光学：修订间差异

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=== 几何光学 ===
=== 几何光学 ===
[[File:Light dispersion conceptual.gif|缩略图|右|光线在三棱镜中色散的想像图]]
[[File:Light dispersion conceptual.gif|缩略图|右|光线在三棱镜中色散的想像图]]
[[几何光学]]，又称射线光学，描述了[[光]]的[[波的传播|传播]]。在几何光学中，光被称作是 "[[射线]]"（光线）。光线会在两种不同介质的界面改变传播方向，并有可能在[[折射率]]随位置变化的介质中发生曲线弯折的现象。几何光学中的“光线”是抽象的物体，它的前进方向垂直于光波的[[波前]]。几何光学给出了光线通过光学系统的传播规律，以此可以预测其实际波前的位置。[[费马原理]]是几何光学的基本定理：光传播的路径是光以最短时间通过的路径<ref>Arthur Schuster ''An Introduction to the Theory of Optics'', London: Edward Arnold, 1904 [http://books.google.com/books?vid=OCLC03146755&id=X0AcBd-bcCwC&pg=PA41&lpg=PA41&dq=fermat%27s-principle online] .</ref>，由此可以推导出许多几何光学的定律。考慮一个由[[透镜]]、[[反射镜]]及[[棱镜]]组合而成的光学系统，用几何光学可以说明其中的[[光的反射定律|反射]]、[[折射]]等现象，需要注意的是，几何光学简化了光学理论，因此它无法解释很多重要的光学效应，例如：[[绕射]]、[[偏振]]等。
[[几何光学]]，又称射线光学，描述了[[光]]的[[波的传播|传播]]。在几何光学中，光被称作是 "[[射线]]"（光线）。光线会在两种不同介质的界面改变传播方向，并有可能在[[折射率]]随位置变化的介质中发生曲线弯折的现象。几何光学中的“光线”是抽象的物体，它的前进方向垂直于光波的[[波前]]。几何光学给出了光线通过光学系统的传播规律，以此可以预测其实际波前的位置。[[费马原理]]是几何光学的基本定理：光传播的路径是光以最短时间通过的路径<ref>Arthur Schuster ''An Introduction to the Theory of Optics'', London: Edward Arnold, 1904 online .</ref>，由此可以推导出许多几何光学的定律。考慮一个由[[透镜]]、[[反射镜]]及[[棱镜]]组合而成的光学系统，用几何光学可以说明其中的[[光的反射定律|反射]]、[[折射]]等现象，需要注意的是，几何光学简化了光学理论，因此它无法解释很多重要的光学效应，例如：[[绕射]]、[[偏振]]等。


通过[[近轴近似]]（也称为小角近似），可以对几何光学做进一步简化，并对应于数学描述上的线性化。在近轴近似条件下，光学元件和系统可以通过简单的矩阵来表示。[[高斯光学]]以及近轴{{le|光线跟踪 (物理)|ray tracing (physics)|光线跟踪}}都是以近轴近似的基础进行发展，可以确定光学系统的一阶特性，例如找出成像位置、物体位置以及[[放大倍率]]的近似值等<ref name="Greivenkamp">{{Cite book | isbn = 0-8194-5294-7 | title = Field Guide to Geometrical Optics | last1 = Greivenkamp | first1 = John E. | year = 2004 | publisher = SPIE | series = SPIE Field Guides | volume = 1 | pages = 19–20 }}</ref>。[[高斯光束|高斯光束传播]]是近轴光学的扩展，它可以更为精确地描述相干传播（如[[激光]]光束）。即使仍然使用近轴近似，这一技术可以部分描述衍射，能够精确计算激光束随距离传播的速率以及其最小的汇聚尺寸。高斯光束传播理论因此可以沟通几何光学与物理光学。
通过[[近轴近似]]（也称为小角近似），可以对几何光学做进一步简化，并对应于数学描述上的线性化。在近轴近似条件下，光学元件和系统可以通过简单的矩阵来表示。[[高斯光学]]以及近轴{{le|光线跟踪 (物理)|ray tracing (physics)|光线跟踪}}都是以近轴近似的基础进行发展，可以确定光学系统的一阶特性，例如找出成像位置、物体位置以及[[放大倍率]]的近似值等<ref name="Greivenkamp">{{Cite book | isbn = 0-8194-5294-7 | title = Field Guide to Geometrical Optics | last1 = Greivenkamp | first1 = John E. | year = 2004 | publisher = SPIE | series = SPIE Field Guides | volume = 1 | pages = 19–20 }}</ref>。[[高斯光束|高斯光束传播]]是近轴光学的扩展，它可以更为精确地描述相干传播（如[[激光]]光束）。即使仍然使用近轴近似，这一技术可以部分描述衍射，能够精确计算激光束随距离传播的速率以及其最小的汇聚尺寸。高斯光束传播理论因此可以沟通几何光学与物理光学。


