Оптическая линза для LED

Оптика — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света, включая его взаимодействие с материей и конструирование приборов, использующих или детектирующих его.[1] Обычно оптика описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного света. Свет является типом электромагнитной радиации, и другие формы электромагнитной радиации, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радио волны, демонстрируют похожие свойства.[1]

Основная статья: Геометрическая оптика
Геометрия отражения и преломления лучей света
Геометрическая оптика, или лучевая оптика, описывает распространение света в терминах "лучей", которые propagate в прямых линиях, а пути которых подчиняются законам отражения и преломления на границах между различными средами.[35] Эти законы были открыты эмпирически еще в 984 году н. э.[10] и используются в проектировании оптических элементов и приборов с тех пор по сегодняшний день. Они могут быть подведены к folgущему:

Когда луч света попадает на границу между двумя прозрачными материалами, он делится на отраженный и преломленный луч.

Законы отражения и преломления можно вывести из принципа Ферма, согласно которому путь, пройденный лучом света между двумя точками, есть путь, который можно преодолеть за минимальное время.[36]

Основная статья: Отражение (физика)
Диаграмма зеркального отражения
Отражения можно разделить на два типа: зеркальное отражение и диффузное отражение. Зеркальное отражение характеризует глянечные поверхности, такие как зеркала, которые отражают свет простым, предсказуемым способом. Это позволяет формирование отраженных изображений, которые могут быть ассоциированы с реальной (фактической) или экстраполированной (виртуальной) позицией в пространстве. Диффузное отражение характеризует неглянечные материалы, такие как бумага или камень. Отражения от таких поверхностей можно описать только статистически, с точным распределением отраженного света, зависящим от микроскопической структуры материала. Многие диффузные отражатели описываются или могут быть приближены законом косинуса Ламберта, который характеризует поверхности с одинаковой luminance при наблюдении с любого угла. Глянечные поверхности могут exhibировать как зеркальное, так и диффузное отражение.

При зеркальном отражении направление отраженного луча определяется углом, который образует падающий луч с нормалью к поверхности — прямой, перпендикулярной к поверхности в точке падения. Падающий и отраженный лучи вместе с нормалью лежат в одной плоскости, а угол между отраженным лучом и нормалью равен углу между падающим лучом и нормалью.[38] Это bekannt как Закон Отражения.

Для плоских зеркал закон отражения_impliziert, что изображения объектов являются прямым и находятся за зеркалом на той же vzdали, на которой объекты находятся перед зеркалом. Размер изображения равен размеру объекта. Закон также_impliziert, что зеркальные изображения обладают обратной парностью, которую мы воспринимаем как лево-правое обращение. Изображения, formadaемы отражением в двух (или любом четном количестве) зеркалах, не имеют обратной парности. Угловые отражатели создают отраженные лучи, направляющиеся обратно в сторону, откуда пришли падающие лучи.[39] Это называется ретрорефлексией.

Зеркала с кривыми поверхностями можно моделировать путем трассировки лучей и использования закона отражения в каждой точке поверхности. Для зеркал с параболическими поверхностями параллельные падающие лучи создают отраженные лучи, сходящиеся в общем фокусе. Другие кривые поверхности также могут фокусировать свет, но с аберрациями из-за diverging формы, вызывающей расхождение фокуса в пространстве. В частности, сферические зеркала обладают сферической аберрацией. Кривые зеркала могут формировать изображения с увеличением, больше или меньше единицы, а увеличение может быть отрицательным, что указывает на обращение изображения. Прямое изображение, formadoе отражением в зеркале, всегда является виртуальным, в то время как обращенное изображение является действительным и может быть проектировано на экран.[40]

Основная статья: Преломление
Иллюстрация закона СнеЛля для случая n1 < n2, например, граница воздух/вода
Преломление происходит, когда свет проходит через область пространства с изменяющимся индексом преломления; этот принцип позволяет создавать линзы и фокусировать свет. Самый простой случай преломления имеет место при границе между однородным средой с индексом преломления n1 и другой средой с индексом преломления n2. В таких ситуациях закон СнеЛля описывает результирующее отклонение луча света:

n1sinθ1=n2sinθ2

где θ1 и θ2 — углы между нормалью (к границе) и падающим, преломленным лучами соответственно.[38]

Индекс преломления среды связан со скоростью v света в этой среде формулой:
$n=c/v,$
где c — скорость света в вакууме.

