Матрична оптика - оптичні матриці, контент-платформа

Матрична оптика-оптичні матриці

У матричної оптики будь-яка осесиметрична система описується 2 × 2 матрицею

яка називається оптіческойматріцей системи. Нехай світловий промінь на вході в систему задається своєю висотою і кутом нахилу (все це відносно осі системи), т. Е характеризується двовимірним вектором

Тоді після проходження через систему висота і кут нахилу будуть

Оптична матриця системи є послідовним твором елементарних оптичних матриць - матриць переміщення. заломлення. відображення.

Матриця переміщення. Для отримання матриці переміщення розглянемо світловий промінь, що входить в систему на висоті з кутом нахилу і вільно поширюється вправо на відстань.

Мал. 1. Висота світлового променя на вході, на виході

, кут не змінюється

Тоді на виході з системи його висота буде. З огляду на умову параксіальної, зокрема трохи кута, можна замінити тангенс цього кута на сам кут і отримати

З огляду на, що промінь поширюється у вільному просторі, маємо також

Останні два співвідношення можна записати в матричному вигляді

Отже, переміщення світлового променя у вільному просторі на відстань описується матрицею

яка і називається матрицею переміщення.

Матриця відображення. Переходимо до відображення. Нехай світловий промінь відбивається від сферичного дзеркала радіусу. При цьому відображення відбувається на висоті і до відображення промінь має кут нахилу. Ми використовуємо два підходи для виведення матриці відображення. Перший з них геометричний, як для матриці переміщення, другий використовує парксіальную або гауссову оптику.

Перший - геометричний висновок. Очевидно, що безпосередньо при відображенні висота променя не зміниться, т. Е.

а ось кут нахилу зміниться, і яким чином, ми зараз підрахуємо.

Мал. 2. При відображенні висота світлового променя не змінюється,

кут падіння і кут відображення рівні

Так як дзеркало сферичне, нормаль до нього збігається з радіусом. Кут між світловим променем і радіусом - кут падіння, позначимо, кут відображення теж буде. Тому кут нахилу відбитого променя буде, а з урахуванням того, що після відображення промінь рухатиметься в протилежному напрямку і ми повинні будемо змінити позитивний напрямок осі, насправді буде

Прямокутний трикутник на малюнку 2 дає нам або, враховуючи трохи кутів, просто, тому

Записавши це у матричному вигляді, отримуємо

Отже, відображення світлового променя від дзеркала радіусу описується матрицею

яка називається матрицею відображення.

Додамо, що для променя, що рухається в зворотному напрямку, матриці переміщення і відображення мають той же самий вид.

Другий висновок - використовуємо гауссову оптику. Скористаємося тим фактом, що в області параксіальної оптики промінь, що йде паралельно осі дзеркала, т. Е. Промінь


після відображення потрапляє у фокус сферичного дзеркала, розташований на відстані від його вершини

Мал. 3 Параксіальний промінь, що йде паралельно осі дзеркала, після відображення

потрапляє у фокус, розташований на відстані від вершини

Звичайно ж, безпосередньо після відображення висота променя теж буде дорівнює, а як показує малюнок, кут нахилу променя буде, т. Е. Відбитий промінь, характеризується вектором

І це означає, що

З рівності перших координат лівого і правого векторів випливає, що, з рівності друге координат слід, що.

Тепер звернемо напрямок щойно розглянутого променя. Тоді промінь до відображення буде задаватися вектором

а після відображення

І це означає, що

Знову прирівняємо перші координати, тоді з того, що, випливає, що. А з рівності друге координат слід, що. Разом з це дає, що. Отже, всі елементи матриці відображення знайдені, і ми знову маємо

Матриця тонкої лінзи. Тепер, як тільки що ми зробили, за допомогою гауссових оптики знайдемо матрицю заломлення для тонкої лінзи з фокусною відстанню. Запустимо два світлових променя.

Мал. 4 Перший промінь йде паралельно осі і після проходження через лінзу потрапляє в

фокус, другий промінь входить в лінзу на нульовий висоті і не змінює свого напрямку

Перший з них йде паралельно осі на висоті, т. Е. Характеризується вектором

Після проходження через лінзу він потрапляє у фокус, т. Е. Безпосередньо на лінзі він задається вектором

Т. к. Ці два вектори пов'язані співвідношенням (матрицю тонкої лінзи, як і матрицю відображення, позначають тією ж буквою)

звідси відразу отримуємо,.

Другому променю і до і після відображення відповідає вектор

І це означає, що

а це означає і. Отже, матриця тонкої лінзи має вигляд

І матрицю відображення, і матрицю заломлення можна записати у вигляді

де - оптична сила відповідного пристрою.

Тут викладена лише скорочена версія підстав матричної оптики.

Схожі статті