光学设计理念
传统光学的功与过
2012年10月25日11:44 光学设计理念
#该文章出自Toplite首席设计师，Daniel Yin。

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从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
[待续]
#该文章出自Toplite首席设计师，Daniel Yin。

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