智学苑第二课光的传播规律及光学现象

你们知道光是如何传播的吗？

光的传播速度是多少？

光是如何折射、反射的呢？

这一期我们着重介绍

光的传播规律以及典型的光学现象。

——夏寅

光的传播

光在同种透明均匀介质中始终沿直线传播，例如真空、水、冰、玻璃、酒精、透明树脂等，除了真空以外，这些理想状况下可以认为透明均匀的材质都叫做光介质。

光的传播速度

光在真空中的传播速度C=米/秒，这是年为止测得的精确值，一般四舍五入为3x10^8m/s，光速是最重要的物理常数之一。

光在光介质中的传播速度小于在真空中的传播速度。例如，光在水中的速度为2.25×10^8m/s，光在玻璃中的速度为2.0×10^8m/s，光在冰中的速度为2.30×10^8m/s，光在酒精中的速度为2.2×10^8m/s，光在空气中的速度略小于真空，但仍可近似认为3.0×10^8m/s。

光疏/光密介质

由于光在两种不同介质中的传播速度是不同的，因此，当光从一个光介质传播进入另一个光介质时，传播速度会发生突变。我们将两种介质中，传播速度相对较快，折射率较小的介质称之为光疏介质，将传播速度相对较慢，折射率较大的介质称之为光密介质。

光的折射/反射

当光从一个介质斜向传播遇到另一个介质时，在两个介质之间的分界面会发生两种传播路径的改变，即发生两种光学现象，一部分光会发生“反射”，一部分光会发生“折射”。

光的反射：当光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。

光的折射：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折的现象，叫做光的折射。

异同点：光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是反射光返回原介质中，而折射光线则进入到另一种介质中。

如图所示为光从空气入射到水中的示意图，入射光线AO在入射点O接触到空气和水的分界面，同时发生了“反射和折射”，并产生了反射光线OB和折射光线OC。值得注意的是，三线与法线NN’共面，入射角和反射角关于法线对称，三条光线和法线的夹角分别称之为入射角、反射角、折射角。

那么，入射光、反射光、折射光的关系是怎么的？服从什么样的规律呢？

研究表明，入射光和反射光与法线共面，两条光线分居法线两侧，入射角和反射角始终相等，且光路可逆。特别需要注意的是，入射角与反射角始终相同，满足光的反射定律。

研究表明，入射光和折射光与法线共面，两条光线分居法线两侧，入射角与折射角始终不相等，且光路同样可逆。特别需要注意的是，入射角与折射角始终不相同，两者满足光的折射定律。

斯涅耳定律

我们知道了入射角和反射角始终相同，而入射角和折射角始终不同。那么，入射角和折射角究竟满足什么样的关系呢？

斯涅耳最早发现了斯涅耳定律(Snell’sLaw)，即光的折射定律，从而使几何光学的精确计算成为了可能。斯涅耳定律指出，入射光和折射光的夹角满足如下关系：n1*Sinθ1=n2*sinθ2，其中，n1和n2分别是两个介质的折射率，θ1和θ2分别是入射角和折射角。

光疏→光密：若n1n2，光线从光疏介质射入光密介质，此时Sinθ1sinθ2，比较可知θ1θ2，因此光线会朝靠近法线的方向屈折。

光密→光疏：若n1n2，光线从光密介质射入光疏介质，此时Sinθ1sinθ2，比较可知θ1θ2，因此光线会朝远离法线的方向屈折。

特别的，当其中一种介质为真空/空气(折射率近似为1)时，折射定律会变得更加简单。如下图所示，当光线从空气射入特定介质(折射率n1)中时，满足光疏到光密的条件，入射角α和折射角β，满足1*Sinα=n*Sinβ的关系，显然，αβ，光线会朝靠近法线的方向屈折。

光的全反射

当光线从光密介质射到到光疏介质时，可能会有一个有趣的光学现象发生，光线被全部反射回来，这个现象被称之为全反射。这是怎么回事呢？

如下图所示，两个介质折射率n1n2，光源在光密介质中，从光源可以发出各个方向的光线。我们可以发现，当入射角比较小时，光线都可以从光密介质射出发生折射;当入射角不断增大时，折射角也越来越大，此时光线逐渐远离法线，逐渐靠近介质分界面；特别地，当入射角增大到特定值时，折射角会正好等于90o，此时光线与分界面平行，处于临界状态，而此时对应的入射角则叫做临界角θc；让人感到惊奇的是，当入射角进一步增大，超过临界角θc时，折射光线并非进一步向下屈折射向光密介质，而是直接消失了，因为在折返回光密介质的光线中，我们只能观察到反射光(实线)，并没有发现折射光和反射光(虚线)两束光线共存的情况!

