傳統(tǒng)光學的功與過
從700年前人類發(fā)明眼鏡到今天，光學可謂是人類文明中最為古老的一門基礎(chǔ)學科之一。
經(jīng)過如此漫長的歷史和無數(shù)科學先輩傾其一生的研究，這門古老的學科已經(jīng)被無數(shù)紛雜的分支理論體系切割的支離破碎，最為典型的理論體系就是牛頓的粒子學（幾何光學）和惠更斯的波動學（波動光學），將光學切割成了現(xiàn)今物理學無法完全統(tǒng)一的兩大分支。同時人們?yōu)榱丝茖W研究的方便，設(shè)立了如激光光學、大氣光學、海洋光學、 量子光學、光譜學、生理光學、電子光學、集成光學、空間光學等等不同的理論分支。
幾何光學：
也可以稱之為微觀光學或傳統(tǒng)光學，這是一個將牛頓光學基本體系簡化后形成的粒子光學體系；在幾何光學體系中，光被定義為以基本的直線單元組成的幾何體，同時幾何光學不著重研究光的能量屬性，并將所有介質(zhì)都定義為完全彈性體。光線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時所產(chǎn)生的變化被定義為反射和折射。
波動光學：
也可以稱之為物理光學，這是一個將惠更斯的波動學基本體系簡化后形成的波動光學體系；主要研究光在傳播過程中與介質(zhì)之間的相互作用及介質(zhì)對光的傳播產(chǎn)生的影響。在波動光學中光被定義為一種電磁波，當介質(zhì)中的微小結(jié)構(gòu)與光的波長在數(shù)量級上接近時，光波會繞過或部份繞過這種微小結(jié)構(gòu)繼續(xù)前行，這種光在介質(zhì)中的變化被定義的干涉和衍射。
一般說來幾何光學是一種比較直觀通俗的光學理論，易于被我們常人所理解，同時幾何光學也是我們目前做日常光學產(chǎn)品設(shè)計的最主要的理論基礎(chǔ)。我們目前所使用的所有成像產(chǎn)品，如眼鏡、照相機、投影機、手機、電視機等等，和各種燈具照明產(chǎn)品、測量儀器、醫(yī)療器械、打印機、復印機等等、等等、都是在幾何光學的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的。
當今理論通常認為；"在解釋光學成像和具體光學系統(tǒng)的過程中，就無需用光的波動理論和量子理論了，用幾何光學就基本上可以滿足要求了。"（引自胡家升的光學工程導論）這也是我們目前幾乎所有光學設(shè)計軟件的建構(gòu)基礎(chǔ)。
為了本文能盡可能的通俗易懂，我們將不在這里過多討論光學理論，只就現(xiàn)代日常生活中的一些一般性的現(xiàn)象，向大家提出個人的一些評述。目的是盡可能地讓人們理解在能源匱乏的今天，我們能在傳統(tǒng)光學中得到什么啟示。
現(xiàn)象一：光源之過
從人類能操控火的這一天開始，人類就開始將自己的視覺從白天擴展到了黑夜。電的發(fā)明讓人類文明向前邁出了巨大的一步。 時間軸線延續(xù)到今天，無論是大都市燈火輝煌的夜晚、還是鄉(xiāng)村的寂靜灰暗的燈光；無一不是人造光源給人們帶來的光明。
通常我們所見的光源都是由燈絲（發(fā)光點）向360度空間發(fā)光，我們所見到的多數(shù)傳統(tǒng)燈具都用燈罩遮擋住不必要的光、使光線只照亮我們所需的目標區(qū)域。我們將這種燈罩視為一個有反射功能的光學反射鏡。在我們從事光學工作的人眼里，傳統(tǒng)的燈罩能反射的光是非常少的，只有專業(yè)級的反光鏡才具有較高的反射效率。以一個40W的燈泡為例；通常只有40%以下的光照射在我們的目標區(qū)域，從計較能源損失的角度來看這個問題，可以說60%的光被浪費了。
下面是一個算術(shù)題：
假設(shè)一個40W的燈泡能工作2000小時，它在這2000小時工作中共耗電80度，按一塊錢一度的電費計算，它將讓你支付80元電費，如果60%的光被浪費了，這表示其中的48元被浪費了。
