Rayo (óptica)

En óptica, un rayo es un modelo geométrico idealizado de luz u otra radiación electromagnética, obtenido eligiendo una curva que es perpendicular a los frentes de onda de la luz real, y eso apunta en la dirección del flujo de energía. Los rayos se utilizan para modelar la propagación de la luz a través de un sistema óptico, dividiendo el campo de luz real en rayos discretos que pueden propagarse computacionalmente a través del sistema mediante las técnicas de trazado de rayos. Esto permite analizar matemáticamente o simular por ordenador incluso sistemas ópticos muy complejos. El trazado de rayos utiliza soluciones aproximadas a las ecuaciones de Maxwell que son válidas siempre que las ondas de luz se propaguen a través y alrededor de objetos cuyas dimensiones sean mucho mayores que la longitud de onda de la luz. La óptica de rayos o la óptica geométrica no describe fenómenos como la difracción, que requieren la teoría de la óptica ondulatoria. Algunos fenómenos ondulatorios, como la interferencia, se pueden modelar en circunstancias limitadas agregando fase al modelo de rayos.

Definición

Un rayo de luz es una línea (recta o curva) que es perpendicular a los frentes de onda de la luz; su tangente es colineal con el vector de onda. Los rayos de luz en medios homogéneos son rectos. Se doblan en la interfaz entre dos medios diferentes y pueden curvarse en un medio en el que cambia el índice de refracción. La óptica geométrica describe cómo se propagan los rayos a través de un sistema óptico. Los objetos que se van a fotografiar se tratan como conjuntos de fuentes puntuales independientes, cada una de las cuales produce frentes de onda esféricos y sus correspondientes rayos salientes. Los rayos de cada punto del objeto se pueden propagar matemáticamente para localizar el punto correspondiente en la imagen.

Una definición ligeramente más rigurosa de un rayo de luz se deriva del principio de Fermat, que establece que el camino recorrido entre dos puntos por un rayo de luz es el camino que se puede recorrer en el menor tiempo.

Rayos especiales

Hay muchos rayos especiales que se utilizan en el modelado óptico para analizar un sistema óptico. Estos se definen y describen a continuación, agrupados por el tipo de sistema que se utilizan para modelar.

Interacción con superficies

• An incident ray es un rayo de luz que golpea una superficie. El ángulo entre este rayo y el perpendicular o normal a la superficie es el ángulo de incidencia.
• El Reflexión reflejada correspondiente a un rayo incidente dado, es el rayo que representa la luz reflejada por la superficie. El ángulo entre la superficie normal y el rayo reflejado se conoce como el ángulo de reflexión. La Ley de Reflexión dice que para una superficie especular (sin manchar), el ángulo de reflexión siempre es igual al ángulo de incidencia.
• El rayos refractados o radio de transmisión correspondiente a un determinado rayo de incidente representa la luz que se transmite a través de la superficie. El ángulo entre este rayo y lo normal se conoce como el ángulo de refracción, y es dado por la Ley de Snell. La conservación de la energía requiere que el poder en el rayo incidente sea igual a la suma de la potencia en el rayo refractado, el poder en el rayo reflejado y cualquier poder absorbido en la superficie.
• Si el material es birefringente, el rayo refractado puede dividirse en ordinario y rayos extraordinarios, que experimenta diferentes índices de refracción al pasar por el material birefringente.

