Вергенция (оптика) - Vergence (optics)

Для использования в других целях см. Vergence (значения).
Вертикальный луч. Вергенция обратно пропорциональна расстоянию от фокуса в метрах. Если (положительная) линза фокусирует луч, она должна располагаться слева от фокуса, в то время как отрицательная линза должна располагаться справа от фокуса для получения соответствующей вергенции.

Вергенция угол, образованный лучи света, которые не идеально параллельны друг другу. Лучи, приближающиеся к оптическая ось по мере их распространения, как говорят, сходящийся, а лучи, удаляющиеся от оси, имеют вид расходящийся. Эти воображаемые лучи всегда перпендикулярны волновой фронт света, таким образом, вергенция света напрямую связана с радиусами кривизны волновых фронтов. Выпуклый линза или вогнутый зеркало заставит параллельные лучи сфокусироваться, сходясь к точке. За пределами этой фокусной точки лучи расходятся. И наоборот, вогнутая линза или выпуклое зеркало вызовут расхождение параллельных лучей.

Свет на самом деле не состоит из воображаемых лучей, и источники света не являются одноточечными источниками, поэтому вергенция обычно ограничивается простым лучевым моделированием оптических систем. В реальной системе вергенция - это произведение диаметра источника света, его расстояния от оптики и кривизны оптических поверхностей. Увеличение кривизны вызывает увеличение вергенции и уменьшение фокусное расстояние, а размер изображения или пятна (диаметр талии) будет меньше. Точно так же уменьшение кривизны уменьшает вергентность, что приводит к увеличению фокусного расстояния и увеличению диаметра изображения или пятна. Эта взаимная зависимость между вергентностью, фокусным расстоянием и диаметром перетяжки постоянна во всей оптической системе и называется оптический инвариант. Луч, который расширен до большего диаметра, будет иметь меньшую степень расходимости, но если сгуститься до меньшего диаметра, расхождение будет больше.

Простая модель лучей не работает в некоторых ситуациях, например, для лазер свет, где Гауссов пучок Вместо этого необходимо использовать анализ.

Определение

Простой телескоп. Коллимированные (параллельные) световые волны сходятся через линзу, затем расходятся и коллимируются другой линзой, снова сходясь через линзу глаза.

В геометрическая оптика, вершина описывает кривизна оптических волновых фронтов.[1] Вергенция определяется как

куда п - показатель преломления среды, а р - расстояние от точечного источника до волнового фронта. Вергенция измеряется в единицах диоптрии (D), которые эквивалентны m−1.[1] Это описывает вергенцию с точки зрения оптическая сила. Для оптики, такой как выпуклые линзы, точка схождения света, выходящего из линзы, находится на входной стороне фокальная плоскость, и имеет положительную оптическую силу. Для вогнутых линз координационный центр находится на задней стороне объектива или на выходной стороне фокальной плоскости и имеет отрицательную мощность. Линза без оптической силы называется оптическое окно с плоскими параллельными гранями. Оптическая сила напрямую связана с тем, насколько большие позитивные изображения будут увеличиваться и насколько маленькие негативные изображения будут уменьшаться.

Все источники света имеют некоторую степень расхождения, поскольку волны, выходящие из этих источников, всегда имеют некоторую степень кривизны. На подходящем расстоянии эти волны можно выпрямить с помощью линзы или зеркала, создавая коллимированный лучи с минимальным расхождением, но некоторая степень расхождения останется, в зависимости от диаметра луча в зависимости от фокусного расстояния.[2][3] Когда расстояние между точечным источником и волновым фронтом становится очень большим, вергенция стремится к нулю, что означает, что волновые фронты плоские и больше не имеют обнаруживаемой кривизны. Свет от далеких звезд имеет такой большой радиус, что любая кривизна волновых фронтов не обнаруживается и не имеет вершин.[2]

