光學

**光學**（粵拼：）係物理學其中一個最重要嘅領域，專研究光嘅性質同相關嘅自然現象，例子有反射、折射、干涉同埋繞射呀噉。呢度講嘅**光**，包括可見光、紅外線同紫外光。

光學可以分做兩大門：
*幾何光學會用到幾何學上嘅概念，分析光點樣喺空間當中行進；幾何光學會將光當成射線噉嚟睇，即係將光當成係以完美直線嘅軌道前進嘅數學物體，靠噉嚟分析反射同埋折射等嘅現象，並且再研究呢啲現象會點樣解釋到喺鏡等嘅架生上面出現嘅影像；例如好出名嘅折射定律就可以用類似以下噉嘅方程式嚟總括，表述 \theta_1 同 \theta_2（簡單講就係光射線條軌跡成嘅某啲角度）間有乜嘢啦掕 ——
*:n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\ 
*物理光學就主要研究光呢樣嘢本身嘅性質，例子可以睇吓光子等嘅概念；物理光學亦都會研究幾何光學嗰種「將光睇成射線」嘅分析方法搞唔掂嘅現象，好似係干涉同繞射呀噉。
响廿一世紀初，光學知識有廣泛嘅應用價值：例如係影相噉，要理解相機嘅運作原理，就實要分析光點樣由環境射入部相機嘅鏡頭裏面；又例如係視光學噉，視光學專處理近視呢啲同視覺有關嘅健康問題，當中眼鏡就係用咗透鏡嘅相關原理幫戴嘅人達到「睇嘢睇得清楚啲」嘅效果；而大氣光學就研究大氣層入面發生嘅光相關現象，以及呢啲現象會對個天嘅狀態有咩影響。呢啲咁多個唔同範疇嘅研究都必需要用光學，令到光學知識成為咗好多工作者做嘢必備嘅專業知識之一。
## 基本定位

光學係物理學嘅一門，專研究光。齋靠肉眼嘅觀察就經已可知，光主宰咗人睇唔睇到嘢－當周圍好光，人能夠清楚噉睇到周圍嘅嘢，而响黑暗（指冇光嘅環境）嘅環境下人會睇唔到嘢或者睇得冇咁清楚－事實係喺早期嘅光學研究（人類仲未有波動嘅概念）裏面，有部份嘅研究者會就噉將光定義做「令人睇到嘢嘅嘢」。


响現代嘅物理學上，光嘅定義係「一類波長喺特定間距（大約 380 至 700 nm）內嘅電磁波」：由中世紀以嚟嘅光學研究可知，光有好多特性係物質冇嘅－包括係曉折射同繞射呀噉－呢點同聲或者水表面上嘅波浪一樣，於是物理學界有咗「波動」嘅概念模型（可以睇吓 19 世紀初嘅雙縫實驗）；有咗呢樣知識，物理學家就可以郁手以波動嘅角度嚟研究光。

## 幾何光學

幾何光學係光學下嘅一套理論框架，建基於對光作出好似幾何學噉嘅分析。喺幾何光學裏面，光可以抽象化噉當做射線噉嘅數學物體，並且有以下嘅特性：
*喺一隻單一嘅介質裏面會以直線嘅軌道前進；
*喺兩隻唔同嘅介質嘅介面之間會轉彎，甚至分叉做兩條；
*可以被吸收或者反射；
... 呀噉。幾何光學係好早期嘅光學研究框架－早喺公元 984 年嗰時經已有中東嘅學者喺度講反射定律嘅嘢。
### 反射

反射係指波動（包括光）嘅波陣面喺兩隻唔同介質之間嘅位改變方向，並去返返去原本嗰隻介質裏面。舉個例說明，想像家陣有條光線由 \text{P} 點通過空氣（介質 1）前進，跟住射落去一塊鏡嘅表面（塊鏡表面嘅玻璃係介質 2），當條光線去到空氣同玻璃之間嘅位（\text{O}）嗰時，條光線嘅一部份會變方向射返過去空氣（介質 1）嗰邊，射向 \text{Q} 嘅方向；而當由一件物體射過嚟嘅光喺塊鏡嘅表面反射並且進入觀察者對眼嗰度嘅時候，觀察者就會睇到鏡所反射嘅鏡像。

光嘅反射會遵從反射定律：根據反射定律，當一條光射落去一塊表面嗰度嗰陣，反射嘅光同入射嘅光會成特定嘅角度；想像一條光線 \text{P} 通過空氣射落去一塊鏡嗰度，射中塊鏡上面嘅點 \text{O}；反射定律講嘅係，反射嘅光線 \text{Q} 同條法線會成角度 \theta_r，而且 
:\theta_r = \theta_i
當中 \theta_i 係 \text{P} 同法線成嘅角度；簡單講，即係「反射角等於入射角」。反射呢種光學現象，可見於好多種自然現象，包括係鏡照到面對住嘅影像、水入便出現倒影、或者係好多種金屬同寶石望落閃呤呤... 等等。

