения , а - угол преломления .
  • An Падающий луч - это луч света, падающий наповерхность. Угол между этим лучом и перпендикуляром илинормальюк поверхности и естьугол падения.
  • В Отраженный луч, соответствующий данному падающему лучу, представляет собой луч, который представляет свет, отраженный поверхностью. Угол между нормалью к поверхности и отраженным лучом известен какугол отражения. Закон отражения гласит, что длязеркальной(не рассеивающей) поверхности угол отражения всегда равен углу падения.
  • В преломленный луч илипрошедший луч,соответствующий данному падающему лучу, представляет свет, который проходит через поверхность. Угол между этим лучом и нормалью известен какугол преломленияи определяется закономСнеллиуса. Для сохранения энергиитребуется, чтобы мощность падающего луча равнялась сумме мощности преломленного луча, мощности отраженного луча и любой мощности, поглощаемой на поверхности.
  • Если материал является двулучепреломляющим , преломленный луч может разделиться на обычные и необычные лучи , которые испытывают разные показатели преломления при прохождении через материал с двойным лучепреломлением.

Оптические системы

Простая диаграмма лучей, показывающая типичные главные и краевые лучи
  • Меридиональных лучей или тангенциальной луч луч , который ограничен в плоскости , содержащей системы оптической оси и точку объекта , из которого луч инициировано.
  • Косых лучей является лучом , который не распространяется в плоскости , которая содержит как точку объекта и оптическую ось. Такие лучи нигде не пересекают оптическую ось и не параллельны ей.
  • Маргинальные лучи (иногда известные как луч или маргинальный осевой луч ) в оптической системе является меридиональным лучом , который начинается в точке , где объект пересекает оптическую ось, и затрагивает края диафрагмы остановки системы. Этот луч полезен, потому что он снова пересекает оптическую ось в тех местах, где будет формироваться изображение. Расстояние краевого луча от оптической оси в местах расположения входного и выходного зрачков определяет размеры каждого зрачка (поскольку зрачки являются изображениями диафрагмы).
  • Главный луч или главный луч (иногда известный как b-луч ) в оптической системе - это меридиональный луч, который начинается на краю объекта и проходит через центр диафрагмы. Этот луч пересекает оптическую ось в местах расположения зрачков. Таким образом, главные лучи эквивалентны лучам в камере-обскуре. Расстояние между главным лучом и оптической осью в местоположении изображения определяет размер изображения. Маргинальный и главный лучи вместе определяют инвариант Лагранжа , который характеризует пропускную способность или время действия оптической системы. Некоторые авторы определяют «главный луч» для каждой точки объекта. Тогда главный луч, начинающийся в точке на краю объекта, можно назвать маргинальным главным лучом .
  • Сагиттальные лучи или поперечный луч от точки объекта внеосевого луча , который распространяется в плоскости, перпендикулярные к меридиональной плоскости и содержит главный луч. Сагиттальные лучи пересекают зрачок по линии, перпендикулярной меридиональной плоскости точки объекта луча и проходящей 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 остальные сагиттальные лучи - это косые лучи.
  • Параксиальное лучей является лучом , который делает небольшой угол к оптической оси системы, и лежит близко к 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 луч, моделируемый с использованием параксиального приближения, не обязательно луч, который остается близко к оси.
  • Конечный луч или реальный луч луч , который прослеживается без параксиального приближения.
  • Парабазальный лучей является лучом , который распространяется близко к какому - то определенному «базовому» лучу , а не на оптическую ось. 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

Смотрите также

использованная литература