光學

光學會研究好多種同光相關嘅自然現象同架生：

• 左上：光喺水面反射；右上：一束光色散；
• 左下：用激光做焊接；
• 右下：放大鏡令物體望落大啲。

光學（粵拼：gwong1 hok6；英文：optics）係物理學其中一個最重要嘅子領域，專研究光－包括可見光、紅外線同紫外光－嘅性質同相關自然現象。光學仲可以再分做兩大門：

• 幾何光學（geometric optics）會用到幾何學上嘅概念，分析光喺空間當中嘅行進；幾何光學會將光當成射線噉嚟睇－即係將光當成以完美直線嘅軌道前進嘅數學物體噉嚟分析，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）之間有乜嘢啦掕－

  $n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\$

• 物理光學（physical optics）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。

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」。

2019 年一日朝頭早，太陽光通過雲照落京都一角－光呢樣嘢由日常生活度可以輕易噉睇到。

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（EM waves）」：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。

波動

喺物理學上，波動（wave）係指

• 擾動（disturbance）－一個或者以上嘅物理量喺平衡點嘅周圍來回變化（個物理量由 $A$ 郁去 0，再郁去 $-A$，跟住郁返去 0，然後再郁去 $A$... 當中 $A$ 係場波動嘅振幅）；
• 而且呢股擾動會喺空間當中行進；
• 波動可以係有週期性嘅，即係每隔一段時間（週期；$T$）就重複一次，而頻率 $f$ 就係指每秒之內重複幾多次，$f=1/T$；

－好似係水上面嘅波浪就可以噉想像：喺呢種波動當中，來回變化緊嘅物理量係粒子嘅位置 $y$，$y$ 數值會喺 $A$、０ 同 $-A$ 之間來回噉郁嚟郁去，而呢股「令粒子來回上下郁」嘅力量仲會沿住水面傳開去。波動－包括波浪、聲同光在內－有好多物質冇嘅特性，例如係曉折射同繞射（下面）呀噉。至於要點樣證實光係種電磁性質嘅波動（電磁波），可以睇吓麥士維方程組相關嘅內容。

現實世界嘅漣漪（左圖）同相關嘅表面波現象，可以想像成水嘅粒子受到擾動而上下噉來回郁（右圖嘅抽象圖解），而且呢股擾動仲會沿住水面傳開去。

幾何光學

幾何光學（geometric optics）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（reflection）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，觀察者就會喺鏡所反射嘅鏡像。

光嘅反射會遵從反射定律（law of reflection）：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（normal；指同塊鏡嘅表面成垂直嘅線）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」。

奧巴馬企喺塊鏡前面，由佢嗰度嚟嘅光射落塊鏡度跟住反射返轉頭，令佢見到鏡入面嘅自己。  由座山度嚟嘅光射落湖嘅表面，再反射過嚟，最後進入觀察者對眼。  喺實驗室入面展示反射嘅現象；量角器嘅量度清楚噉顯示 $\theta _{r}=\theta _{i}$ 呢條定律講嘅嘢。

應用

• 影相
• 視光學
• 大氣光學
• 電腦圖像

... 呀噉。

睇埋

• 波動
• 電磁波

拎

• Optics. Encyclopedia Britannica.
• Light and Matter - an open-source textbook, containing a treatment of optics in ch. 28-32.
• Optics2001 - Optics library and community.
• Fundamental Optics - Melles Griot Technical Guide.
• Physics of Light and Optics - Brigham Young University Undergraduate Book.
• Optics for PV - a step-by-step introduction to classical optics.