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传统光学的功与过

2012-5-23 14:49:49      点击:


传统光学的功与过

700年前人类发明眼镜到今天,光学可谓是人类文明中最为古老的一门基础学科之一。

经过如此漫长的历史和无数科学先辈倾其一生的研究,这门古老的学科已经被无数纷杂的分支理论体系切割的支离破碎,最为典型的理论体系就是牛顿的粒子学(几何光学)和惠更斯的波动学(波动光学),将光学切割成了现今物理学无法完全统一的两大分支。同时人们为了科学研究的方便,设立了如激光光学、大气光学、海洋光学、 量子光学、光谱学、生理光学、电子光学、集成光学、空间光学等等不同的理论分支。

几何光学:

也可以称之为微观光学或传统光学,这是一个将牛顿光学基本体系简化后形成的粒子光学体系;在几何光学体系中,光被定义为以基本的直线单元组成的几何体,同时几何光学不着重研究光的能量属性,并将所有介质都定义为完全弹性体。光线从一种介质进入另一种介质时所产生的变化被定义为反射和折射。

波动光学:

也可以称之为物理光学,这是一个将惠更斯的波动学基本体系简化后形成的波动光学体系;主要研究光在传播过程中与介质之间的相互作用及介质对光的传播产生的影响。在波动光学中光被定义为一种电磁波,当介质中的微小结构与光的波长在数量级上接近时,光波会绕过或部份绕过这种微小结构继续前行,这种光在介质中的变化被定义的干涉和衍射。

一般说来几何光学是一种比较直观通俗的光学理论,易于被我们常人所理解,同时几何光学也是我们目前做日常光学产品设计的最主要的理论基础。我们目前所使用的所有成像产品,如眼镜、照相机、投影机、手机、电视机等等,和各种灯具照明产品、测量仪器、医疗器械、打印机、复印机等等、等等、都是在几何光学的基础上设计出来的。

当今理论通常认为;"在解释光学成像和具体光学系统的过程中,就无需用光的波动理论和量子理论了,用几何光学就基本上可以满足要求了。"(引自胡家升的光学工程导论)这也是我们目前几乎所有光学设计软件的建构基础。

为了本文能尽可能的通俗易懂,我们将不在这里过多讨论光学理论,只就现代日常生活中的一些一般性的现象,向大家提出个人的一些评述。目的是尽可能地让人们理解在能源匮乏的今天,我们能在传统光学中得到什么启示。

现象一:光源之过

从人类能操控火的这一天开始,人类就开始将自己的视觉从白天扩展到了黑夜。电的发明让人类文明向前迈出了巨大的一步。 时间轴线延续到今天,无论是大都市灯火辉煌的夜晚、还是乡村的寂静灰暗的灯光;无一不是人造光源给人们带来的光明。

通常我们所见的光源都是由灯丝(发光点)向360度空间发光,我们所见到的多数传统灯具都用灯罩遮挡住不必要的光、使光线只照亮我们所需的目标区域。我们将这种灯罩视为一个有反射功能的光学反射镜。在我们从事光学工作的人眼里,传统的灯罩能反射的光是非常少的,只有专业级的反光镜才具有较高的反射效率。以一个40W的灯泡为例;通常只有40%以下的光照射在我们的目标区域,从计较能源损失的角度来看这个问题,可以说60%的光被浪费了。

下面是一个算术题:

假设一个40W的灯泡能工作2000小时,它在这2000小时工作中共耗电80度,按一块钱一度的电费计算,它将让你支付80元电费,如果60%的光被浪费了,这表示其中的48元被浪费了。

我们再做进一步假设;如果我们用一个好的反射镜做灯罩,它能将30%的光反射回来,这时你支付的80元电费就只有24元被浪费了。另一个角度说你可能就只要用25W的灯泡就够了。

大的算术题我们也可以算的很大,可以将全世界的灯泡都拿来算一下。这将是一个非常巨大的数字。

有人会问我,一个好的反射镜做灯罩要多少成本啊!在大规模生产的今天,中国人已经将几乎所有能做出来的产品都卖到的全球最低价,我想这一个灯罩可能不会卖出全球最高价!