Свет также можно представить как состоящий из пучка линий, излучающих в направлении распространения, которые всегда перпендикулярны волновому фронту, называемых «лучами». Эти воображаемые линии бесконечно малой толщины разделены только углом между ними. В трассировка лучей, тогда вергенцию можно представить как угол между любыми двумя лучами. Для получения изображений или лучей вергенция часто описывается как угол между крайними лучами в пучке (краевые лучи ), на краю (грани) светового конуса, а оптическая ось. Этот наклон обычно измеряется в радианы. Таким образом, в этом случае сходимость лучей, прошедших через линзу, равна радиусу источника света, деленному на его расстояние от оптики. Это ограничивает размер изображения или минимальный диаметр пятна, который может быть получен с помощью любой фокусирующей оптики, который определяется обратной величиной этого уравнения; расхождение источника света, умноженное на расстояние. Это соотношение между вергенцией, фокусным расстоянием и минимальным диаметром пятна (также называемым «диаметром перетяжки») остается постоянным во всем пространстве и обычно обозначается как оптический инвариант.[4][5]

Это угловое соотношение становится особенно важным при лазерных операциях, таких как лазерная резка или же лазерная сварка, так как всегда существует компромисс между диаметром пятна, который влияет на интенсивность энергии, и расстоянием до объекта. Когда желательна малая расходимость луча, тогда необходим луч большего диаметра, но если нужен меньший луч, нужно довольствоваться большей расходимостью, и никакое изменение положения линзы не изменит этого. Единственный способ добиться меньшего размера пятна - использовать линзу с меньшим фокусным расстоянием или расширить луч до большего диаметра.[6]

Однако эта мера кривизны волновых фронтов полностью верна только в геометрическая оптика, не в Гауссов пучок оптика или в волновая оптика, где волновой фронт в фокусе равен длина волны -зависимы, а кривизна не пропорциональна расстоянию от фокуса. В этом случае дифракция света начинает играть очень активную роль, часто ограничивая размер пятна даже большим диаметром, особенно в дальнее поле.[7] Для некруглых источников света расхождение может отличаться в зависимости от положения лучей в поперечном сечении от оптической оси. Диодные лазеры, например, имеют большее расхождение в параллельном направлении (быстрая ось), чем в перпендикуляре (медленная ось), создавая лучи с прямоугольными профилями. Такое различие в расходимости можно уменьшить с помощью методов формирования луча, таких как использование стержневая линза это влияет только на расхождение в одном направлении поперечного сечения.[8]

Конвергенция, расхождение и знаковое соглашение

Волновые фронты, распространяющиеся к одной точке, дают положительную вершину. Это также называется конвергенция поскольку все волновые фронты сходятся в одной точке фокуса. Напротив, волновые фронты, распространяющиеся от одной точки источника, уступают место отрицательной вершине. Отрицательную вергенцию еще называют расхождение.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Кац, Милтон (2002). Введение в геометрическую оптику. World Scientific. п. 85. ISBN  978-981-238-202-3.
  2. ^ а б Офтальмологический медицинский персонал: руководство по законам, формулам, расчетам и клиническим применениям Аарон В. Шукла - Slack Inc., 2009 г. Стр. 73–76
  3. ^ Клиническая оптика и рефракция Эндрю Кейрл, Кэролайн Кристи - Elsevier 2007, стр. 11–15
  4. ^ Справочник по офтальмологии Амар Агарвал - Slack Inc., 2006 г. Стр. 597
  5. ^ Энциклопедия современной оптики Боб Д. Гюнтер, Duncan Steel - Elsevier 2018, стр.113
  6. ^ Лазерная обработка материалов (производство, инжиниринг и обработка материалов) Леонард Р. Мильоре - CRC Press 2018 Страница 50
  7. ^ https://www.newport.com/n/focusing-and-collimating
  8. ^ Приложения для формирования лазерного луча Фред М. Дики, Тодд Э. Лизотт - CRC Press 2017, стр. 76–77