光束追蹤（Ray tracing）

光束追蹤（Ray tracing）
臺中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

所謂光束追蹤就是指利用模擬光束由物體出發，經過光學儀器，最後成像的一種方法。藉由光束追蹤法，我們可以把複雜的成像簡單化，利用簡單的幾條光束就可以得到近似的成像結果。或者在實驗以前，先用光束追蹤法先行模擬，以便調整光學儀器的參數，可以減少嘗試錯誤的時間與精神，達到節省人力的目地。因此目前的光學實驗中，也有人藉由光束追蹤法來達成電腦輔助設計(Computer Aided Design，簡稱為CAD)的目地，因此市面上出現應用光束追蹤法，使用相當方便的商用軟體，在設計發光二極體(LED)燈具、光學元件研發與設計…等相關領域，都有極廣泛的應用。

在光束追蹤法裡，有一項不變的原則，就是光的可逆性，亦即:當入射光線改成原射出光線時，則射出光線會變成原入射光線。因此，如果我們可以看到對方，則對方也一定可以看到我們。藉由光的可逆性，可以使光束追蹤法減少一半的時間，例如:當我們想知道物體在凸透鏡前的成像性質，我們可以利用兩條光線來完成:光線通過焦點必平行主軸、光線平行主軸必通過焦點。

在面鏡與薄透鏡成像中，有四條主要的光線是光束追蹤法最常被應用到的:

第一條光線是通過焦點必定平行主軸。
第二條光線是平行主軸會通過焦點(或延長線通過虛焦點)。
第三條光線，對透鏡而言是通過鏡心，直線前進。對面鏡而言是通過鏡心，等角返回。
第四條光線較常應用於面鏡，是通過曲率中心(球心)，原線返回。

通常在成像中，不必用到全部的光線，最少使用兩條光線即可做成。

由第一條光線也可得到結論:當物體在焦點，則成像在無窮遠，此時也可以稱為無法成像。由第二條光線也可得到結論:當物體在無窮遠，則成像在焦點，利用這項原理，可以定義出焦點的位置所在。利用第四條光線，我們可以推論出:球心位置(或稱為曲率中心位置)就在兩倍焦距的地方。以上四條光線，都是根據反射定律與折射定律所推論出來的。

參考資料: http://en.wikipedia.org/wiki/Ray_tracing_%28physics%29