레이(광학)

Ray (optics)
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광선과 파면

광학에서 광선은 실제 빛의 파장에 수직인 곡선을 선택하고 에너지 [1][2]흐름 방향을 가리킴으로써 얻어지는 이상적인 빛의 기하학적 모델입니다.광선은 광학계를 통한 빛의 전파를 모델링하기 위해 사용됩니다.실제 광장은 광선 추적 기술에 의해 시스템을 통해 계산적으로 전파될 수 있는 이산 광선으로 나뉩니다.이를 통해 매우 복잡한 광학 시스템도 수학적으로 분석하거나 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있습니다.광선 추적은 광파가 빛의 파장보다 훨씬 큰 차원을 가진 물체를 통해 전파되는 한 유효한 맥스웰 방정식에 대한 근사해를 사용합니다.광선이나 기하학적 광학은 파동 광학 이론을 필요로 하는 회절과 같은 현상을 설명하지 않는다.간섭과 같은 일부 파동 현상은 광선 모델에 위상을 추가하여 제한된 상황에서 모델링할 수 있습니다.

정의.

광선은 빛의 파동에 수직인 선(직선 또는 곡선)으로, 접선은 파동 벡터와 일직선입니다.균질 매체의 광선은 직선입니다.서로 다른 두 매체 사이의 경계면에서 구부러지며 굴절률이 변화하는 매체에서 구부러질 수 있습니다.기하학적 광학은 광선이 광학계를 통해 어떻게 전파되는지를 나타냅니다.촬상 대상이 되는 물체는 각각 구면 파장 및 대응하는 외측 광선을 생성하는 독립점 소스의 집합으로 취급된다.각 물체점으로부터의 광선을 수학적으로 전파하여 영상상의 해당 지점을 찾을 수 있습니다.

광선에 대한 조금 더 엄격한 정의는 광선에 의해 두 지점 사이에 있는 경로가 가장 짧은 [3]시간에 횡단할 수 있는 경로라는 페르마의 원리에서 따랐습니다.

특수 광선

광학 모델링에는 광학계를 분석하기 위해 사용되는 많은 특수 광선이 있습니다.모델화에 사용되는 시스템 유형별로 그룹화되어 아래에 정의 및 설명되어 있습니다.

지표면과의 상호작용

표면에서의 광선 도표로서 i{\ _는 입사각, r {\ _ 은 반사각, R {\ _ {R는 굴절각이다.
  • 입사 광선은 표면에 닿는 광선이다.이 광선과 표면에 수직 또는 법선 사이의 각도가 입사각입니다.
  • 주어진 입사 광선에 대응하는 반사 광선은 표면에 반사된 빛을 나타내는 광선입니다.표면 법선과 반사선 사이의 각도를 반사각이라고 합니다.반사의 법칙에 따르면 특정(비산란) 표면의 경우 반사각은 항상 입사각과 동일하다고 합니다.
  • 주어진 입사선에 해당하는 굴절선 또는 투과선은 표면을 통해 투과되는 빛을 나타냅니다.이 광선과 법선 사이의 각도는 굴절각으로 알려져 있으며, 스넬의 법칙에 의해 주어집니다.에너지를 보존하려면 입사 광선의 전력은 굴절 광선의 전력, 반사 광선의 전력 및 표면에서 흡수되는 전력의 합과 같아야 합니다.
  • 이 물질이 복굴절일 경우 굴절된 광선은 일반 광선과 이상 광선으로 분할될 수 있으며, 복굴절 물질을 통과할 때 굴절률이 다르다.
참고 항목: 반사(물리학), 굴절, 흡수(광학), 복굴절, 경사 반사 및 입사 평면

