Ray (ótica) - Ray (optics)

Em óptica, um raio é um modelo idealizado de luz , obtido pela escolha de uma linha perpendicular às frentes de onda da luz real e que aponta na direção do fluxo de energia . Os raios são usados ​​para modelar a propagação da luz através de um sistema óptico, dividindo o campo de luz real em raios discretos que podem ser propagados computacionalmente através do sistema por meio de técnicas de traçado de raios . Isso permite que até mesmo sistemas ópticos muito complexos sejam analisados ​​matematicamente ou simulados por computador. O rastreamento de raios usa soluções aproximadas para as equações de Maxwell que são válidas enquanto as ondas de luz se propagam através e ao redor de objetos cujas dimensões são muito maiores do que o comprimento de onda da luz . A teoria dos raios ( óptica geométrica ) não descreve fenômenos como a difração , que requerem a teoria das ondas . Alguns fenômenos de onda, como interferência, podem ser modelados em circunstâncias limitadas adicionando fase ao modelo de raio.

Definição

Um raio de luz é uma linha ( reta ou curva ) perpendicular às frentes de onda da luz ; sua tangente é colinear com o vetor de onda . Os raios de luz em meios homogêneos são retos. Eles se dobram na interface entre dois meios diferentes e podem ser curvados em um meio no qual o índice de refração muda. A óptica geométrica descreve como os raios se propagam através de um sistema óptico. Os objetos a serem visualizados são tratados como coleções de fontes pontuais independentes, cada uma produzindo frentes de onda esféricas e raios externos correspondentes. Os raios de cada ponto do objeto podem ser propagados matematicamente para localizar o ponto correspondente na imagem.

Uma definição um pouco mais rigorosa de um raio de luz segue do princípio de Fermat , que afirma que o caminho percorrido entre dois pontos por um raio de luz é o caminho que pode ser percorrido em menos tempo.

Raios especiais

Existem muitos raios especiais que são usados ​​na modelagem óptica para analisar um sistema óptico. Eles são definidos e descritos a seguir, agrupados pelo tipo de sistema que são usados ​​para modelar.

Interação com superfícies

Diagrama de raios em uma superfície, onde é o ângulo de incidência , é o ângulo de reflexão e é o ângulo de refração .${\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {i}}}$${\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {r}}}$${\ displaystyle \ theta _ {\ mathrm {R}}}$

• Um raio incidente é um raio de luz que atinge umasuperfície. O ângulo entre este raio e a perpendicular ounormalà superfície é oângulo de incidência.
• o raio refletido correspondente a um dado raio incidente, é o raio que representa a luz refletida pela superfície. O ângulo entre a normal da superfície e o raio refletido é conhecido comoângulo de reflexão. A Lei da Reflexão diz que para umasuperfícieespecular(sem dispersão), o ângulo de reflexão é sempre igual ao ângulo de incidência.
• o raio refratado ou raio transmitidocorrespondente a um dado raio incidente representa a luz que é transmitida através da superfície. O ângulo entre este raio e o normal é conhecido comoângulo de refraçãoe é dado pelaLei de Snell. A conservação de energiarequer que a potência do raio incidente seja igual à soma da potência do raio refratado, da potência do raio refletido e de qualquer potência absorvida na superfície.
• Se o material for birrefringente , o raio refratado pode se dividir em raios ordinários e extraordinários , que experimentam diferentes índices de refração ao passar pelo material birrefringente.

Sistemas ópticos

Diagrama de raio simples mostrando os raios principais e marginais típicos

• Um raio meridional ou raio tangencial é um raio que está confinado ao plano que contém o eixo óptico do sistema e o ponto do objeto a partir do qual o raio se originou.
• Um raio de inclinação é um raio que não se propaga em um plano que contém o ponto do objeto e o eixo óptico. Esses raios não cruzam o eixo óptico em qualquer lugar e não são paralelos a ele.
• O raio marginal (às vezes conhecido como raio ou raio axial marginal ) em um sistema óptico é o raio meridional que começa no ponto onde o objeto cruza o eixo óptico e toca a borda do batente de abertura do sistema. Este raio é útil, pois cruza o eixo óptico novamente nos locais onde a imagem será formada. A distância do raio marginal do eixo óptico nas localizações da pupila de entrada e da pupila de saída define os tamanhos de cada pupila (já que as pupilas são imagens do stop de abertura).
• O raio principal ou raio principal (às vezes conhecido como raio b ) em um sistema óptico é o raio meridional que começa na borda do objeto e passa pelo centro do stop de abertura. Este raio cruza o eixo óptico nas localizações das pupilas. Assim, os raios principais são equivalentes aos raios de uma câmera pinhole. A distância entre o raio principal e o eixo óptico em um local de imagem define o tamanho da imagem. Os raios marginais e principais juntos definem o invariante de Lagrange , que caracteriza o throughput ou etendue do sistema óptico. Alguns autores definem um "raio principal" para cada ponto do objeto. O raio principal começando em um ponto na borda do objeto pode então ser chamado de raio principal marginal .
• Um raio sagital ou raio transversal de um ponto de objeto fora do eixo é um raio que se propaga no plano perpendicular ao plano meridional e contém o raio principal. Os raios sagitais cruzam a pupila ao longo de uma linha perpendicular ao plano meridional para o ponto do objeto do raio e passa pelo eixo óptico. Se a direção do eixo é definida como o eixo z , e o plano meridional é o plano y - z , os raios sagitais cruzam a pupila em y _p = 0. O raio principal é sagital e meridional. Todos os outros raios sagitais são raios oblíquos.
• Um raio paraxial é um raio que forma um pequeno ângulo com o eixo óptico do sistema e fica próximo ao eixo em todo o sistema. Esses raios podem ser modelados razoavelmente bem usando a aproximação paraxial . Ao discutir o traçado de raios, esta definição é freqüentemente invertida: um "raio paraxial" é então um raio que é modelado usando a aproximação paraxial, não necessariamente um raio que permanece próximo ao eixo.
• Um raio finito ou raio real é um raio traçado sem fazer a aproximação paraxial.
• Um raio parabasal é um raio que se propaga próximo a algum "raio base" definido, em vez do eixo óptico. Isso é mais apropriado do que o modelo paraxial em sistemas que carecem de simetria em relação ao eixo óptico. Na modelagem por computador, os raios parabasais são "raios reais", ou seja, raios que são tratados sem fazer a aproximação paraxial. Os raios parabasais em torno do eixo óptico às vezes são usados ​​para calcular propriedades de primeira ordem de sistemas ópticos.

Fibra ótica

• Um raio meridional é um raio que passa pelo eixo de uma fibra óptica .
• Um raio de inclinação é um raio que viaja em um caminho de zigue-zague não plano e nunca cruza o eixo de uma fibra óptica .
• Um raio guiado , raio ligado ou raio capturado é um raio em uma fibra óptica multimodo , que é confinado pelo núcleo . Para fibra de índice de degrau , a luz que entra na fibra será guiada se fizer um ângulo com o eixo da fibra menor que o ângulo de aceitação da fibra .
• Um raio com vazamento ou raio de tunelamento é um raio em uma fibra óptica que a óptica geométrica prevê refletir totalmente no limite entre o núcleo e o revestimento , mas que sofre perda devido ao limite do núcleo curvo.

Veja também

• Feixe colimado
• Comprimento do caminho óptico
• Aproximação paraxial
• Feixe de lápis
• Análise de matriz de transferência de raios

Referências