Луч (оптика) - Ray (optics)

«Луч света» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Луч света (значения).
"Lightray" перенаправляется сюда. Для супергероя см. Лайтрей (DC Comics).
«Падающий свет» перенаправляется сюда. О фильме 2015 года см. Падающий свет (фильм).

В оптика а луч идеализированная модель свет, полученного выбором линии, перпендикулярной волновые фронты фактического света, и это указывает в направлении поток энергии.[1][2] Лучи используются для моделирования распространение света через оптическую систему, разделив реальную световое поле до дискретных лучей, которые могут быть распространены через систему с помощью вычислений трассировка лучей. Это позволяет проводить математический анализ или моделирование даже очень сложных оптических систем на компьютере. Трассировка лучей использует приблизительные решения для Уравнения Максвелла которые действительны до тех пор, пока световые волны распространяются через и вокруг объектов, размеры которых намного больше, чем свет длина волны. Теория лучей (геометрическая оптика ) не описывает такие явления, как дифракция, которые требуют теория волн. Некоторые волновые явления, такие как вмешательство можно смоделировать в ограниченных обстоятельствах, добавив фаза к лучевой модели.

Определение

Луч света - это линия (прямой или же изогнутый ) то есть перпендикуляр к свету волновые фронты; это касательная является коллинеарен с волновой вектор. Лучи света в однородная среда прямые. Они гнутся на интерфейс между двумя непохожими средства массовой информации и может быть изогнутым в среде, в которой показатель преломления изменения. 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 Принцип Ферма, в котором говорится, что путь, пройденный лучом света между двумя точками, - это путь, который можно пройти за наименьшее время.[3]

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

Схема лучей на поверхности, где это угол падения, это угол отражения, и это угол преломления.
  • An падающий луч луч света, падающий на поверхность. Угол между этим лучом и перпендикуляром или нормальный на поверхность угол падения.
  • В отраженный луч соответствующий данному падающему лучу, это луч, который представляет свет, отраженный поверхностью. Угол между нормалью к поверхности и отраженным лучом известен как угол угол отражения. Закон Отражения гласит, что для зеркальный (не рассеивающая) поверхность, угол отражения всегда равен углу падения.
  • В преломленный луч или же проходящий луч соответствующий данному падающему лучу представляет свет, который проходит через поверхность. Угол между этим лучом и нормалью известен как угол преломления, и это дается Закон 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 обычный и необыкновенные лучи, которые испытывают разные показатели преломления при прохождении через двулучепреломляющий материал.
Смотрите также: Отражение (физика), Преломление, Поглощение (оптика), Двулучепреломление, Зеркальное отражение, и Самолет падения

Оптические системы

Простая диаграмма лучей, показывающая типичные главные и крайние лучи
  • А меридиональный луч или же касательный луч луч, ограниченный плоскостью, содержащей оптическая ось и точка объекта, из которой исходит луч.[4]
  • А 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.[4]
  • В крайний луч (иногда известный как луч или краевой осевой луч) в оптической системе - это меридиональный луч, который начинается в точке, где объект пересекает оптическую ось, и касается края диафрагма системы.[5][6] 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 вступительный ученик и выпускной ученик определяет размеры каждого ученика (так как ученики изображений диафрагмы).
  • В главный луч или же главный луч (иногда известный как б луч) в оптической системе - это меридиональный луч, который начинается на краю объекта и проходит через центр диафрагмы.[5][7] 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. Краевой и главный лучи вместе определяют Инвариант Лагранжа, что характеризует пропускную способность или продолжать оптической системы.[8] Некоторые авторы определяют «главный луч» для каждый точка объекта. Тогда главный луч, начинающийся в точке на краю объекта, можно назвать маргинальный главный луч.[6]
  • А сагиттальный луч или же поперечный луч от точки внеосевого объекта - луч, который распространяется в плоскости, перпендикулярной меридиональной плоскости и содержащей главный луч.[4] Сагиттальные лучи пересекают зрачок по линии, перпендикулярной меридиональной плоскости для точки объекта луча, и проходит через оптическую ось. Если направление оси определено как z ось, а меридиональная плоскость - это у-z плоскости, сагиттальные лучи пересекают зрачок в уп= 0. Главный луч бывает как сагиттальным, так и меридиональным.[4] Все остальные сагиттальные лучи - это косые лучи.
  • А параксиальный луч представляет собой луч, который составляет небольшой угол к оптической оси системы и проходит близко к этой оси во всей системе.[9] Такие лучи можно достаточно хорошо смоделировать, используя параксиальное приближение. При обсуждении трассировки лучей это определение часто меняется на противоположное: «параксиальный луч» - это луч, который моделируется с использованием параксиального приближения, не обязательно луч, который остается близко к оси.[10][11]
  • А конечный луч или же настоящий луч - луч, трассируемый без параксиального приближения.[11][12]
  • А парабазальный луч луч, который распространяется близко к некоторому определенному «базовому лучу», а не к оптической оси.[13] 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.[14]

Волоконная оптика

Смотрите также: Числовая апертура

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мур, Кен (25 июля 2005 г.). "Что такое луч?". База знаний пользователей ZEMAX. Получено 30 мая 2008.
  2. ^ Грейвенкамп, Джон Э. (2004). Полевое руководство по геометрической оптике. Полевые гиды SPIE. п. 2. ISBN  0819452947.
  3. ^ Артур Шустер, Введение в теорию оптики, Лондон: Эдвард Арнольд, 1904 г. онлайн.
  4. ^ а б c d Стюарт, Джеймс Э. (1996). Оптические принципы и технологии для инженеров. CRC. п. 57. ISBN  978-0-8247-9705-8.
  5. ^ а б Грейвенкамп, Джон Э. (2004). Полевое руководство по геометрической оптике. SPIE Field Guides vol. FG01. ШПИОН. ISBN  0-8194-5294-7., п. 25 [1].
  6. ^ а б Ридл, Макс Дж. (2001). Основы оптического дизайна для инфракрасных систем. Учебные тексты по оптической инженерии. 48. ШПИОН. п. 1. ISBN  978-0-8194-4051-8.
  7. ^ Малакара, Даниэль и Закариас (2003). Справочник по оптическому дизайну (2-е изд.). CRC. п. 25. ISBN  978-0-8247-4613-1.
  8. ^ Грейвенкамп (2004), стр. 28 [2].
  9. ^ Грейвенкамп (2004), стр. 19–20. [3].
  10. ^ Николсон, Марк (21 июля 2005 г.). «Понимание параксиальной трассировки лучей». База знаний пользователей ZEMAX. Получено 17 августа 2009.
  11. ^ а б Атчисон, Дэвид А .; Смит, Джордж (2000). «A1: Параксиальная оптика». Оптика человеческого глаза. Elsevier Health Sciences. п. 237. ISBN  978-0-7506-3775-6.
  12. ^ Велфорд, У. Т. (1986). «4: Конечная трассировка лучей». Аберрации оптических систем. Серия Адама Хильгера по оптике и оптоэлектронике. CRC Press. п. 50. ISBN  978-0-85274-564-9.
  13. ^ Бухдаль, Х.А. (1993). Введение в гамильтонову оптику. Дувр. п. 26. ISBN  978-0-486-67597-8.
  14. ^ Николсон, Марк (21 июля 2005 г.). «Понимание параксиальной трассировки лучей». База знаний пользователей ZEMAX. п. 2. Получено 17 августа 2009.