Оптические расчёты: различия между версиями
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Определена структура статьи.Начата разметка |
Редактирование |
||
Строка 1:
'''Оптические расчёты'''
Шаблон:Main:Оптика
==Введение==
Строка 7 ⟶ 6 :
Оптические расчёты представляют собой разновидность математических расчётов, проводимых в области Оптики - науки об излучении и его взаимодействии с веществом.
С точки зрения концепция оптики, как научной дисциплины, оптика эволюционировала от Геометрической или Лучевой оптики (нем. Strachlenoptik), основы которой были заложены ещё в Древнем мире, развиты в трудах Тихо де Браге(1546 – 1601), затем дополнены представлениями Волновой оптики (Wellenoptik), начавшейся с догадки Христиана Гюйгенса (1629-1695) о волновой природе света, подтверждённой экспериментами Томаса Юнга (1883-1829) и Августина Френеля (1788-1827) и получившей завершение в теории Джеймса Кларка Максвелла (1831 – 1879), основанной на представлении о свете как волновом процессе, имеющем место в электромагнитном поле. В рамках этих представлений Альберт Эйнштейн(1879-1955) создал специальную теорию относительности, основанную на утверждении о существовании конечной скорости распространения электромагнитных волн. Наконец, невозможность объяснения закономерностей температурного излучения и фотоэффекта в рамках теории Максвелла , привела Макса Планка(1858-1947) к идее квантования поля, что привело появлению оптики фотонов, и реанимировало догадку Исаака Ньютона (1643 -1727) о том, что свет представляет собой поток частиц.
Наши знания о природе формируются на базе понятий, получаемых в результате опыта. Так получилось, что на своём опыте человек усвоил представления о волне и частице,но для получения представления об излучении, или, что будет рассматриваться как его синоним -о свете, который есть ни то, ни другое, в своей практической деятельности человек не имеет однозначного представления. Так возник дуализм "волна-частица", констатирующий и закрепившей на день сегодняшний отсутствие '''единого описания всех''' наблюдаемых свойств света.Этот дуализм стал причиной построения различных моделей, описывающих свойства света, помогающих не только проведению качественного , но и количественного анализа световых явлений, а самое главное - подтверждающихся в рамках своей применимости, на практике.В оптике, пожалуй даже чаще, чем в остальных разделах физики, придумано множество весьма остроумных моделей, объясняющих то или иное свойство света, но не всех сразу.Виртуозом в этой области был Роберт Вуд.
Поэтому для достижения успеха в проведении оптических расчётов недостаточно знать те или иные принятые в оптике закономерности, но и иметь представление о тех границах, за пределами которых они теряют свою справедливость.Иными словами подняться с уровня ''знания'' на уровень ''понимания''.
==Начала волновой оптики==
Возникший дуализм в представлениях о поле излучения, не отменил возможности объяснения многих оптических явлений путём решения уравнений Максвелла с учётом конкретных граничных условий.
==Геометрическая оптика==▼
▲В основе положений геометрической оптики лежит понятие о световом луче (луче света), который может быть представлен в виде световой трубки бесконечно малого сечения, т.е. о трехмерной фигуре, в границах которой распространяется энергия излучения, не выходя за ее боковую поверхность и не проникая через нее извне. Световой луч может быть представлен, также, в виде пучка траекторий световых частиц (фотонов) также имеющего бесконечно малое сечение. Корпускулярная теория света достаточно хорошо объясняет квантовые свойства света (фотоэффект), но не годится для объяснения формы светового луча, что является основной задачей, решаемой в геометрической оптике. В этом случае неизбежно обращение к закономерностям волновой оптики, рассматривающей распространение световой волны и влияние на него оптической неоднородности среды, обусловленной различной скоростью распространения излучения в различных ее областях, вызванных различиями показателя преломления.