광학계

일반적인 주요 광선과 한계 광선을 보여주는 간단한 광선 다이어그램
  • 자오선 또는 접선선은 시스템의 광축과 광선이 [4]발생한 물체 지점을 포함하는 평면에 국한된 광선입니다.
  • 스큐 레이는 물체점과 광축을 모두 포함하는 평면에서 전파되지 않는 광선입니다.이러한 광선은 광축을 교차하지 않으며 [4]광축과 평행하지 않습니다.
  • 광학계의 한계선(레이 또는 한계 축선이라고도 함)은 물체가 광축을 가로지르는 지점에서 시작하여 시스템의 [5][6]개구부 정지 가장자리에 닿는 자오선입니다.이 광선은 이미지가 형성되는 위치에서 다시 광축을 통과하기 때문에 유용합니다.입구 동공과 출구 동공 위치에 있는 광축으로부터의 주변 광선의 거리에 따라 각 동공의 크기가 정의됩니다(동공은 조리개 정지 이미지이기 때문입니다).
  • 광학계의 주광선 또는 주광선(b광선이라고도 함)은 물체의 가장자리에서 시작하여 조리개 [5][7]스톱의 중심을 통과하는 자오선입니다.이 광선은 동공 위치에서 광축을 통과합니다.이러한 주요 광선은 핀홀 카메라의 광선과 동등합니다.이미지 위치에서 주 광선과 광축 사이의 거리는 이미지의 크기를 정의합니다.한계선과 주선은 함께 라그랑주 불변량을 정의하며,[8] 이는 광학계의 throughput 또는 etendue를 특징짓습니다.일부 저자는 각 객체 점에 대해 "주요 광선"을 정의합니다.그러면 물체의 가장자리에서 시작되는 주선을 한계 [6]주선으로 부를 수 있습니다.
  • 축 외 물체점으로부터의 시상선 또는 횡선은 자오선에 수직인 평면에서 전파되는 선으로 [4]주선을 포함합니다.시상 광선은 광선의 물체 점에 대한 자오선에 수직인 선을 따라 동공과 교차하고 광축을 통과합니다.축 방향이 z축이고 자오선이 y-z 평면인 경우 시상선은 y=0에서p 동공과 교차합니다.주요 광선은 시상과 자오선 [4]둘 다이다.다른 모든 시상 광선은 비뚤어진 광선이다.
  • 근축선은 시스템의 광축에 대해 작은 각도를 이루는 광선으로,[9] 시스템 전체에 걸쳐 축에 가깝게 놓여 있습니다.이러한 광선은 근축 근사를 이용하여 합리적으로 모델링할 수 있다.광선 추적을 논할 때 이 정의는 종종 뒤집힙니다. "근축 광선"은 근축 근사를 사용하여 모델링된 광선으로,[10][11] 반드시 축에 가까운 광선이 아닙니다.
  • 유한선 또는 실선은 근축 [11][12]근사 없이 추적되는 광선이다.
  • 근저선은 광축이 [13]아닌 정의된 "베이스선"에 가깝게 전파되는 광선입니다.이는 광축에 대한 대칭이 결여된 시스템에서는 근축 모델보다 더 적합합니다.컴퓨터 모델링에서 근저선은 "실제 광선"으로 근축 근사 없이 처리되는 광선입니다.광축 주위의 근저광선은 [14]광학계의 1차 특성을 계산하기 위해 사용되기도 한다.

광섬유

  • 자오선은 광섬유의 축을 통과하는 광선입니다.
  • 스큐 레이는 평면이 아닌 지그재그 경로를 통과하는 광선으로 광섬유의 축과 교차하지 않습니다.
  • 유도선, 결합선 또는 트랩선은 코어에 의해 구속되는 멀티 모드 광섬유 내의 광선입니다.스텝 인덱스 파이버의 경우 파이버에 입사하는 빛은 파이버의 수용각보다 작은 파이버 축과의 각도를 형성하면 유도됩니다.
  • 누출선 또는 터널링선은 광섬유의 광선으로 기하학적 광학이 코어 및 클래드의 경계에서 완전히 반사될 것으로 예측하지만 곡선 코어 경계로 인해 손실을 입습니다.
다음 항목도 참조하십시오.숫자 개구부

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Moore, Ken (25 July 2005). "What is a ray?". ZEMAX Users' Knowledge Base. Retrieved 30 May 2008.
  2. ^ Greivenkamp, John E. (2004). Field Guide to Geometric Optics. SPIE Field Guides. p. 2. ISBN 0819452947.
  3. ^ Arthur Schuster, 광학 이론 입문, 런던:에드워드 아놀드, 1904년 온라인.
  4. ^ a b c d Stewart, James E. (1996). Optical Principles and Technology for Engineers. CRC. p. 57. ISBN 978-0-8247-9705-8.
  5. ^ a b Greivenkamp, John E. (2004). Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Field Guides vol. FG01. SPIE. ISBN 0-8194-5294-7., 페이지 25 [1]
  6. ^ a b Riedl, Max J. (2001). Optical Design Fundamentals for Infrared Systems. Tutorial texts in optical engineering. Vol. 48. SPIE. p. 1. ISBN 978-0-8194-4051-8.
  7. ^ Malacara, Daniel and Zacarias (2003). Handbook of Optical Design (2nd ed.). CRC. p. 25. ISBN 978-0-8247-4613-1.
  8. ^ Greivenkamp (2004), 페이지 28 [2].
  9. ^ Greivenkamp (2004), 19-20페이지 [3].
  10. ^ Nicholson, Mark (21 July 2005). "Understanding Paraxial Ray-Tracing". ZEMAX Users' Knowledge Base. Retrieved 17 August 2009.
  11. ^ a b Atchison, David A.; Smith, George (2000). "A1: Paraxial optics". Optics of the Human Eye. Elsevier Health Sciences. p. 237. ISBN 978-0-7506-3775-6.
  12. ^ Welford, W. T. (1986). "4: Finite Raytracing". Aberrations of Optical Systems. Adam Hilger series on optics and optoelectronics. CRC Press. p. 50. ISBN 978-0-85274-564-9.
  13. ^ Buchdahl, H. A. (1993). An Introduction to Hamiltonian Optics. Dover. p. 26. ISBN 978-0-486-67597-8.
  14. ^ Nicholson, Mark (21 July 2005). "Understanding Paraxial Ray-Tracing". ZEMAX Users' Knowledge Base. p. 2. Retrieved 17 August 2009.