التقارب (البصريات)

في علم البصريات ، يُعرف التقارب بأنه الزاوية التي تشكلها أشعة الضوء غير المتوازية تمامًا. تُسمى الأشعة التي تقترب من المحور البصري أثناء انتشارها أشعة متقاربة ، بينما تُسمى الأشعة التي تبتعد عنه أشعة متباعدة . هذه الأشعة الوهمية تكون دائمًا عمودية على جبهة الموجة الضوئية، وبالتالي يرتبط تقارب الضوء ارتباطًا مباشرًا بنصف قطر انحناء جبهات الموجة. تعمل العدسة المحدبة أو المرآة المقعرة على تركيز الأشعة المتوازية، فتتقارب نحو نقطة. بعد هذه النقطة البؤرية ، تتباعد الأشعة. وعلى العكس، تعمل العدسة المقعرة أو المرآة المحدبة على تباعد الأشعة المتوازية.

لا يتكون الضوء في الواقع من أشعة وهمية، ومصادر الضوء ليست مصادر نقطية أحادية، لذا فإن التقارب عادةً ما يقتصر على نمذجة الأشعة البسيطة للأنظمة البصرية. في نظام حقيقي، يكون التقارب نتاجًا لقطر مصدر الضوء، ومسافته عن العدسات، وانحناء الأسطح البصرية. تؤدي زيادة الانحناء إلى زيادة التقارب وانخفاض البعد البؤري ، وبالتالي يكون حجم الصورة أو البقعة (قطر الخصر) أصغر. وبالمثل، يؤدي انخفاض الانحناء إلى انخفاض التقارب، مما ينتج عنه بعد بؤري أطول وزيادة في قطر الصورة أو البقعة. هذه العلاقة التبادلية بين التقارب والبعد البؤري وقطر الخصر ثابتة في جميع أنحاء النظام البصري، وتُعرف بالثابت البصري . الشعاع الذي يتوسع إلى قطر أكبر يكون له درجة تباعد أقل، ولكن إذا تم تكثيفه إلى قطر أصغر، فسيكون التباعد أكبر.

يفشل نموذج الشعاع البسيط في بعض الحالات، مثل ضوء الليزر ، حيث يجب استخدام تحليل شعاع غاوسي بدلاً من ذلك.

في البصريات الهندسية ، يصف التقارب انحناء جبهات الموجات الضوئية. ^{[ 1 ]} يُعرَّف التقارب على النحو التالي:

${\displaystyle V={\frac {n}{r}},}$

حيث n هو معامل انكسار الوسط، و r هي المسافة من المصدر النقطي إلى جبهة الموجة. يُقاس التقارب بوحدة الديوبتر (D)، والتي تعادل m⁻¹ ^. [ ^{1 ] يصف} هذا التقارب بدلالة القدرة البصرية . في العدسات المحدبة، تقع نقطة تقارب الضوء الخارج من العدسة على الجانب الداخلي من المستوى البؤري ، وتكون القدرة البصرية موجبة. أما في العدسات المقعرة، فتقع البؤرة على الجانب الخلفي من العدسة، أو الجانب الخارجي من المستوى البؤري، وتكون القدرة البصرية سالبة. تُسمى العدسة عديمة القدرة البصرية نافذة بصرية ، ولها أسطح مستوية متوازية. ترتبط القدرة البصرية ارتباطًا مباشرًا بمدى تكبير الصور الموجبة الكبيرة، ومدى تصغير الصور السالبة الصغيرة.

تُنتج جميع مصادر الضوء درجةً من التباعد، إذ تتميز الموجات الخارجة منها بانحناءٍ ما. عند المسافة المناسبة، يُمكن تقويم هذه الموجات باستخدام عدسة أو مرآة، مما يُنتج حزمًا متوازية ذات تباعدٍ ضئيل، ولكن سيبقى قدرٌ من التباعد، اعتمادًا على قطر الحزمة مقابل البُعد البؤري. ^{[ 2 ] [ 3 ]} عندما تصبح المسافة بين المصدر النقطي وجبهة الموجة كبيرة جدًا، ينعدم التقارب، أي أن جبهات الموجة تصبح مستوية ولا يعود لها أي انحناءٍ قابلٍ للكشف. يتميز الضوء القادم من النجوم البعيدة بنصف قطرٍ كبيرٍ جدًا بحيث لا يُمكن رصد أي انحناءٍ في جبهات الموجة، وبالتالي لا يوجد تقارب. ^{[ 2 ]}

