شعاع (بصريات)

📅 آخر تحديث: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة
الأشعة والجبهات الموجية

في علم البصريات ، يُعدّ الشعاع نموذجًا هندسيًا مثاليًا للضوء أو الإشعاع الكهرومغناطيسي ، يُستخلص باختيار منحنى عمودي على جبهات موجات الضوء الحقيقي، ويشير إلى اتجاه تدفق الطاقة . [ 1 ] [ 2 ] تُستخدم الأشعة لنمذجة انتشار الضوء عبر نظام بصري، وذلك بتقسيم مجال الضوء الحقيقي إلى أشعة منفصلة يمكن حسابيًا نشرها عبر النظام باستخدام تقنيات تتبع الأشعة . يتيح ذلك تحليل الأنظمة البصرية المعقدة رياضيًا أو محاكاتها حاسوبيًا. يستخدم تتبع الأشعة حلولًا تقريبية لمعادلات ماكسويل، وهي حلول صالحة طالما أن موجات الضوء تنتشر عبر وحول أجسام أبعادها أكبر بكثير من طول موجة الضوء . لا يصف علم البصريات الشعاعية أو البصريات الهندسية ظواهر مثل الحيود ، التي تتطلب نظرية البصريات الموجية . يمكن نمذجة بعض الظواهر الموجية، مثل التداخل، في ظروف محدودة بإضافة طور إلى نموذج الشعاع.

تعريف

شعاع الضوء هو خط ( مستقيم أو منحني ) عمودي على جبهات الموجة الضوئية ؛ ويكون مماسه متوازياً مع متجه الموجة . تكون أشعة الضوء مستقيمة في الأوساط المتجانسة ، وتنحني عند السطح الفاصل بين وسطين مختلفين ، وقد تنحني في وسط يتغير فيه معامل الانكسار . يصف علم البصريات الهندسية كيفية انتشار الأشعة عبر النظام البصري. تُعامل الأجسام المراد تصويرها كمجموعات من مصادر نقطية مستقلة، ينتج كل منها جبهات موجة كروية وأشعة خارجية مقابلة. يمكن حساب انتشار الأشعة من كل نقطة في الجسم رياضياً لتحديد موقع النقطة المقابلة لها في الصورة.

ويتبع تعريف أكثر دقة لشعاع الضوء مبدأ فيرما ، الذي ينص على أن المسار الذي يسلكه شعاع الضوء بين نقطتين هو المسار الذي يمكن اجتيازه في أقل وقت ممكن. [ 3 ]

أشعة خاصة

توجد العديد من الأشعة الخاصة المستخدمة في النمذجة البصرية لتحليل النظام البصري. سيتم تعريف هذه الأشعة ووصفها أدناه، مع تصنيفها حسب نوع النظام الذي تُستخدم لنمذجته.

التفاعل مع الأسطح

رسم تخطيطي للأشعة على سطح ما، حيثθأنا{\displaystyle \theta _{\mathrm {i} }}هي زاوية السقوط ،θر{\displaystyle \theta _{\mathrm {r} }}هي زاوية الانعكاس ، وθR{\displaystyle \theta _{\mathrm {R} }}هي زاوية الانكسار
  • أنالشعاع الساقط هو شعاع ضوئي يصطدمبسطح ما.الزاوية بين هذا الشعاع والعموديعلى السطح هيزاوية السقوط.
  • الالشعاع المنعكس، المقابل لشعاع ساقط معين، هو الشعاع الذي يمثل الضوء المنعكس عن السطح. تُعرف الزاوية بين العمود المقام على السطح والشعاع المنعكس بزاويةالانعكاس. ينص قانون الانعكاس على أنه بالنسبةأملس(غير مشتت للضوء)، تكون زاوية الانعكاس مساوية دائمًا لزاوية السقوط.
  • اليمثل الشعاع المنكسر أوالشعاع النافذ، الناتج عن شعاع ساقط معين، الضوء الذي ينفذ عبر السطح. تُعرف الزاوية بين هذا الشعاع والعمود المقام على السطح بزاويةالانكسار، وتُحسب وفقًالقانون سنيل.حفظ الطاقةعلى أن قدرة الشعاع الساقط يجب أن تساوي مجموع قدرة الشعاع المنكسر، وقدرة الشعاع المنعكس، وأي قدرة ممتصة على السطح.
  • إذا كانت المادة ذات انكسار مزدوج ، فقد ينقسم الشعاع المنكسر إلى أشعة عادية وغير عادية، والتي تخضع لمعاملات انكسار مختلفة عند مرورها عبر المادة ذات الانكسار المزدوج.