以上是一个假设所产生的结果,我们现实生活中的各种现象是不是与这个假设接近,有待众多的专家从理论的角度加以论证。

现象二:大都市灯火辉煌的夜晚

几乎所有的大功率探照灯都是由反光杯来聚光灯的,用的最多的是抛物面反光杯,因为只要将光源的发光点放在抛物面反光杯的焦点上,就可以投射出非常小角度的光束,而另一个问题是所有的灯泡的发光点都是有大小的,相对于一个特定的反光杯,同样是发光点在焦点上,灯泡发光点的尺寸越大发出去的光的角度就越大,因为有更多的发光区域不会落在焦“点”上。所以一定程度上来说,要想得到更小的出光角度只能增加反光杯在大小,只有反光杯的尺寸在数量级上比发光点大的越多发出的光的出光角度才会越小。因为这一缘故,功率越大的探照灯反光镜杯的反光效率就越低,浪费的电就越多。

我们做过一些统计:

一个市面上用于1500瓦气体放电泡的全新的理想的反光杯的反射效率不会高于40%,一个市面上用于7000瓦气体放电泡的全新的理想的反光杯的反射效率不会高于15%。这就意味着一个1500瓦的探照灯有将近1000瓦的电在工作中浪费了,一个7000瓦的探照灯有将近6000瓦的电在工作中浪费了。

我们这里列举的只是城市用探照灯的一个特例,事实上面市上几乎所有的景观照明灯具都存在类似问题。

其中的个别特例甚至于某一款灯具一天浪费的电费足以买几个这款灯具所用的反光杯!

我们是不是可以将这个过失归结于传统光学呢?不一定!但我们至少可以将这一过失归结于用传统光学设计出的市面上最常用的几款反光杯上,人们在没有节能意识的时期用传统光学设计的这一系列反光杯,被广大的没有光学知识的生产企业广泛地用于当今的灯具产品上,这就是过失所在。

现象三:对传统光学设计的反思

反思一:光的反射

我们来做一个实验,用一片干净的平板玻璃和一只手电筒,我们将手电筒的光垂直照在平板玻璃上,这时我们会看见光透过玻璃照向远方,将平板玻璃保持不动,我们将手电筒的光逐渐倾斜照向玻璃,我们会发现倾斜的角度越大就会有越多的光没有透过玻璃,而是通过玻璃的面反射到了另一个方向,当这个倾斜的角度大到一定程度时,我们会发现几乎没有什么光通过玻璃了,而是几乎全部反射到了另一个方向。

传统光学设计理论告诉我们的是:当光线从折射率低的光疏介质(空气)射向折射率高的光密介质(玻璃)时产生的是折射,即光会射进玻璃里并在介面产生一定的折射。但我们看到的现象是当手电光和玻璃的倾斜的角度越大时就会有越多的光没有折射进玻璃,而是反射到了另一个方向。

这一现象向我们揭示了一个什么问题呢?

首先,我们并不否认传统光学中也谈到过光的这一反射现象,但为了光学设计的方便简单,我们习惯的设计过程中并没有将这一现象作为重点加以重视。传统光学将研究重点放在了像差、色差、像质评估等等更为重要和复杂理论分析上去了。

我们再来细分析一下我们的这个实验;当一个点光源在很接近一个球面(凸)透镜时,不同方向的光线射向球面透镜会是不同的角度,最近距离射向透镜的光会是垂直射向透镜,而同时会的很多不同方向的光线射向透镜时都会被透镜反射出去,光线与入射面的夹角越大,反射的光就会越多,这就意味着我们损失的光就越多。

分析到这里我们可能发现,原来我们传统的光学设计因没有着重考虑光的这一反射现象已经让我们损失了大量的能量。