Sistemas ópticos

• A ray o ray tangencial es un rayo que se limita al plano que contiene el eje óptico del sistema y el punto objeto desde el que se originó el rayo.
• A Skew ray es un rayo que no se propaga en un plano que contiene tanto el punto objeto como el eje óptico. Estos rayos no cruzan el eje óptico en ningún lugar y no son paralelos a él.
• El Rayos marginales (a veces conocido como un rayo o a Rayos axiales marginales) en un sistema óptico es el rayo meridional que comienza en el punto donde un objeto a ser imagen cruza el eje óptico (el punto objeto axial) y toca un borde de la parada de abertura del sistema. Este rayo es útil, porque vuelve a cruzar el eje óptico en los lugares donde se formará una imagen real, y las extensiones atrasadas del camino del rayo cruzan el eje donde se formará una imagen virtual. Dado que el alumno de entrada y el alumno de salida son imágenes de la parada de abertura, para los alumnos de imagen real, la distancia del rayo marginal del eje óptico en las ubicaciones del alumno define los tamaños de cada alumno. Para los alumnos de imagen virtual, una línea extendida, hacia adelante a lo largo del rayo marginal antes del primer elemento óptico o hacia atrás a lo largo del rayo marginal antes del último elemento óptico, determina el tamaño del alumno de entrada o salida, respectivamente.
• El principal ray o Jefe Ray (A veces conocido como el b) en un sistema óptico es el rayo meridional que comienza en un borde de un objeto y pasa por el centro de la parada de apertura. La distancia entre el rayo principal (o una extensión de ella para una imagen virtual) y el eje óptico en una ubicación de imagen define el tamaño de la imagen. Este rayo (o extensiones hacia adelante y hacia atrás para los alumnos de imagen virtual) cruza el eje óptico en las ubicaciones de los alumnos de entrada y salida. Los rayos marginales y principales juntos definen el invariante Lagrange, que caracteriza el rendimiento o etendue del sistema óptico. Algunos autores definen un "rayo principal" para cada uno punto de objeto, y en este caso, el rayo principal que comienza en un punto de borde del objeto puede entonces ser llamado el marginal principal ray.
• A Sagittal ray o radio transversal de un punto objeto fuera del eje es un rayo que se propaga en el plano perpendicular al plano meridional y contiene el rayo principal. Los rayos sagittales intersectan a la pupila a lo largo de una línea que es perpendicular al plano meridional para el punto objeto del rayo y pasa por el eje óptico. Si la dirección del eje se define como z axis, y el plano meridional es el Sí.-z Avión, los rayos sagittales intersectan al alumno en Sí._p= El rayo principal es sagittal y meridional. Todos los otros rayos sagittales son rayas.
• A rayo paraxial es un rayo que hace un ángulo pequeño al eje óptico del sistema, y se encuentra cerca del eje en todo el sistema. Estos rayos se pueden modelar razonablemente bien utilizando la aproximación paraxial. Cuando se discute el rastreo de rayos esta definición se revierte a menudo: un "rayo paraxial" es entonces un rayo que se modela usando la aproximación paraxial, no necesariamente un rayo que permanece cerca del eje.
• A Finite ray o Rayo real es un rayo que se rastrea sin hacer la aproximación paraxial.
• A Parabasal ray es un rayo que se propaga cerca de algún "rayo base" definido en lugar del eje óptico. Esto es más apropiado que el modelo paraxial en sistemas que carecen de simetría sobre el eje óptico. En el modelado de la computadora, los rayos parabásicos son "rayos reales", es decir, rayos que se tratan sin hacer la aproximación paraxial. Los rayos parabásicos sobre el eje óptico se utilizan a veces para calcular las propiedades de primer orden de los sistemas ópticos.

Óptica de fibra

• A ray es un rayo que pasa por el eje de una fibra óptica.
• A Skew ray es un rayo que viaja en una ruta de zig-zag no plana y nunca cruza el eje de una fibra óptica.
• A guía, Rayoso Rayos atrapados es un rayo en una fibra óptica multimodo, que se limita por el núcleo. Para la fibra de índice de paso, la luz que entra en la fibra se guiará si hace un ángulo con el eje de fibra que es menos que el ángulo de aceptación de la fibra.
• A filtrante de rayos o Tunelaje de rayos es un rayo en una fibra óptica que la óptica geométrica predice reflejaría totalmente en el límite entre el núcleo y el revestimiento, pero que sufre pérdida debido al límite del núcleo curvado.

Óptica geométrica

Trazado de rayos