الأنظمة البصرية

التصوير بعدسة واحدة مع فتحة التوقف. بؤبؤ الدخول هو صورة لفتحة التوقف التي تشكلها البصريات الموجودة أمامها، ويتم تحديد موقع وحجم البؤبؤ بواسطة الأشعة الرئيسية والأشعة الهامشية، على التوالي.
  • الشعاع الزوالي أو الشعاع المماسي هو شعاع محصور في المستوى الذي يحتوي على المحور البصري للنظام ونقطة الجسم التي انطلق منها الشعاع. [ 4 ] يُسمى هذا المستوى بالمستوى الزوالي أو المستوى المماسي.
  • الشعاع المائل هو شعاع لا ينتشر في مستوى يحتوي على كل من نقطة الجسم والمحور البصري (المستوى الزوالي أو المماسي). لا تتقاطع هذه الأشعة مع المحور البصري في أي مكان، وليست موازية له. [ 4 ]
  • بؤبؤ الخروج هو صورة فتحة التوقف التي تشكلها البصريات الموجودة خلفه، ويتم تحديد موقع وحجم البؤبؤ بواسطة الأشعة الرئيسية والأشعة الهامشية.
    الشعاع الهامشي (المعروف أحيانًا بالشعاع المحوري أو الشعاع المحوري الهامشي ) في النظام البصري هو الشعاع الزوالي الذي ينطلق من نقطة على المحور (النقطة التي يتقاطع عندها الجسم المراد تصويره مع المحور البصري) ويلامس حافة فتحة النظام . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] يُعد هذا الشعاع مفيدًا لأنه يتقاطع مع المحور البصري مرة أخرى عند موضع تكوّن الصورة الحقيقية ، أو لأن امتداد مسار الشعاع للخلف يتقاطع مع المحور عند موضع تكوّن الصورة الوهمية . وبما أن بؤبؤ الدخول وبؤبؤ الخروج هما صورتان لفتحة النظام، ففي حالة بؤبؤ الصورة الحقيقية، تحدد المسافة الجانبية للشعاع الهامشي من المحور البصري عند موضع البؤبؤ حجمه. أما في حالة بؤبؤ الصورة الوهمية، فيحدد امتداد خط، للأمام على طول الشعاع الهامشي قبل العنصر البصري الأول أو للخلف على طول الشعاع الهامشي بعد العنصر البصري الأخير، حجم بؤبؤ الدخول أو بؤبؤ الخروج، على التوالي.
  • الشعاع الرئيسي ( أو الشعاع الأساسي ، ويُعرف أحيانًا بالشعاع b ) في النظام البصري هو الشعاع الزوالي الذي يبدأ من حافة الجسم ويمر عبر مركز فتحة العدسة. [ 5 ] [ 8 ] [ 7 ] تُحدد المسافة بين الشعاع الرئيسي (أو امتداده في حالة الصورة الوهمية) والمحور البصري عند موضع الصورة حجم الصورة. يتقاطع هذا الشعاع (أو امتداداته الأمامية والخلفية في حالة بؤبؤ الصورة الوهمية) مع المحور البصري عند موضعَي بؤبؤ الدخول والخروج. يُحدد الشعاعان الرئيسي والهامشي معًا ثابت لاغرانج ، الذي يُميز نفاذية النظام البصري أو مداه . [ 9 ] يُعرّف بعض الباحثين "شعاعًا رئيسيًا" لكل نقطة في الجسم، وفي هذه الحالة، يُمكن تسمية الشعاع الرئيسي الذي يبدأ من نقطة على حافة الجسم بالشعاع الرئيسي الهامشي . [ 6 ]
  • الشعاع السهمي أو الشعاع المستعرض الصادر من نقطة جسم خارج المحور هو شعاع ينتشر في المستوى العمودي على المستوى الزوالي لهذه النقطة، ويحتوي على الشعاع الرئيسي (لنقطة الجسم) قبل الانكسار (أي على طول اتجاه الشعاع الرئيسي الأصلي). [ 4 ] يُسمى هذا المستوى بالمستوى السهمي. تتقاطع الأشعة السهمية مع بؤبؤ العين على طول خط عمودي على المستوى الزوالي لنقطة الجسم، ويمر عبر المحور البصري. إذا عُرِّف اتجاه المحور بأنه المحور z ، والمستوى الزوالي بأنه المستوى y - z ، فإن الأشعة السهمية تتقاطع مع بؤبؤ العين عند yp = 0. يكون الشعاع الرئيسي سهميًا وزواليًا في آنٍ واحد. [ 4 ] جميع الأشعة السهمية الأخرى هي أشعة مائلة.
  • الشعاع المحوري هو شعاع يصنع زاوية صغيرة مع المحور البصري للنظام، ويقع بالقرب منه في جميع أنحاء النظام. [ 10 ] يمكن نمذجة هذه الأشعة بشكل جيد باستخدام تقريب المحور . عند مناقشة تتبع الأشعة، غالبًا ما يُعكس هذا التعريف: فالشعاع المحوري هو شعاع يُنمذج باستخدام تقريب المحور، وليس بالضرورة شعاعًا يبقى قريبًا من المحور. [ 11 ] [ 12 ]
  • الشعاع المحدود أو الشعاع الحقيقي هو شعاع يتم تتبعه دون إجراء تقريب المحور. [ 12 ] [ 13 ]
  • الشعاع شبه القاعدي هو شعاع ينتشر بالقرب من "شعاع أساسي" محدد بدلاً من المحور البصري. [ 14 ] يُعد هذا النموذج أكثر ملاءمة من النموذج المحوري في الأنظمة التي تفتقر إلى التناظر حول المحور البصري. في النمذجة الحاسوبية، تُعتبر الأشعة شبه القاعدية "أشعة حقيقية"، أي أشعة تُعالج دون تطبيق تقريب المحور البصري. تُستخدم الأشعة شبه القاعدية حول المحور البصري أحيانًا لحساب خصائص الرتبة الأولى للأنظمة البصرية. [ 15 ]