=== 物理光学 ===
=== 物理光学 ===
[[物理光学]]，或称波动光学，建立在[[惠更斯原理]]之上，可以建立复波前（包括[[振幅]]与[[相位]]）通过光学系统的模型。这一技术能够利用计算机数值仿真模拟或计算[[衍射]]、[[干涉 (物理学)|干涉]]、[[散射]]、[[偏振]]特性、[[像差]]等各种复杂光学现象。[[物理光学]]名称中的“物理”表示它比几何光学更接近物理原理，但仍然只是物理理论的近似而已<ref name="Ufimtsev2007">{{cite book|author=Pyotr Ya. Ufimtsev|title=Fundamentals of the Physical Theory of Diffraction|date=9 February 2007|publisher=John Wiley & Sons|isbn=978-0-470-10900-7}}</ref>{{rp|11-13}}。由于仍然有所近似，因此物理光学不能像电磁波理论模型那样能够全面描述光传播。对于大多数实际问题来说，完整[[电磁波]]理论模型计算量太大，在现在的一般计算机硬件条件下并不十分实用，但小尺度的问题可以使用完整波动模型进行计算。
[[物理光学]]，或称波动光学，建立在[[惠更斯原理]]之上，可以建立复波前（包括[[振幅]]与[[相位]]）通过光学系统的模型。这一技术能够利用计算机数值仿真模拟或计算[[衍射]]、[[干涉 (物理学)|干涉]]、[[散射]]、[[偏振]]特性、[[像差]]等各种复杂光学现象。[[物理光学]]名称中的“物理”表示它比几何光学更接近物理原理，但仍然只是物理理论的近似而已<ref name="Ufimtsev2007">{{cite book|author=Pyotr Ya. Ufimtsev|title=Fundamentals of the Physical Theory of Diffraction|date=2007-02-09|publisher=John Wiley & Sons|isbn=978-0-470-10900-7}}</ref>{{rp|11-13}}。由于仍然有所近似，因此物理光学不能像电磁波理论模型那样能够全面描述光传播。对于大多数实际问题来说，完整[[电磁波]]理论模型计算量太大，在现在的一般计算机硬件条件下并不十分实用，但小尺度的问题可以使用完整波动模型进行计算。