Показателем преломления среды n, в которой распространяется излучение, называется отношение скорости света в вакууме c к скорости света в данной среде v, а именно: Невозможно разобрать выражение (лексическая ошибка): n = с / v Поскольку скорость света представляет собой наивысшую скорость, достигаемую в природе, то показатель преломления любого вещества всегда больше единицы.
Явление замедления света при его распространении в среде непосредственно вытекает из уравнений Максвелла учитывающих свойства среды при распространении электромагнитной волны через диэлектрическую постоянную среды и магнитную проницаемость , как: . Волновые свойства света в матричной оптике, равно как и вообще в расчётах в геометрической оптике, учитываются неявным образом, через зависимость показателя преломления от длины волны , а точнее - от частоты , связанных между собой соотношением: с = . Существенно, что длина волны зависит от показателя преломления среды, а частота не зависит. По крайней мере, до тех пор, пока интенсивность света не станет настолько высокой, что начнут сказываться нелинейные эффекты. Многие оптические среды (но не все) не обладают магнитными свойствами, Для них и потому . Показатель преломления воздуха близок к единице и потому в геометрической оптике по умолчанию считается, что показатель преломления среды, в которой находятся элементы оптической схемы, равен единице. Это неверно в общем случае, например при расположении части или всей оптической системы в среде с n > 1 (так называемая иммерсия). Однако это в случае однородной (изотропной) оптической среды легко может быть учтено при расчётах в рамках геометрической оптики
▲==Геометрическая оптика==
В основе положений геометрической оптики лежит понятие о световом луче (луче света), который может быть представлен в виде световой трубки бесконечно малого сечения, т.е. о трехмерной фигуре, в границах которой распространяется энергия излучения, не выходя за ее боковую поверхность и не проникая через нее извне. Световой луч может быть представлен, также, в виде пучка траекторий световых частиц (фотонов) также имеющего бесконечно малое сечение. .
В неоднородной оптической среде, с непостоянным в пространстве и времени распределением показателя преломления или неравномерной оптической плотностью наблюдается искривление луча. Так в неоднородной атмосфере это проявляется в таких явлениях, как мираж, дрожание изображения вследствие атмосферной турбулентности, (что имеет особое значение для оценки качества астроклимата местности) и рассматривается в атмосферной оптике. В рамках волновой оптики и в большом количестве практически интересных случаев направление светового луча совпадает с нормалью к поверхности волнового фронта, т.е. поверхности, проведённой через точки пространства, в которых фазы колебаний электрического вектора совпадают. Однако в случае особых свойств среды, объясняемых явлением дихроизма, нормаль к волновому фронту не совпадает с направлением переноса энергии, т. е направлением светового луча. Это явление изучается в кристаллооптике.
Строка 47 ⟶ 53 :
===Матричная оптика===
Матричная оптика (в дальнейшем МО) представляет собой раздел вычислительной (геометрической) оптики, посвященный синтезу оптических систем, состоящих из отдельных и самостоятельных оптических элементов, свойства которых могут быть представлены соответствующими матрицами. В МО рассматриваются оптические схемы, состоящие из центрированных оптических элементов, как в своей совокупности, так и по-отдельности выполняющие роль операторов, преобразующих первоначальный угол , составляемый световым лучом с оптической осью, и проходящего через точку , отстоящую от оси на расстояние и удалённую от рабочей оптической поверхности на расстояние ( ), поскольку эта точка находится до этой поверхности. Начальный угол преобразуется в угол , характеризующий преобразованный луч, проходящий через сопряжённую точку на расстоянии от оси и удалённую по ходу луча на расстояние уже после поверхности (в случае преломления) и (в случае отражения ). Существенно, что расстояния вдоль оси входят как параметры, устанавливаемые расчётчиком, равно как и параметры начального луча. В то же время и получаются расчётным путём и заранее не известны. Направление луча слева направо, высота точки, отсчитываемая от оптической оси вверх и направление отсчёта угла от оси против часовой стрелки представителями ряда вычислительных школ считаются положительными и отрицательными в случае противоположном (рис. ).
| |||