Gibt es eine optische Komponente, die das einfallende Licht vereinheitlicht?

Um die Antwort von Carl Witthoft zu ergänzen : Ihr vorgeschlagenes Gerät würde gegen die Erhaltung des optischen Umfangs, auch bekannt als Optical Étendue, verstoßen , es sei denn, es wäre ein aktives Gerät ( dh eines, das eine Arbeitseingabe benötigt, um eine bestimmte Lichtmenge zu "vereinheitlichen").

Das Gesetz, dass die optische Ausdehnung nur durch ein passives optisches System konstant gehalten oder vergrößert werden kann, entspricht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik für Licht, denn die optische Ausdehnung einer Lichtquelle ist ihr Volumen im Phasenraum.

Die optische Ausdehnung$\Sigma$für das von einer Fläche abgestrahlte Licht$S$Ist:

wo wir die Intensität integrieren$I$an jedem Punkt$x\in S$über alle Raumwinkel$\Omega$unter Berücksichtigung des Winkels$\theta$jede Komponente der Strahlung von Punkt$x$macht mit der Einheit der Oberfläche normal. Dann integrieren wir diese Größe über alle Punkte auf der Oberfläche$S$.

Also, die$\Sigma$denn Ihre Ausgabe wäre nichts, während sie für Ihre Eingabe groß wäre, sodass kein passives Bilderzeugungsgerät das tun kann, was Sie verlangen.

Eine andere Möglichkeit, Carls Antwort auszudrücken, wäre also, dass das vorgeschlagene Gerät den in der Wellenfrontrichtung des Eingangslichts an jedem Punkt codierten Zustand "vergessen" müsste. Daher wäre Ihr vorgeschlagenes Gerät, wenn überhaupt möglich, notwendigerweise ein aktives Gerät, das eine Arbeitseingabe von benötigt$k_B\,T\,\log 2$Joule für jedes Bit des Lichtzustands vergessen nach dem Landauer-Prinzip Form des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Ich sage mehr darüber in meiner Antwort hier .

Nein. Nicht, dass Sie "Vereinheitlichung" hier sehr gut definiert hätten, aber es scheint, dass Sie verlangen, dass jeder Strahl von jedem Quellpunkt in eine parallele Richtung gelenkt wird. Abgesehen von Eigenbeugungseffekten, halten Sie einfach inne und denken Sie nach: Wie könnte irgendein Material oder Gerät ein Strahlenbündel aus allen Winkeln an einem bestimmten Punkt auf dem Gerät aufnehmen und sie alle in einem parallelen Bündel emittieren? Dies wäre beispielsweise das Äquivalent eines Spiegels, der jeden einfallenden Strahl unabhängig vom Einfallswinkel in die gleiche Richtung reflektiert.

Jetzt könnte ich wirklich schlecht schummeln und ein Lasermedium vorschlagen, das mit all diesen einfallenden Strahlen gepumpt wird (dh alles absorbiert) und Energie in einem kollimierten Strahl emittiert, aber das ist eindeutig nicht das, worauf Sie hinauswollen - hoffe ich!

Kein verlustfreies optisches System kann ein "helleres" Bild (einer Strahlungsquelle) erzeugen; (strenger höhere "Strahlung" oder höhere "Leuchtdichte" im Fall von photometrischen statt radiometrischen Maßen) als die Quelle. Einen frühen Beweis dafür lieferte der bekannte Thermodynamiker des 19. Jahrhunderts, Rudolph Clausius, basierend auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Wenn ein solches System existierte und die Quelle ein Bereich eines Schwarzkörperstrahlers wäre, würde bei einer bestimmten Temperatur T Kelvin das Bild mit der höheren Strahlungsdichte (Watt pro Steradiant pro Quadratmeter (Quellenbereich)), das auf einen empfangenden Schwarzkörperabsorber angewendet wird, treiben diesen Körper auf eine Gleichgewichtstemperatur von mehr als T Kelvin, und das zweite Gesetz verbietet dies.

Ergo existiert kein solches System.

Da auch verlustfreie optische Systeme reversibel sind, könnte jedes verlustfreie optische System, das ein Bild erzeugt hat, das eine geringere Strahldichte (Luminanz) als die Quelle (weniger "hell") hat, einfach umgekehrt werden; Objekt und Bild, um ein "helleres" Bild zu erhalten. Daher existiert auch kein solches System.

„Helligkeit“ (hässliches Wort) oder Radiance (Luminanz) ist also eine unveränderliche Eigenschaft jeder Strahlungsquelle. In der paraxialen Optik wird dies üblicherweise als "die Lagrange-Invariante" nhu oder NHSinU für nicht-paraxiale Abbildungssysteme bezeichnet; n (N) ist der Brechungsindex des Mediums (relativ zum Vakuum), h (H) ist die Höhe des Quellobjekts oder -bilds und u (sinU) bezieht sich auf den Strahlwinkel.