== 近代光学 ==
== 近代光学 ==
第36行： 第33行：
近代光学包括了二十世纪开始研究的光学科学及光学工程。光学科学部份一般会和光的[[电磁]]特性或是[[量子]]特性（[[光子]]）有关，不过也包括其他领域。[[量子光学]]是近代光学的主要子领域之一，处理光的[[量子力学]]特性。量子光学不只是理论而已，像[[雷射]]等现代光学设备其中的原理都是以量子光学为基础。像[[光电倍增管]]或[[电子倍增管]]等光侦测器可以对单一[[光子]]反应。像[[感光耦合元件]]等电子式的[[图像传感器]]，也会因为个别光子的统计特性而出现[[散粒噪声]]。若沒有量子力学，也就无法理解[[发光二极体]]及[[太阳能电池]]的原理。量子光学常和量子电子学重疊<ref>[[Daniel Frank Walls|D. F. Walls]] and G. J. Milburn ''Quantum Optics'' (Springer 1994)</ref>。
近代光学包括了二十世纪开始研究的光学科学及光学工程。光学科学部份一般会和光的[[电磁]]特性或是[[量子]]特性（[[光子]]）有关，不过也包括其他领域。[[量子光学]]是近代光学的主要子领域之一，处理光的[[量子力学]]特性。量子光学不只是理论而已，像[[雷射]]等现代光学设备其中的原理都是以量子光学为基础。像[[光电倍增管]]或[[电子倍增管]]等光侦测器可以对单一[[光子]]反应。像[[感光耦合元件]]等电子式的[[图像传感器]]，也会因为个别光子的统计特性而出现[[散粒噪声]]。若沒有量子力学，也就无法理解[[发光二极体]]及[[太阳能电池]]的原理。量子光学常和量子电子学重疊<ref>[[Daniel Frank Walls|D. F. Walls]] and G. J. Milburn ''Quantum Optics'' (Springer 1994)</ref>。


特别领域的光学研究也包括光和特定材料之间的关系（如{{le|晶体光学|Crystal optics}}及[[超材料]]），其他的研究包括电磁波的现象，以及[[光学涡旋]]、{{le|非成像光学|Nonimaging optics}}、[[非线性光学]]、统计光学、[[光度学]]及[[辐射度量学]]等。此外，电脑工程师对[[积体光学]]、[[机器视觉]]及[[光学电脑|光学计算]]等有兴趣，这些可能是下一代电脑中的重要组件<ref>{{cite book|author=Alastair D. McAulay|title=Optical computer architectures: the application of optical concepts to next generation computers|url=http://books.google.com/books?id=RuRRAAAAMAAJ|accessdate=12 July 2012|date=16 January 1991|publisher=Wiley|isbn=978-0-471-63242-9|archive-date=2016-04-25|archive-url=https://web.archive.org/web/20160425234550/https://books.google.com/books?id=RuRRAAAAMAAJ|dead-url=no}}</ref>。
特别领域的光学研究也包括光和特定材料之间的关系（如{{le|晶体光学|Crystal optics}}及[[超材料]]），其他的研究包括电磁波的现象，以及[[光学涡旋]]、{{le|非成像光学|Nonimaging optics}}、[[非线性光学]]、统计光学、[[光度学]]及[[辐射度量学]]等。此外，电脑工程师对[[积体光学]]、[[机器视觉]]及[[光学电脑|光学计算]]等有兴趣，这些可能是下一代电脑中的重要组件<ref>{{cite book|author=Alastair D. McAulay|title=Optical computer architectures: the application of optical concepts to next generation computers||accessdate=2012-07-12|date=1991-01-16|publisher=Wiley|isbn=978-0-471-63242-9}}</ref>。


现在，光学中纯物理的部份会称为[[光物理学]]，和光学中应用科学或工程的部份分开，后者则称为[[光电工程]]。光电工程的主要领域包括有[[照明]]工程、[[光子学]]及[[光电工程]]等，实务应用{{le|光学透镜设计|Optical lens design}}、[[光学构件的制作和检测]]及[[影像处理]]等。其中部份领域有些重疊，而各概念的差异在不同的地区或是不同的产业也会略有不同。因为[[雷射]]技术的进展，在数十年前就开始了一个非线性光学的专业研究社群<ref>{{cite book|title=The principles of nonlinear optics|author=Y. R. Shen|publisher=New York, Wiley-Interscience|year=1984|isbn=0-471-88998-9}}</ref>。
现在，光学中纯物理的部份会称为[[光物理学]]，和光学中应用科学或工程的部份分开，后者则称为[[光电工程]]。光电工程的主要领域包括有[[照明]]工程、[[光子学]]及[[光电工程]]等，实务应用{{le|光学透镜设计|Optical lens design}}、[[光学构件的制作和检测]]及[[影像处理]]等。其中部份领域有些重疊，而各概念的差异在不同的地区或是不同的产业也会略有不同。因为[[雷射]]技术的进展，在数十年前就开始了一个非线性光学的专业研究社群<ref>{{cite book|title=The principles of nonlinear optics|author=Y. R. Shen|publisher=New York, Wiley-Interscience|year=1984|isbn=0-471-88998-9}}</ref>。


