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
- 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
- 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
- Меридиональные лучи являются лучом , который проходит через ось из с оптическим волокна .
- Косых лучей является лучом , который не проходит в неплоском зигзагообразном пути и никогда не пересекает ось в качестве оптического волокна .
- Направляется луч , связанное луч , или захваченный луч луч в оптическом волокне многорежимный , которая ограничена в ядре . Для волокна со ступенчатым показателем преломления свет, попадающий в волокно, будет направляться, если его угол с осью волокна меньше угла приема волокна .
- Негерметичные лучи или туннельный лучей является лучом в оптическом волокне , что геометрическая оптика предсказывает будут полностью отражать на границе между сердцевиной и оболочкой , но страдает потерю из - за изогнутую границу ядра.
Смотрите также
- Коллимированный пучок
- Длина оптического пути
- Приосевое приближение
- Карандашный луч
- Анализ матрицы переноса лучей