يمكن أيضًا تصور الضوء على أنه حزمة من الخطوط المتشععة في اتجاه الانتشار، والتي تكون دائمًا عمودية على جبهة الموجة، وتُسمى "الأشعة". هذه الخطوط الوهمية ذات السماكة المتناهية الصغر تفصل بينها زاوية واحدة فقط. في تتبع الأشعة ، يمكن تصور التقارب على أنه الزاوية بين أي شعاعين. أما في التصوير أو الحزم الضوئية، فيُوصف التقارب غالبًا بأنه الزاوية بين الأشعة الخارجية في الحزمة ( الأشعة الطرفية )، عند حافة مخروط الضوء، والمحور البصري . يُقاس هذا الميل عادةً بالراديان . وبالتالي، في هذه الحالة، يكون تقارب الأشعة المنقولة عبر العدسة مساويًا لنصف قطر مصدر الضوء مقسومًا على بُعده عن العدسة. هذا يُحدد حجم الصورة أو الحد الأدنى لقطر البقعة الذي يمكن إنتاجه بواسطة أي عدسة تركيز، والذي يُحدد بمقلوب تلك المعادلة؛ أي تباعد مصدر الضوء مضروبًا في المسافة. تظل هذه العلاقة بين التقارب والبعد البؤري وأصغر قطر للبقعة (يسمى أيضًا "قطر الخصر") ثابتة في جميع أنحاء الفضاء، ويشار إليها عادةً باسم الثابت البصري . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تُصبح هذه العلاقة الزاوية بالغة الأهمية في عمليات الليزر، مثل القطع أو اللحام بالليزر ، إذ توجد دائمًا مفاضلة بين قطر البقعة، الذي يؤثر على شدة الطاقة، والمسافة إلى الجسم. فعند الرغبة في تقليل تباعد الشعاع، يلزم استخدام شعاع ذي قطر أكبر، أما عند الحاجة إلى شعاع أصغر، فيجب الاكتفاء بتباعد أكبر، ولن يُغير تغيير موضع العدسة من ذلك شيئًا. والطريقة الوحيدة للحصول على بقعة أصغر هي استخدام عدسة ذات بُعد بؤري أقصر، أو توسيع الشعاع إلى قطر أكبر. ^{[ 6 ]}

مع ذلك، فإن هذا المقياس لانحناء جبهات الموجة صالح تمامًا فقط في البصريات الهندسية ، وليس في بصريات الحزمة الغاوسية أو في البصريات الموجية ، حيث تعتمد جبهة الموجة عند البؤرة على الطول الموجي ، ولا يتناسب انحناؤها مع المسافة من البؤرة. في هذه الحالة، يبدأ حيود الضوء بلعب دور بالغ الأهمية، وغالبًا ما يحد من حجم البقعة إلى أقطار أكبر، خاصة في المجال البعيد . ^{[ 7 ]} بالنسبة لمصادر الضوء غير الدائرية، قد يختلف التباعد تبعًا لموقع المقطع العرضي للأشعة من المحور البصري. على سبيل المثال، تتميز ليزرات الديود بتباعد أكبر عبر الاتجاه الموازي (المحور السريع) مقارنةً بالاتجاه العمودي (المحور البطيء)، مما ينتج عنه حزم ذات مقاطع عرضية مستطيلة. يمكن تقليل هذا النوع من الاختلاف في التباعد باستخدام طرق تشكيل الحزمة، مثل استخدام عدسة قضيبية تؤثر على التباعد على طول اتجاه مقطع عرضي واحد فقط. ^{[ 8 ]}

تُنتج الجبهات الموجية المنتشرة باتجاه نقطة واحدة تقاربًا موجبًا. ويُشار إلى ذلك أيضًا بالتقارب ، حيث تتقارب جميع الجبهات الموجية نحو نفس نقطة التركيز. وعلى النقيض من ذلك، تُنتج الجبهات الموجية المنتشرة بعيدًا عن نقطة مصدر واحدة تقاربًا سالبًا. ويُسمى التقارب السالب أيضًا بالتباعد .

• القدرة الضوئية
• الدقة البصرية
• النقطة الأساسية (البصريات)