== 光学的应用 ==
== 光学的应用 ==
每天生活中有许多都和光学有关。生物的[[视觉系统]]就是以光学原理运作，是[[五感]]之一。[[眼镜]]或[[隱形眼镜]]帮助人们改善视力，而光学也是许多消费性产品（例如[[相机]]）的重要机能，[[望远镜]]、[[显微镜]]及[[放大镜]]都是典型的[[光学仪器]]。[[彩虹]]及[[海市蜃楼]]都是[[光学现象]]，而[[光通讯]]是现在[[网际网路]]及{{le|电话学|telephony}}的基础。
每天生活中有许多都和光学有关。生物的[[视觉系统]]就是以光学原理运作，是[[五感]]之一。[[眼镜]]或[[隱形眼镜]]帮助人们改善视力，而光学也是许多消费性产品（例如[[相机]]）的重要机能，[[望远镜]]、[[显微镜]]及[[放大镜]]都是典型的[[光学仪器]]。[[彩虹]]及[[海市蜃楼]]都是[[光学现象]]，而[[光通讯]]是现在[[網際網路]]及{{le|电话学|telephony}}的基础。


=== 人眼 ===
=== 人眼 ===
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人眼的功能是将光线聚焦在称为[[视网膜]]，位在眼球内部后方的[[感光细胞]]。聚焦是由一系列的透光物质来达成。进入眼球的光会先通过[[角膜]]，之后通过角膜后的液态区域{{le|眼球前房|anterior chamber}}，接著进入[[瞳孔]]。光之后通过可以调节及聚焦光线的[[晶状体]]，接著会经过人眼中的主要液态区域[[玻璃体]]，最后进入[[视网膜]]。视网膜的細胞在眼球内側的后面，只有一点是[[视神经]]离开眼球的路径，这个点也是眼睛的[[盲点 (眼)|盲点]]。
人眼的功能是将光线聚焦在称为[[视网膜]]，位在眼球内部后方的[[感光细胞]]。聚焦是由一系列的透光物质来达成。进入眼球的光会先通过[[角膜]]，之后通过角膜后的液态区域{{le|眼球前房|anterior chamber}}，接著进入[[瞳孔]]。光之后通过可以调节及聚焦光线的[[晶状体]]，接著会经过人眼中的主要液态区域[[玻璃体]]，最后进入[[视网膜]]。视网膜的細胞在眼球内側的后面，只有一点是[[视神经]]离开眼球的路径，这个点也是眼睛的[[盲点 (眼)|盲点]]。