当光线发生全反射时，由于没有折射光分掉能量，根据能量守恒定律，入射光和反射光的能量完全相等，也就是说在分界面上发生一次反射后，光能没有任何的损失，得到了完全的保留，这也是全反射“全”的字面理解。基于全反射的原理，科学家刻意构造了光疏-光密-光疏的三层介质，让光线在中间光密介质中通过反复的全反射进行近似无损的传导，生活中的光纤就是利用全反射进行远距离光通信的典型案例。

增亮膜中的光学原理

我们知道，增亮膜是背光中不可或缺的光学功能膜之一，也是我们公司最重要的光学膜产品之一，下面就简单介绍一下增亮膜及增亮膜所运用的光学原理。

增亮膜，主要采用了精密雕刻、精密涂布和微复制技术，将树脂涂布填充在基材PET和精密雕刻的模具之间，通过紫外曝光引发光起始剂，促使树脂固化(自由基聚合)，从而在PET表面形成特定微复制结构(Prism—棱镜阵列)的光学薄膜(必要时还需在PET入光面做背涂处理)，其结构设计示意图如图所示：

增亮膜的结构设计示意图（含背涂）

顾名思义，增亮膜(BEF)的主要功能就是增亮，主要通过光线的聚集(光聚集)，光强分布的收敛(光收敛)，实现正面观看区域(一般在法线偏离±30o左右的区域)的亮度提高，以及可视角的收敛。增亮膜在背光中的架构，一般置于扩散膜或扩散板之上，它的入光面会将经过扩散均化后的弥散光源(如图中极坐标光强分布图所示)进行光收敛，其收敛的方向与棱镜阵列的方向垂直，属于对光源的单轴处理。如果亮度仍然达不到使用要求，往往会采用两张正交的增亮膜进行双轴光收敛，进一步提高亮度。

那么，增亮膜的这些光学功能是如何实现的呢？运用了光学原理有哪些呢？

如图是增亮膜其棱镜阵列的截面示意图(每一个棱镜结构的横截面均为三角形)以及各个方向的光线在棱镜结构中传播路径。其中棱镜结构(光密介质)的折射率远高于空气(光疏介质)折射率，因而棱镜结构的每一个侧面均是光密介质-光疏介质的分界面，而棱镜的光学功能均是由光线在这个分界面上完成的。如图所示，左一棱镜结构中，光线在侧面发生了一次折射，大部分光线朝上偏转，因而增加了正视亮度；左二棱镜结构中，光线在侧面发生了两次全反射，导致一部分光线直接朝入光侧射去，通过反射片对光的反射实现光回收；左三的棱镜结构中，光线在一个侧面发生了一次全反射，在另外一个侧边发生了一次折射，出射光穿入相邻的几个棱镜结构的，通过侧面多次折射进一步降低出射角度，直到朝下(同左二情况)，最终光线同样是由反射片进行光回收。

增亮膜的光路示意图

总而言之，别看增亮膜的棱镜阵列有多么复杂神秘，其实实现增亮膜的光学功能也只运用了最最基础的光线折射和全反射原理。

好了，激智的小伙伴们，今天这堂课我们讲述了光的传播以及光的折射、反射、全反射等光学现象。通过增亮膜的案例分析，是不是让大家对光学知识更感兴趣了呢？为了加强小伙伴们对公司产品的理解，在后续的堂课中，我们仍然会采取这种案例分析的方式讲解光学知识。

那么预告一下，在下面几堂课中，我们将分享光的散射和扩散膜设计原理，以及光的色散和彩虹现象，敬请期待！

长按







































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