Ray tracing in concentric gradient-index media: optical Binet equation

同心的 光线追踪(物理) 近轴近似 几何光学 光学 镜头(地质) 物理 折射率 Eikonal方程 领域(数学) 经典力学 数学 几何学 量子力学 梁(结构) 纯数学
作者
Wanguo Liu
出处
期刊:Journal of the Optical Society of America [The Optical Society]
卷期号:39 (6): 1025-1025 被引量:7
标识
DOI:10.1364/josaa.456203
摘要

The Binet equation in mechanics describes the orbital geometry of a moving particle under a central force field. In this paper, as its counterpart in optics, we show this formula can be similarly utilized in ray tracing of a gradient-index (GRIN) medium with a concentric field. As an inference of Fermat’s principle, this generalization is called the optical Binet equation (OBE). A remarkable advantage of OBE is that it can not only determine the ray trace or concentric GRIN field once one of them is given, but also derive the propagation time inside the medium. As examples, we apply OBE to rays passing through a Maxwell fish-eye lens, Luneburg lens, Eaton lens, concentrator, and hyperbolic deflector, the time delay of which can be calculated once the GRIN field or ray trace equation is solved. The results are well matched with simulations, proving it to be an effective tool in solving problems of the concentric GRIN field.

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