眼睛中有两种感光細胞，分别是[[视杆細胞]]及[[视锥細胞]]，会以不同的方式感测光线<ref name=eyeoptics>{{cite book|author=D. Atchison and G. Smith|title=Optics of the Human Eye|year=2000|isbn=0-7506-3775-7|publisher=Elsevier}}</ref>。[[视杆細胞]]对广泛频率范围内的光强度变化很敏感，负责{{le|暗视觉|scotopic vision|黑白视觉}}，视杆細胞分布在{{le|正中凹|Fovea centralis}}的区域，对于光在空间中的变化或是随时间的变化不如视锥細胞那么敏感。不过视杆細胞在视网膜中分布的区域较广，且数量是视锥細胞的二十倍，因为其分布位置的广泛，视杆細胞负责{{le|外围视觉|peripheral vision}}<ref name="Kandel">{{cite book|author=E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell|title=Principles of Neural Science|url=https://archive.org/details/isbn_9780838577011|edition= 4th|year=2000|publisher=McGraw-Hill|place=New York|isbn=0-8385-7701-6| pages=[https://archive.org/details/isbn_9780838577011/page/507 507]–513}}</ref>。
眼睛中有两种感光細胞，分别是[[视杆細胞]]及[[视锥細胞]]，会以不同的方式感测光线<ref name=eyeoptics>{{cite book|author=D. Atchison and G. Smith|title=Optics of the Human Eye|year=2000|isbn=0-7506-3775-7|publisher=Elsevier}}</ref>。[[视杆細胞]]对广泛频率范围内的光强度变化很敏感，负责{{le|暗视觉|scotopic vision|黑白视觉}}，视杆細胞分布在{{le|正中凹|Fovea centralis}}的区域，对于光在空间中的变化或是随时间的变化不如视锥細胞那么敏感。不过视杆細胞在视网膜中分布的区域较广，且数量是视锥細胞的二十倍，因为其分布位置的广泛，视杆細胞负责{{le|外围视觉|peripheral vision}}<ref name="Kandel">{{cite book|author=E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell|title=Principles of Neural Science||edition= 4th|year=2000|publisher=McGraw-Hill|place=New York|isbn=0-8385-7701-6| pages=507–513}}</ref>。


[[视锥細胞]]对光的整体强度变化较不敏感，但视锥細胞分为三种，对三个不同频率范围的光很敏感，因此用来认知[[颜色]]及{{le|亮视觉|photopic vision}}。视锥細胞集中在正中凹，其空间的解析度较视杆細胞要好。因为视锥細胞在光线暗时不像视杆細胞那么灵敏，夜间视觉会因为而受限。因为视锥細胞集中在正中凹，大部份的中央视觉（例如閱读、做精細动作或检查物品需要的视觉）都是由视锥細胞进行<ref name="Kandel" />。
[[视锥細胞]]对光的整体强度变化较不敏感，但视锥細胞分为三种，对三个不同频率范围的光很敏感，因此用来认知[[颜色]]及{{le|亮视觉|photopic vision}}。视锥細胞集中在正中凹，其空间的解析度较视杆細胞要好。因为视锥細胞在光线暗时不像视杆細胞那么灵敏，夜间视觉会因为而受限。因为视锥細胞集中在正中凹，大部份的中央视觉（例如閱读、做精細动作或检查物品需要的视觉）都是由视锥細胞进行<ref name="Kandel" />。
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[[File:Firesunset2edit.jpg|缩略图|右|300px|彩色的天空多半因为空气中的粒子及污染物的散射所造成，图中是[[2007年10月加州山火]]时的日落]]
[[File:Firesunset2edit.jpg|缩略图|右|300px|彩色的天空多半因为空气中的粒子及污染物的散射所造成，图中是[[2007年10月加州山火]]时的日落]]


大气独特的光学特性造成很多壮观的光学现象，像天空的蓝色就是[[瑞利散射]]的结果，将较高频率的颜色（蓝色）反射到观察者眼前。因为蓝光比红光容易被散射，当透过较厚的太气来直接观测太阳（如[[日出]]或[[日落]]）时，太阳会呈现红色。天空中其他颗粒物也可以在不同角度散射不同颜色的光，因此在黃昏和黎明时会有多彩发光的天空。大气中[[冰晶]]或其他物质的散射造成了[[暈]]、[[晚霞餘暉]]、[[华 (光象)|华]]、[[云隙光]]及[[幻日]]等大气现象。这些现象的不同是因为空气中粒子的大小及其几何形狀<ref name="autogenerated1">{{cite book|author=C. D. Ahrens|year=1994|title=Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment|url=https://archive.org/details/meteorologytoday00ahre|edition = 5th|pages=[https://archive.org/details/meteorologytoday00ahre/page/88 88]–89|publisher=West Publishing Company|isbn=0-314-02779-3}}</ref>。
大气独特的光学特性造成很多壮观的光学现象，像天空的蓝色就是[[瑞利散射]]的结果，将较高频率的颜色（蓝色）反射到观察者眼前。因为蓝光比红光容易被散射，当透过较厚的太气来直接观测太阳（如[[日出]]或[[日落]]）时，太阳会呈现红色。天空中其他颗粒物也可以在不同角度散射不同颜色的光，因此在黃昏和黎明时会有多彩发光的天空。大气中[[冰晶]]或其他物质的散射造成了[[暈]]、[[晚霞餘暉]]、[[华 (光象)|华]]、[[云隙光]]及[[幻日]]等大气现象。这些现象的不同是因为空气中粒子的大小及其几何形狀<ref name="autogenerated1">{{cite book|author=C. D. Ahrens|year=1994|title=Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment||edition = 5th|pages=88–89|publisher=West Publishing Company|isbn=0-314-02779-3}}</ref>。