الألياف البصرية

البصريات الهندسية

البصريات الهندسية ، أو بصريات الأشعة، هي نموذج بصري يصف انتشار الضوء بدلالة الأشعة . ويُعدّ الشعاع في البصريات الهندسية مفهوماً تجريدياً مفيداً لتقريب المسارات التي ينتشر الضوء عبرها في ظروف معينة.

تتضمن الافتراضات المبسطة للبصريات الهندسية أن أشعة الضوء:

لا تأخذ البصريات الهندسية في الحسبان بعض التأثيرات البصرية، كالحيود والتداخل ، التي تُؤخذ في الاعتبار في البصريات الفيزيائية . يُعدّ هذا التبسيط مفيدًا عمليًا؛ فهو تقريب ممتاز عندما يكون الطول الموجي صغيرًا مقارنةً بحجم البنى التي يتفاعل معها الضوء. وتُعدّ هذه التقنيات مفيدة بشكل خاص في وصف الجوانب الهندسية للتصوير ، بما في ذلك الانحرافات البصرية .

تتبع الأشعة

في الفيزياء، يُعدّ تتبع الأشعة طريقةً لحساب مسار الموجات أو الجسيمات عبر نظامٍ يحتوي على مناطق ذات سرعات انتشار وخصائص امتصاص وأسطح عاكسة متفاوتة. في ظل هذه الظروف، قد تنحني جبهات الموجات أو تغير اتجاهها أو تنعكس عن الأسطح، مما يُعقّد التحليل.

تاريخيًا، كان تتبع الأشعة يتضمن حلولًا تحليلية لمسارات الأشعة. أما في الفيزياء التطبيقية والهندسة الفيزيائية الحديثة ، فيشمل المصطلح أيضًا الحلول العددية لمعادلة إيكونال . على سبيل المثال، يتضمن تتبع الأشعة تحريك حزم ضيقة مثالية، تُسمى أشعة، بشكل متكرر عبر الوسط بمقادير منفصلة. يمكن تحليل المسائل البسيطة عن طريق تتبع عدد قليل من الأشعة باستخدام الرياضيات البسيطة. ويمكن إجراء تحليل أكثر تفصيلًا باستخدام الحاسوب لتتبع العديد من الأشعة.

