Как создать световой конус с малым углом раствора?

[Eugene567]

Как создать очень тонкий световой конус с малым углом раствора $\approx 1^{\circ}$, который не является лазером?

Допустим у меня есть слой некоторого материала толщиной 1 мм.
Материал практически полностью поглощает видимое излучение.
В слое материала сделано отверстие (тоннель) диаметром $\approx 0.005$ мм
(это все равно больше длин волн видимого света $\approx 380 - 760$ нм).
Внутренняя поверхность тоннеля практически идеальна, то есть никаких шероховатостей.
Я свечу фонариком на отверстие.
Вопрос такой: На выходе из слоя мы получим световой конус с малым углом раствора?
Или все будет рассеиваться? Если все будет рассеиваться, то как сделать световой конус с малым углом раствора?
Поставить в конце тоннеля микроскопическую линзу, которая сделает лучи светового потока практически параллельными?

[DimaM]

Eugene567 в сообщении #1549675 писал(а):

На выходе из слоя мы получим световой конус с малым углом раствора?

Нет. На дырочке размером порядка длины волны будет дифракция в большой угол.

[Eugene567]

DimaM в сообщении #1549676 писал(а):

Eugene567 в сообщении #1549675 писал(а):

На выходе из слоя мы получим световой конус с малым углом раствора?

Нет. На дырочке размером порядка длины волны будет дифракция в большой угол.

Так ведь если длина волны даже максимальная $760$ нм, то
уместится около 6 длин волн в отверстии порядка $0.005$ мм.

[DimaM]

Eugene567 в сообщении #1549678 писал(а):

Так ведь если длина волны даже максимальная $760$ нм, то
уместится около 6 длин волн в отверстии порядка $0.005$ мм.

Да, что-то я на нолик обсчитался.
Но все равно, если отверстие в шесть длин волн, то угол дифракции будет порядка 1/6, то есть градусов 10.

[sergey zhukov]

Eugene567
Можете посмотреть интерактивные физические модели на http://www.falstad.com. Вот, например, дифракция в вашем случае:


Отношение ширины щели к длине волны равно количеству "боковых лучей" с одной стороны от главного максимума. В данном случае - шесть. Угол растра главного максимума (это и можно принять за наш луч) - примерно 16 градусов.

Лазерный луч, кстати, тоже неизбежно расходится. Он не может расходится на угол меньший, чем дифракционный предел, т.е. не бывает лазерных лучей, которые по всей длине имеют один и тот же диаметр пятна. Лазерный пучок лучше вашего фонарика в двух вещах - он монохроматичен и гораздо лучше направлен. Но он подвержен дифракции совершенно таким же образом, как и свет от фонарика.

[Eugene567]

sergey zhukov
Спасибо. А скажите можно ли поставить линзу или еще какую ни будь штуку, что бы хоть немного выпрямить этот пучок?

[sergey zhukov]

Eugene567
Что-нибудь наверное можно сделать. Но тут нужно просто понимать, что очень тонкий не расходящийся луч света (длина волны которого не слишком мала) в принципе невозможен. Вот толстый луч расходится меньше, а тонкий - больше. Что вы вообще хотите сделать?

[Eugene567]

sergey zhukov
Я думаю о физической возможности следующего устройства.
Мы размещаем некие маленькие компоненты внутри контактной линзы.
Эти компоненты каким либо образом генерируют тонкие лучи, которые проходят через глаз и попадают на сетчатку,
формируя на нем изображение. Каждый такой компонент - это что-то вроде пикселя. Вот я и думаю, возможно ли такое устройство?
Я не рассматриваю как эта контактная линза получает энергию, откуда берет информацию, и т.д.
В принципе такое уже есть https://www.mojo.vision/mojo-lens. Но там используется, что-то типа микроскопического проектора.

[Pphantom]

Eugene567 в сообщении #1549686 писал(а):

Вот я и думаю, возможно ли такое устройство?

