Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Луч света» перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см Луч света (значения) .
"Lightray" перенаправляется сюда. Чтобы узнать о супергерое, см. Lightray (DC Comics) .
«Падающий свет» перенаправляется сюда. О фильме 2015 года см. « Падающий свет» (фильм) .

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 . [1] [2] 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 Максвеллакоторые 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 [ править ]

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 оптикаописывает, как лучи распространяются через оптическую систему. Объекты, которые нужно 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. [3]

Специальные лучи [ править ]

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 [ править ]

Диаграмма лучей на поверхности, где - угол падения , - угол отражения , а - угол преломления .
  • Падающий луч луч света , который падает на поверхность . Угол между этим лучом и перпендикуляром или нормалью к поверхности и есть угол падения .
  • Отраженный луч , соответствующий данный падающий луч, это луч , который представляет собой свет , отраженный от поверхности. 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 передается луч , соответствующий данному падающего луча представляет собой свет , который передается через поверхность. Угол между этим лучом и нормалью известен как угол преломления и определяется законом Снеллиуса . Для сохранения энергии требуется, 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.
См. Также: отражение (физика) , преломление , поглощение (оптика) , двулучепреломление , зеркальное отражение и плоскость падения.

Оптические системы [ править ]

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. [4]
  • 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. [4]
  • 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. [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 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. [5] [7] 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. [8] Некоторые авторы определяют «главный луч» для каждоготочка объекта. Тогда главный луч, начинающийся в точке на краю объекта, можно назвать маргинальным главным лучом . [6]
  • Сагиттальные лучи или поперечный луч от точки объекта внеосевого луча , который распространяется в плоскости, перпендикулярные к меридиональной плоскости и содержит главный луч. [4] Сагиттальные лучи пересекают зрачок по линии, перпендикулярной 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. [4] 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. [9] 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. [10] [11]
  • Конечный луч или реальный луч луч , который прослеживается без параксиального приближения. [11] [12]
  • Парабазальный лучей является лучом , который распространяется близко к какому - то определенному «базовому» лучу , а не на оптическую ось. [13] Это более подходит, 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 [ править ]

  • 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: Числовая апертура

См. Также [ править ]

  • Коллимированный пучок
  • Приосевое приближение
  • Карандашный луч
  • Анализ матрицы переноса лучей

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Мур, Кен (25 июля 2005 г.). "Что такое луч?" . База знаний пользователей ZEMAX . Проверено 30 мая 2008 года .
  2. ^ Greivenkamp, Джон Е. (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. ^ a b c d Стюарт, Джеймс Э. (1996). Оптические принципы и технологии для инженеров . CRC. п. 57. ISBN 978-0-8247-9705-8.
  5. ^ a b Грейвенкамп, Джон Э. (2004). Полевое руководство по геометрической оптике . SPIE Field Guides vol. FG01 . ШПИОН. ISBN 0-8194-5294-7., п. 25 [1] .
  6. ^ a b 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. ^ Malacara, Даниил и Zacarias (2003). Справочник по оптическому дизайну (2-е изд.). CRC. п. 25. ISBN 978-0-8247-4613-1.
  8. ^ Грейвенкамп (2004), стр. 28 [2] .
  9. ^ Greivenkamp (2004), стр. 19-20 [3] .
  10. ↑ Николсон, Марк (21 июля 2005 г.). «Понимание параксиальной трассировки лучей» . База знаний пользователей ZEMAX . Проверено 17 августа 2009 года .
  11. ^ a b 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, WT (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. ^ Buchdahl, HA (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 . Проверено 17 августа 2009 года .