[[海市蜃楼]]是光因为不同温度下空气[[折射率]]的变化而产生的光学现象。光线在传播于不同温度下的空气时被偏折而在遙远的距离或天空中生成虚像，因此物体会出现于原先不可能出现的位置。其他相关的光学效应包括[[新地岛效应]]，也就是太阳上昇的比預期时间要快，而且形狀扭曲。[[复杂蜃景]]是和[[逆温]]下的折射有关的光学现象，是像岛屿、悬崖、船舶及冰山等物体在地平线上，其外形伸长且拉高，看起来像“童话故事里的城堡”<ref>{{cite web|url=http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|title=An Introduction to Mirages|author=A. Young|accessdate=2015-09-19|archive-date=2000-10-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20001010123208/http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|dead-url=no}}</ref>。
[[海市蜃楼]]是光因为不同温度下空气[[折射率]]的变化而产生的光学现象。光线在传播于不同温度下的空气时被偏折而在遙远的距离或天空中生成虚像，因此物体会出现于原先不可能出现的位置。其他相关的光学效应包括[[新地岛效应]]，也就是太阳上昇的比預期时间要快，而且形狀扭曲。[[复杂蜃景]]是和[[逆温]]下的折射有关的光学现象，是像岛屿、悬崖、船舶及冰山等物体在地平线上，其外形伸长且拉高，看起来像“童话故事里的城堡”<ref>{{cite web|url=http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|title=An Introduction to Mirages|author=A. Young|accessdate=2015-09-19}}</ref>。


[[彩虹]]是光在雨滴中的内反射及色散折射所造成。若在雨滴中只有单一反射，会在天空仰角约40°至42°度形成彩虹，红色在最外层，若是在雨滴中有二次反射，会在天空仰角约50.5°至54°形成彩虹，紫色在最外层。因为太阳和彩虹的中心会相差180度，若太阳越靠近地平线，彩虹会更明显<ref name=light>{{cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5}}Chapter 34</ref>。
[[彩虹]]是光在雨滴中的内反射及色散折射所造成。若在雨滴中只有单一反射，会在天空仰角约40°至42°度形成彩虹，红色在最外层，若是在雨滴中有二次反射，会在天空仰角约50.5°至54°形成彩虹，紫色在最外层。因为太阳和彩虹的中心会相差180度，若太阳越靠近地平线，彩虹会更明显<ref name=light>{{cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5}}Chapter 34</ref>。
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* [http://www.spie.org SPIE]
* [http://www.spie.org SPIE]
* [http://www.myeos.org EOS] — European Optical Society
* [http://www.myeos.org EOS] — European Optical Society
* [https://web.archive.org/web/20161012202039/http://www.nwphotonicsassociation.org.uk/ Northwest Photonics Association] — UK
* [http://www.nwphotonicsassociation.org.uk/ Northwest Photonics Association] — UK


{{光学}}
{{光学}}
取自“https://www.qiuwenbaike.cn/wiki/光学”