鏡反射講緊光線打落去一啲光滑、有光澤嘅表面（例如鏡）嗰時，光線會根據入射角等於反射角嘅原則，整齊一致噉反射返出去。由於反射方向好易預測，所以產生到清晰嘅倒影，甚至可以根據呢樣資訊喺空間中對應返真實物體（實像）或者想像出嚟嘅位置（虛像）。

相比之下，漫反射就係發生喺啲唔光滑、冇光澤嘅表面嗰度，例如紙張、石頭呀噉。光線打落去之後，由於表面嘅微觀結構唔平滑，啲光會四圍亂反射，方向分佈得好複雜，只能用統計方法去描述。好多漫反射面都可以大致上用朗伯餘弦定律去模擬，無論由邊個角度去睇，光度都好似差唔多。

### 折射

折射係指光由一種介質傳遞到另一種介質（例如由水傳遞入空氣）嗰陣，因為介質密度唔同而出現彎曲。折射之所以會發生，係源於光喺唔同介質裡便會以唔同嘅速度前進。當一束光以一定嘅角度射入密度比較大嘅介質嗰時，佢會減慢速度並且向住法線嗰邊彎曲。而相反，當佢進入密度比較低嘅介質嗰時，佢會加速而且偏離法線噉彎曲。束光折射嗰時彎曲得有幾勁，視乎兩種介質之間嘅折射率。



折射定律呢條物理定律，描述光由一種介質傳遞去另一種嗰時會點樣彎曲。用日常用語講，折射定律講嘅係，入射角（入射嗰束光同介質表面法線之間成嘅角度）同埋折射角（折射咗嘅光同法線之間成嘅角度）嘅正弦比例等於兩種介質嘅折射率之比。數學化啲講，條定律係噉表示嘅（上圖係圖解）：
:\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} =\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1}
當中 \sin 係正弦。條式掉吓就可以變成：
:n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\ 
想像一束光通過三稜鏡，三稜鏡同空氣嘅折射率唔同，光線會跟住三稜鏡嘅形狀同方向偏轉。喺多數材料當中，唔同頻率嘅光（即係唔同色嘅可見光）折射率都唔同，於是束光就分開做唔同色嘅光線，形成所謂嘅色散現象。呢種現象據講係由艾碩·牛頓發現嘅。

喺某啲介質當中，介質嘅密度會慢慢噉變化，令到光線嘅行進軌道變咗曲嘅噉。例如喺炎熱嘅天氣當中（想像烈日下嘅撒哈拉沙漠），唔同高度嘅空氣密度明顯有異，從而令到光線變成以曲線前進，形成海市蜃樓嘅現象。

### 透鏡

折射可以帶出透鏡嘅概念。透鏡係光學上嘅重要基礎概念：想像而家有束光喺空氣入便前進，行行吓射咗入去一塊用玻璃造嘅透鏡嗰度，塊透鏡係透明嘅，容許光通過。不過玻璃同空氣係兩種好唔同嘅介質，所以光通過透鏡嘅途中會因為折射而出現彎曲嘅情況；透鏡可以分做凹透鏡同凸透鏡兩大種，前者中間薄邊緣厚（由側邊望落好似凹咗入去噉）而後者中間厚邊緣薄（由側邊望落好似凸咗出嚟噉）——好似下圖嘅圖解噉：

凹透鏡嘅中心薄過邊緣。當平行嘅光線穿過一塊凹透鏡嗰陣，佢哋會「散開」彼此遠離——凹透鏡因此又有個名叫發散透鏡。由凹透鏡嘅其中一邊睇，嚟自透鏡另外嗰邊嘅影像望落會細過實物，而且彷彿好似係由某焦點發射出嚟嘅噉，當中個焦點同發射光源喺同一邊。由於光線散開咗，凹透鏡唔會做到將啲光線嘅影像投影喺一塊屏幕上便。喺視光學上，凹透鏡可以令光線去到對眼之前散開，令到影像更加清晰，因此可以用嚟矯正近視嘅問題。

凸透鏡，又叫會聚透鏡，中心厚過邊緣厚。當平行嘅光線穿過一塊凸透鏡嗰陣，佢哋會「會聚」彼此靠近，佢哋聚埋一齊嗰點就係焦點。凸透鏡可以產生虛影像——由凸透鏡其中一邊望，望住由凸透鏡另外嗰一邊通過透鏡而嚟嘅光線，就可以見到虛影像。同時因為凸透鏡令到光線「聚埋一齊」，通過咗凸透鏡嘅光線有可能喺凸透鏡嘅呢一邊產生實嘅影像，並且投影落一塊屏幕度：如果屏幕同凸透鏡嘅距離超過焦距，屏幕就會產生上下掉轉咗嘅實影像。

