一文带你入门现代光学工程设计

标签:光学
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现代光学的范围博大精深,非本专业的往往认为光学就是研究人眼可见波长范围内的内容,其实在可见光光谱两侧的光波也被人们广泛使用,所以别再认为光学工程师就是研究七个颜色的了。众所周知,电磁波的波谱范围涵盖了整个宇宙,从宇宙射线到无线电波,所有的电磁辐射都会传递能量,既然能传递能量也就能传输信息,所以我们目力所及的一切都是不同波长的光在空间中吸收反射所呈现出来的。

 

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光线到底是什么

先说结论:对于光学人来讲,光线是一种假设,因为光是一种波(严格意义上讲,光是具有波粒二向性,在短波频谱区,光倾向于粒子性,更偏向于理论物理,在此不再赘述)。以点光源为例,在均匀介质中任一时刻光波的波前形状都是球面,随着光波的传输,其曲率(半径的倒数)在减小,但是波前上一个点的传播路径称为光线。

 

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并且光在真空中与某种介质中传播速度之比为该介质对于某种光波的折射率:

折射率n= 真空中速度/介质中速度=真空中波长/介质中波长

值得注意的是,光在各种介质中并不会改变其作为电磁波的频率,举例来说,我们用绿色光束斜着射入水中,可以观察到绿光一部分折射入水,但是并没有变色,但是发生了折射,光在水中的速度变慢了。而我们普通空气的折射率为1.000277,几乎所有的光学元件都会在大气环境下工作,所以我们引出一个新的概念,讲某种材料的折射率表示为相对于大气的(不是真空)相对折射率,那么大气的折射率1.000277就可以认为为1.0。因为到了小数点后四位,所以为了方便起见,工程上可以近似认为,光在大气介质中的折射率为1。

也就是说,光线是一种波,沿着波传播方向和波前垂直方向的点所连成的线称之为光线。

 

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干涉和衍射

童年时打过水漂的人都知道,在水面上扔一块石头,会产生一系列的同心波,并且由内而外的扩散开来,要是刚好在间隔一定距离由两个波源发出的波相遇,有些地方的波增强,有些地方的波减弱,甚至没有了波纹。这是由于波峰和波谷的叠加所导致,光波也是如此。一般来说,光波干涉是由同一光源发出的光沿着两个不同的光路传播最后汇合时所发生的奇妙现象。

不得不说,光学还是有很多先贤为我们探索前进的,而提到干涉和衍射就不得不说一个十分巧妙的实验----杨氏实验。根据惠更斯原理,波前上每个点都可以看作是新球面子波的光源,每个子波的包络面是该波的新的位置。当小孔或者狭缝足够小时,S就可看作是新的点光源,由S衍射后的光波传播到双狭缝A、B处,在两处形成新的波前,可以认为AB是两个相同频率的的点光源。

在远处屏幕上P点,如果A处发出的波和B处发出波同时到达,则P点光波会增强,P点为亮点,如果P点于AB两点的距离,AP和BP使得A、B点光波到达错开一个相位,则会发生相消干涉,则P点为暗点。

 

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这个实验巧妙就巧妙在,我们很难单独获得A和B两个相同的光源,即便能够获取一模一样的光源,也很难很难获得稳定的相干光,因为光的波前相位几乎不会一样,这样不会产生固定位置的稳定干涉。所以,杨氏衍射实验就巧妙的把一个光源发出的光一分为二,然后再用两个狭缝分出两个波源点。

当照明光源是包含所有波长的白光时,在屏幕上每个波长的光都会发生衍射,并形成自己颜色的亮暗带,并具有自己特定的间隔,彼此叠加最终会得到所有波长照射后的图案,呈现白色。随着光程差的增大,从轴心由内而外逐渐是红色、蓝色、绿色、橙色、红色、紫色、绿色和紫色。

 

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牛顿环

在照明光路或者Lens设计时,会有很多材料贴在一起情况,而紧靠在一起的表面所反射光的干涉就会产生牛顿环,用一个凸透镜紧贴一个平面素玻时,在日光下或用白光照射时,可以看到接触点为一暗点,其周围为一些明暗相间的彩色圆环;而用单色光照射时,则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等,随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上透射和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。

 

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在上图中上下两个玻璃接触面所反射的光程差自中心点而外逐渐增大,接触点为零所以中心处为一暗点,在往外会有不均匀的明暗相间条纹。

基本上了解了上述的几个实验和光线的定义,可以说了解了光学设计的入门基础知识,在工程光学设计上很多时候都是光的波动性,并且还会有直线的光线和光程等重重概念,但是万变不离其宗,光学设计的核心就是数学,通过对于材料,波长频率的计算来设计出想要的光学器件。

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