Закон СнеЛля может быть использован для прогнозирования отклонения лучей света при их прохождении через линейные среды, при условии, что индексы преломления и геометрия сред известны. Например, распространение света через призму приводит к отклонению луча в зависимости от формы и ориентации призмы. В большинстве материалов индекс преломления изменяется с частотой света, что называется дисперсией. Учитывая это, закон СнеЛля может быть использован для прогнозирования, как призма рассеяет свет на спектр.[41] Открытие этого явления при прохождении света через призму famosaweise atribуется Исааку Ньютону.

Некоторые среды имеют индекс преломления, который постепенно изменяется с позицией, и, следовательно, лучи света в такой среде изгибаются. Этот эффект является причиной марай, наблюдаемых в жаркие дни: изменение индекса преломления воздуха с высотой заставляет лучи света изгибаться, создавая впечатление зеркальных отражений вдалеке (как на поверхности озера). Оптические материалы с изменяющимся индексом преломления называются градиентно-индексными (GRIN). Такие материалы используются для создания градиентно-индексной оптики.[42]

Для лучей света, propagating из материала с высоким индексом преломления в материал с низким индексом преломления, закон СнеЛля предсказывает, что θ2 не существует при большом θ1. В этом случае transmission не происходит; весь свет отражается. Это явление называется полным внутренним отражением и позволяет технологии оптических волокон. По мере того, как свет проходит через оптическое волокно, он подвергается полному внутреннему отражению, что позволяет практически неlose света вдоль кабеля.[43]

Основная статья: Линза (оптика)
Диаграмма трассировки лучей для сгущающей линзы
Прибор, создающий сгущающие или рассеивающие лучи света из-за преломления, называется линзой. Линзы характеризуются своей фокусной длиной: сгущающая линза имеет положительную фокусную длину, в то время как рассеивающая — отрицательную. Меньшая фокусная длина указывает на более сильный сгущающий или рассеивающий эффект. Фокусная длина простой линзы в воздухе задается уравнением линзоделателя.[44]

Трассировка лучей может быть использована для показа, как образуются изображения с помощью линзы. Для тонкой линзы в воздухе положение изображения задается простым уравнением:

S11+S21=f1,

где S1 — расстояние от объекта до линзы, θ2 — расстояние от линзы до изображения, а f — фокусная длина линзы. В используемой здесь конвенции знаков расстояния объекта и изображения являются положительными, если объект и изображение находятся на противоположных сторонах линзы.[45]

Входящие параллельные лучи фокусируются сгущающей линзой в точку, находящейся на фокусной длине от линзы, на дальней стороне линзы. Это называется задним фокусным точкой линзы. Лучи от объекта на конечной vzdали фокусируются дальше от линзы, чем фокусная vzdали;чем ближе объект к линзе, тем дальше от линзы находится изображение.

У рассеивающих линз входящие параллельные лучи рассеиваются после прохождения через линзу таким образом, что они seem originate от точки на фокусной длине перед линзой. Это передняя фокусная точка линзы. Лучи от объекта на конечной vzdали связаны с виртуальным изображением, которое находится ближе к линзе, чем фокусная точка, и на той же стороне линзы, что и объект. Чем ближе объект к линзе, тем ближе к линзе находится виртуальное изображение. Как и в случае с зеркалами, прямые изображения, созданные одной линзой, являются виртуальными, в то время как обращенные изображения являются действительными.[46]

Линзы страдают от аберраций, искажающих изображения. Монохроматические аберрации возникают из-за того, что геометрия линзы не идеально направляет лучи от каждой точки объекта в одну точку изображения, в то время как хроматическая аберрация возникает из-за изменения индекса преломления линзы с длиной волны света.[47]

Изображения черных букв в тонкой выпуклой линзе фокусной длины f изображены в красном. Отмечены(selected) лучи для букв E, I и K в синий, зеленый и оранжевый цвета соответственно. Заметим, что E (на 2f) имеет изображение одинакового размера, действительное и обращенное; I (на f) имеет изображение в бесконечности; а K (на f/2) имеет изображение в два раза больше, виртуальное и прямое.