عند تطبيقها على مسائل الإشعاع الكهرومغناطيسي ، تعتمد تقنية تتبع الأشعة غالبًا على حلول تقريبية لمعادلات ماكسويل، مثل البصريات الهندسية ، والتي تكون صالحة طالما أن الموجات الضوئية تنتشر عبر وحول أجسام أبعادها أكبر بكثير من طول موجة الضوء . يمكن لنظرية الأشعة وصف التداخل من خلال تجميع الطور أثناء تتبع الأشعة (مثل معاملات فرينل ذات القيم المركبة وحساب جونز ). كما يمكن توسيعها لوصف حيود الحواف ، مع تعديلات مثل النظرية الهندسية للحيود ، التي تُمكّن من تتبع الأشعة المحيدة . أما الظواهر الأكثر تعقيدًا فتتطلب أساليب مثل البصريات الفيزيائية أو نظرية الموجات .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مور، كين (25 يوليو 2005). "ما هو الشعاع؟" . قاعدة معارف مستخدمي ZEMAX . تم الاسترجاع في 30 مايو 2008 .
  2. ↑ غريفينكامب، جون إي. (2004). الدليل الميداني للبصريات الهندسية . أدلة SPIE الميدانية. ص 2. ISBN  0819452947.
  3. ↑ آرثر شوستر ، مقدمة في نظرية البصريات ، لندن: إدوارد أرنولد، 1904 على الإنترنت .
  4. 1 2 3 4 ستيوارت، جيمس إي. (1996). المبادئ البصرية والتكنولوجيا للمهندسين . سي آر سي. ص 57. ISBN  978-0-8247-9705-8.
  5. 1 2 غريفينكامب، جون إي. (2004). الدليل الميداني للبصريات الهندسية . أدلة SPIE الميدانية، المجلد FG01 . SPIE. ISBN 0-8194-5294-7.، ص 25.
  6. 1 2 ريدل، ماكس ج. (2001). أساسيات التصميم البصري لأنظمة الأشعة تحت الحمراء . نصوص تعليمية في الهندسة البصرية. المجلد 48. SPIE. ص 1. ISBN   978-0-8194-4051-8.
  7. 1 2 هيشت، يوجين (2017). "5.3.2 حدقة الدخول والخروج". البصريات ( الطبعة الخامسة). بيرسون. ص 184. ISBN   978-1-292-09693-3.
  8. ^ مالاكارا ودانيال وزكريا (2003). دليل التصميم البصري (الطبعة الثانية ). اتفاقية حقوق الطفل. ص. 25. رقم ISBN   978-0-8247-4613-1.
  9. ↑ غريفينكامب (2004)، ص 28.
  10. ^ غريفينكامب (2004)، ص 19 – 20.
  11. ↑ نيكلسون، مارك (21 يوليو 2005). "فهم تتبع الأشعة المحوري" . قاعدة معارف مستخدمي ZEMAX . تم الاسترجاع في 17 أغسطس 2009 .
  12. 1 2 أتشيسون، ديفيد أ.؛ سميث، جورج (2000). "A1: البصريات المحورية". بصريات العين البشرية . إلسيفير للعلوم الصحية. ص 237. ISBN  978-0-7506-3775-6.
  13. ↑ ويلفورد، دبليو تي (1986). "4: تتبع الأشعة المحدود". انحرافات الأنظمة البصرية . سلسلة آدم هيلجر في البصريات والإلكترونيات الضوئية. مطبعة سي آر سي. ص 50. ISBN  978-0-85274-564-9.
  14. ↑ بوخدال، هـ. أ. (1993). مقدمة في البصريات الهاميلتونية . دوفر. ص 26. ISBN  978-0-486-67597-8.
  15. ↑ نيكلسون، مارك (21 يوليو 2005). "فهم تتبع الأشعة المحوري" . قاعدة معارف مستخدمي ZEMAX . ص 2. تم الاطلاع عليه في 17 أغسطس 2009 .