Похоже, что вам надо бы начать с выяснения того, как устроен человеческий глаз. По-видимому, по итогам исходный вопрос отпадет.

[sergey zhukov]

Eugene567
Человеческий глаз не может, конечно, сфокусироваться на контактной линзе, т.е. настолько близко, чтобы микроэкран оказался в фокусе. Если микроэкран - это просто изотропно излучающие маленькие пиксели, то кроме общей засветки ничего разглядеть будет невозможно. Чтобы на таком экране можно было что-нибудь увидеть, каждый пиксель должнен излучать узконаправлено (по сути, настолько диафрагмированный источник, что его не требуется фокусировать, как в камере-обскура). Кроме того, пиксели нужно расположить так, чтобы они излучали не в одну сторону, а расходящимся пучком лучей. Что-то тут можно сделать, конечно.

Это так представляется, если пиксели - это источники не когерентного излучения. Я думаю, все эти микропиксели на микроэкране можно сделать когерентными источниками, которые будут образовывать нечто вроде фазированной антенной решетки, а формируемое на сетчатке изображение будет интерференционной картиной (или результатом развертки изображения при помощи луча, получаемого от этой фазированной решетки).

Вообще, контактная линза со встроенным экраном, на мой взгляд, вполне возможна.

[Eugene567]

sergey zhukov
Узконаправленный - это и есть с малым углом раствора?

Результат развертки изображения - это растровая развертка, как на мониторе?

"Формируемое на сетчатке изображение будет интерференционной картиной" -
то есть вы имеете в виду формировать изображение полосками, где каждая полоска -
интерференционная картина? То есть - одна полоска попала на колбочки, потом
другая полоска попала на колбочки ниже и т.д. Правильно?
Если я правильно понимаю, то нужно включать/выключать пиксели, ответственные за одну полосу
и интерференционная картина от них будет формировать соответствующую картину интенсивности.
Интуитивно мне кажется можно восстановить по нужной интерференционной картине какие пиксели нужно выключить.
То есть каждый раз нужно вычислять их. Я правильно понимаю?

[sergey zhukov]

Eugene567
Да, с малым углом раствора.

Интерференционная картина - это не только полоски, которые мы привыкли видеть в опыте с дифракционной решеткой. Если вместо простой дифракционной решетки взять пластину со сложной перфорацией (похожую на QR-код), и осветить ее лучом лазера, то вместо полосок можно получить любую нужную картинку. Например, изображение текста (при этом наш QR-код вообще не будет напоминать этот текст). Смотрите принцип построения голографического изображения.

Вместо пластины с дырками, освещенную лазером, можно взять матрицу из пикселей, каждый пиксель которой - излучатель монохроматического света с регулируемой интенсивностью и фазой. Регулируя эти параметры для всех пикселей, можно создать аналог переменной во времени дифракционной решетки и получить движущееся дифракционное изображение. Здесь никакого растра нет, кадр получается параллельно.

Вместо этого можно при помощи такой пиксельной решетки создать луч развертки, который будет рисовать каждый кадр, как в телевизоре. Смотрите, например, что такое фазированная антенная решетка.

Да, "картинка" на матрице совсем не будет похожа на "картинку" на экране. Одно с другим связано через математическое преобразование. Но это не представляет проблемы.

Я не знаю, если честно, созданы ли уже такие оптические матрицы и как на самом деле работает "умная" контактная линза. Это все теоретически можно реализовать, я думаю.

[Eugene567]

sergey zhukov
Спасибо.

[DimaM]

sergey zhukov в сообщении #1549759 писал(а):

Я не знаю, если честно, созданы ли уже такие оптические матрицы и как на самом деле работает "умная" контактная линза. Это все теоретически можно реализовать, я думаю.

Вполне можно обойтись тремя разноцветными лазерами и механической разверткой. Такое устройство уже было сделано, и довольно давно.