## 物理光學

物理光學將光當係一種波動現象噉嚟研究。分析干涉、繞射同偏振等嘅現象嗰陣，物理學家都會將光想像成一種波動，提及光嘅頻率同波長等嘅特性，以及係呢啲特性可以點樣解釋光線點樣彼此重疊，仲有係佢哋點圍繞障礙物彎曲。噉即係話，物理光學唔似得幾何光學噉——幾何光學將光當正係射線噉嚟睇，講到光好似係一種幾何物體噉。

喺現代光學上，光係一種電磁波，波長處於 400 至 700 納米之間，一束可見光嘅顏色取決於佢嘅波長，波長愈長嘅光，就愈偏向紅色，而波長愈短嘅光，就愈偏向紫色。光嘅行進速度快得好交關，喺真空裡便光速（物理學上通常簡寫做 c）約莫係每秒 299,792,458 米咁快，相比之下空氣中嘅音速得嗰每秒 343 米左右。

### 干涉

想像而家有兩束光（波動一種）同一種介質當中傳播，兩束光發生重疊，喺重疊範圍內嘅介質粒子同時受到兩股波嘅作用。波動係一種有週期、重複上上落落噉嘅振動，攞一粒粒子嚟睇，佢離平衡點嘅位移會等如個別波動造成嘅位移加埋一齊（疊加原理）。若果喺嗰一點兩股波咁啱都係達到最高點（相位一致），兩波喺該點同相，佢哋加埋嘅數值就會去到最高，形成所謂嘅建設型干涉；若果喺嗰一點兩股波咁啱一個去到最高點另一個去到最低點，兩波喺該點反相，佢哋加埋會係 0，形成所謂嘅破壞型干涉。呢種思考法喺任何波動嗰度都適用，而如果考慮緊嗰股波動係光，一點嘅振幅就會由嗰一點「有幾光」嚟反映。

圖像化噉諗，可以睇吓下圖：

上圖係干涉嘅 gif 動畫圖解：兩條幼嘅線係個別波動，呢兩股波一股向右行進，另一股向左行進，又粗又黑嗰條線反映佢哋嘅「整體振動」——粗黑線每一點嘅高度，係兩股波嘅個別位移加埋一齊。

### 繞射

繞射係指波動（包括光）遇到障礙物嗰時偏離原來直線軌跡。喺古典物理學入面，波動穿過狹窄嘅罅或者窿仔之類嘅障礙物嗰陣，會發生唔同程度嘅彎轉。假設將一嚿障礙物放喺光源同觀察屏之間，就會見到觀察屏上面有光亮區域同陰暗區域，啲區域嘅邊界唔銳利，係一種明暗相間嘅複雜圖樣。如果採用好似雙罅實驗噉嘅佈置（下圖），一束光通過兩條狹窄嘅罅，兩條罅出嘅光會各自出現繞射，佢哋之間仲會彼此干涉。


繞射效應喺日常生活裏便唔罕見。好多光繞射嘅實例都可以用肉眼觀察到。例如喺 CD 或 DVD 光碟嘅表面，會有均勻噉緊密排列嘅光軌，呢啲光軌相當於繞射光柵嘅作用。如果以一定嘅角度睇，會見到光喺光碟表面表現出類似彩虹嘅彩色圖案。

### 偏振

偏振係講緊光波向咩方向振蕩——上下噉振定係左右噉振。喺正常情況下，一股光波會帶有多個平面嘅振動；但係某啲物質有能力令到一股光波極化。當一股光波極化嗰陣，佢會變成淨係喺某啲平面上有振蕩，例如一股光波本來帶有上下振蕩又有左右振蕩，經過咗極化就可能會變成得返上下嗰股振蕩。

偏振可以由反射、折射或者某啲材料引起，例如偏光鏡，嚟令光線發生極化。當光線喺非金屬（例如水或者玻璃）嘅表面反射，佢哋好多時都會極化。要觀察偏振，觀察者可以攞住塊偏光鏡（例如太陽眼鏡或者相機鏡頭入面嘅濾鏡，透過塊材料嚟望由非金屬表面反射過嚟嘅光，然後就要慢慢旋轉塊偏光鏡，觀察者一路旋轉，會發現光線嘅強度慢慢噉變。當偏光鏡嘅同反射光嘅偏振方向對齊嗰陣，光線會顯得比較暗。當垂直嘅時候，光線睇落會更加光亮。


## 物理領域

物理學對光嘅研究，包括以下呢啲領域：
*幾何同物理光學
*大氣光學
*光物理學
*光學工程

## 第啲領域
非物理學嘅領域，亦有機會研究光：
*視覺科學
*視光學
*電腦圖像
*影相

## 睇埋
*照明
*視覺
*色彩
*相機

## 註釋

## 參考
啲重點詞彙嘅外語版：

引用咗嘅文獻同網頁：

來源文獻：

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## 拎

* 光學，不列顛百科全書
* 光與物質，一本開源嘅教科書