Die Größe (nhu)^2 oder (NHsinU)^2 oder eine integrale Form davon ist das, was Rod Vance als „Etendue“ bezeichnete, was ein französisches 5-Dollar-Wort für „Durchsatz“ ist.

Obwohl sich einfache Beweise dieses Ausdrucks normalerweise auf "bildgebende" optische Systeme beziehen, gilt die exakt gleiche Einschränkung gleichermaßen für nicht-bildgebende optische Systeme wie CPCs (Compound Parabolic Concentrators), die manchmal bei der Konzentration von Sonnenenergie verwendet werden.

Obwohl sie oft auf Quellen und ihre Bilder angewendet wird, gilt die Etendue-Invarianz auch überall im Strahlungsausbreitungsweg gleichermaßen. Sie können leuchtende Flächen gegen leuchtende Raumwinkel austauschen, aber ihr Produkt ist festgelegt.

Obwohl sich der Strahlungsfluss von beispielsweise der Sonne über eine große Fläche auf der Erde ausbreitet (Oberflächenbestrahlungsstärke in Watt pro Quadratmeter), erzeugt das menschliche Auge bei Wahrnehmung durch das menschliche Auge ein Bild auf der Netzhaut, das so "hell" ist ( Leuchtdichte oder Strahldichte) als die Oberfläche der Sonne, weniger Verluste im Auge. Deshalb sollte man nicht in die Sonne schauen.

Professor Roland Winston, früher an der University of Chicago und am Argonne National Laboratory, jetzt aber an der University of California Merced, und Kollegen, stellten einen nicht abbildenden Festkörper (YAG) CPC-Konzentrator her, der einen Punkt fünfmal "heller" als die Sonne lieferte. aber dieser Fleck befand sich innerhalb des YAG-Mediums mit einem Index von etwa 2,7, und wegen TIR gibt es keine Möglichkeit, ihn aus dem Kristall herauszubekommen. (Totalreflexion). Das zweite Gesetz wird nicht verletzt.

Eine strenge Behandlung von Etendue-Ideen findet der Student in Born & Wolfe und anderen Standardtexten.

Das Wort „Helligkeit“ ist keine SI-Menge oder Maß; man kann es nicht nummerieren.

Wenn es von Physikern beiläufig verwendet wird (wir sollten es besser wissen), bezieht es sich ausnahmslos auf die radiometrische Größe „Strahlung“, gemessen in Watt pro Steradiant pro Quadratmeter, oder auf die photometrische Größe „Leuchtdichte“, gemessen in Lumen pro Steradiant pro Quadratmeter, das heißt eine psychophysische Reaktion des menschlichen Auges auf Strahlungsenergie in der "sichtbaren" Oktave von 400-800 nm. Auch Personen, die mit Elektronen- oder Ionenquellen zu tun haben, wie Glühkathoden oder Feldemissionsquellen, die in Plasmadisplays verwendet werden, oder in Teilchenbeschleunigerphysikern verwenden "Helligkeit" als umgangssprachlichen Ausdruck für die Elektronen oder Ionen pro Steradiant pro Quadratmeter ihrer Quellen , oder sogar Coulomb (oder Ampere) pro Steradiant, pro Quadratmeter.

Wir alle wissen, was wir meinen; aber wir sollten strenger sein und die richtige Terminologie verwenden, wenn wir es mit Studenten oder dem Laienpublikum zu tun haben, denen in der Shakespeare-Poesie normalerweise "Helligkeit" begegnet. Helligkeit wird niemals als Alternative zur Strahlungs- oder Lichtstärke (Watt oder Lumen pro Steradiant) oder für die Oberflächenbestrahlungsstärke oder Beleuchtungsstärke (Watt oder Lumen pro Quadratmeter) oder für die Strahlungs- oder Lichtemission verwendet, die ebenfalls in Watt oder Lumen pro Quadratmeter gemessen wird für eine Quelle.

Die Intensität ist für eine Punktquelle streng definiert, daher Watt oder Lumen pro Steradiant, ohne Bezug auf die Größe. Die Intensität (strahlend oder leuchtend) ändert sich also NICHT mit der Entfernung von der Quelle. Echte Quellen haben jedoch eine endliche Fläche oder einen begrenzten Durchmesser, so dass die Intensitätsmessung so nahe an der Quelle zu einem Problem wird. Solange wir in einer Entfernung von mindestens dem Zehnfachen des Quellendurchmessers beobachten oder messen, erhalten wir Ergebnisse mit geringem Fehler. Tatsächlich etwa 1/2 % bei zehnfachem Quellendurchmesser.

Ein weiterer Ärgernis ist, dass einige denken, dass Laser nicht dem Gesetz des umgekehrten Quadrats für die Wellenfrontbestrahlung in der Ferne folgen. Sie tun dies, solange Sie sich für den TEM00-Grundmodus um das Mehrfache der Entfernung des Raleigh-Bereichs von der Strahltaille befinden.