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光学  PAGE 27 光学 目录 1. 介绍 2. 光学方法 2.1 介绍 2.2 反射 2.2.1 镜子反射 2.2.2 漫反射 2.3 材料 2.4 折射 2.4.1 散射 2.4.2 内反射 3. 反射器形状 3.1 介绍 3.2 凹面镜 3.3 抛物镜 3.4 椭圆镜 4. 光学设计 光学基本定律 Etendue 4.3 实际光源 4.4 反射器(小面)设计 4.4.1 小面扩散和光束(灯丝) 扩散 4.5 特定方向强度 4.6 平面镜强度 4.7 复杂反射镜 4.8 光线轨迹 5 光纤和波导 5.1 端点光纤 5.2 侧面光纤 6 参考书目 1 介绍 通常光源的分布并不能满足于应用的需要。一般在照明器具中通过反射，折射的方法来改变光的分布。此外有时也用干涉和衍射等物理学原理。 光学研究光的重新定向。更特定的非成象光学与成象光学系统（如照相机相片）是照明光学和信号传输系统。这章描述反射，折射基础并强调反射镜设计入门即基本的反射镜形状。此外解释光纤基础。 本文很大部分基于A. Drogendijk的荷兰论文。2000年此文被S. Verbrugh翻译复审与扩展。 光学方法 2.1 介绍 通常照明系统由四个基本的部分组成：光源，光学元件，外壳和电子线路。光学元件的作用是改变光线的方向以适合于应用。改变光线的方向可以通过： --反射 --折射 --衍射 --干涉 反射和折射是照明系统中通常用的方法。衍射方法很少用，但将来可能变得越来越重要。干涉仅仅用于二色涂层。二色涂层的一个应用是镜头的涂层，在索引1-2中有例子。 2.2 反射 依赖于表面的性质，反射包括镜面反射，散射及它们的组合。如果反射不是完全镜面反射或散射，我们有混合或扩展反射。 在所有情况下垂直于表面的线作为一个参照来测量入射角αi。见图2.1 2.2.1 镜面反射 通常普通的镜子的反射是镜面（或理想）反射。在镜面反射情况下反射光线与入射光线遵守二条规则： --入射光线，表面线及反射光线在同一平面内。 --反射角等于入射角。 见图2.1a。对反射光线的强度Ir，我们有： 这里?是与材料和波长有关的反射系数。（通常?也与入射角有关，但常常被忽视）见2.3节。对所有实际材料?1，因此反射镜总是有损失。 2.2.2 漫反射 在漫反射情况下，光被重新分布射向所有方向。见图2.1d。从表面发射的光取决于角度α： 这种按角度的分布称为Lambertian。对实际材料反射光按角度的分布或多或少与入射角有关。在αr=αi处常常有更多的光线。在这种情况下大部分混合反射光在入射光与垂直线的平面内（图2.1c）。如果大部分光线在αr=αi方向但有许多光在入射平面旁边，我们称之为扩展型反射（图2.1b）。 对应用需要一个很好定义的光线，有镜面反射的反射镜是必需的。如果需要一个亮度比光源低的照明，散射材料是合适的。 2.3 材料 金属表面以镜面反射大部分光线。图2.2 给出各种材料的随波长而变化的反射系数α。从这些曲线中可以看出银和蒸发铝有高的反射系数且在可见波长范围内是常数。银的缺点是价格高和易氧化。蒸发铝价格不贵且仅仅形成薄的透明氧化层。在极端环境下需要特别的防护。 硫酸钡是高质量漫反射材料的一个例子，它有99.2%的反射率。因为高反射常常被用于Ullbrichts球。 2.4 折射 当光通过二种不同折射率材料的分界面时会产生折射。如果二种材料都是透明的，折射角取决于二种材料的折射率n1 和 n2。见图2.3。折射光线的方向满足二个条件： --折射光线在入射光线与分界面垂直线组成的平面内。 --折射角遵守Snell’s 定律： 在Snell’s定律中，α1是关于折射率为n1的媒介中垂直线的夹角，α2是关于折射率为n2的媒介中垂直线的夹角，折射率是材料本身的性质与光线方向无关。真空的折射率（空气）等于1，许多透明材料的折射率在1.4到1.6之间。表2.1给出了许多材料的折射率。 如果物体浸入水中就能清楚地显示出折射的效应，看到的物体比实际更接近表面。如果你准备射鱼就要意识到这一点。印度人常用这种方法捕鱼，他们知道瞄准点应该在观察点下面。熊在用爪子