我們再做進一步假設(shè)；如果我們用一個好的反射鏡做燈罩，它能將30%的光反射回來，這時你支付的80元電費就只有24元被浪費了。另一個角度說你可能就只要用25W的燈泡就夠了。
大的算術(shù)題我們也可以算的很大，可以將全世界的燈泡都拿來算一下。這將是一個非常巨大的數(shù)字。
有人會問我，一個好的反射鏡做燈罩要多少成本��！在大規(guī)模生產(chǎn)的今天，中國人已經(jīng)將幾乎所有能做出來的產(chǎn)品都賣到的全球最低價，我想這一個燈罩可能不會賣出全球最高價！
以上是一個假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果，我們現(xiàn)實生活中的各種現(xiàn)象是不是與這個假設(shè)接近，有待眾多的專家從理論的角度加以論證。
現(xiàn)象二：大都市燈火輝煌的夜晚
幾乎所有的大功率探照燈都是由反光杯來聚光燈的，用的最多的是拋物面反光杯，因為只要將光源的發(fā)光點放在拋物面反光杯的焦點上，就可以投射出非常小角度的光束，而另一個問題是所有的燈泡的發(fā)光點都是有大小的，相對于一個特定的反光杯，同樣是發(fā)光點在焦點上，燈泡發(fā)光點的尺寸越大發(fā)出去的光的角度就越大，因為有更多的發(fā)光區(qū)域不會落在焦“點”上。所以一定程度上來說，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數(shù)量級上比發(fā)光點大的越多發(fā)出的光的出光角度才會越小。因為這一緣故，功率越大的探照燈反光鏡杯的反光效率就越低，浪費的電就越多。
我們做過一些統(tǒng)計：
一個市面上用于1500瓦氣體放電泡的全新的理想的反光杯的反射效率不會高于40%，一個市面上用于7000瓦氣體放電泡的全新的理想的反光杯的反射效率不會高于15%。這就意味著一個1500瓦的探照燈有將近1000瓦的電在工作中浪費了，一個7000瓦的探照燈有將近6000瓦的電在工作中浪費了。
我們這里列舉的只是城市用探照燈的一個特例，事實上面市上幾乎所有的景觀照明燈具都存在類似問題。
其中的個別特例甚至于某一款燈具一天浪費的電費足以買幾個這款燈具所用的反光杯！
我們是不是可以將這個過失歸結(jié)于傳統(tǒng)光學呢？不一定！但我們至少可以將這一過失歸結(jié)于用傳統(tǒng)光學設(shè)計出的市面上最常用的幾款反光杯上，人們在沒有節(jié)能意識的時期用傳統(tǒng)光學設(shè)計的這一系列反光杯，被廣大的沒有光學知識的生產(chǎn)企業(yè)廣泛地用于當今的燈具產(chǎn)品上，這就是過失所在。
現(xiàn)象三：對傳統(tǒng)光學設(shè)計的反思
反思一：光的反射
我們來做一個實驗，用一片干凈的平板玻璃和一只手電筒，我們將手電筒的光垂直照在平板玻璃上，這時我們會看見光透過玻璃照向遠方，將平板玻璃保持不動，我們將手電筒的光逐漸傾斜照向玻璃，我們會發(fā)現(xiàn)傾斜的角度越大就會有越多的光沒有透過玻璃，而是通過玻璃的面反射到了另一個方向，當這個傾斜的角度大到一定程度時，我們會發(fā)現(xiàn)幾乎沒有什么光通過玻璃了，而是幾乎全部反射到了另一個方向。
傳統(tǒng)光學設(shè)計理論告訴我們的是：當光線從折射率低的光疏介質(zhì)（空氣）射向折射率高的光密介質(zhì)（玻璃）時產(chǎn)生的是折射，即光會射進玻璃里并在介面產(chǎn)生一定的折射。但我們看到的現(xiàn)象是當手電光和玻璃的傾斜的角度越大時就會有越多的光沒有折射進玻璃，而是反射到了另一個方向。
這一現(xiàn)象向我們揭示了一個什么問題呢？
首先，我們并不否認傳統(tǒng)光學中也談到過光的這一反射現(xiàn)象，但為了光學設(shè)計的方便簡單，我們習慣的設(shè)計過程中并沒有將這一現(xiàn)象作為重點加以重視。傳統(tǒng)光學將研究重點放在了像差、色差、像質(zhì)評估等等更為重要和復雜理論分析上去了。
我們再來細分析一下我們的這個實驗；當一個點光源在很接近一個球面（凸）透鏡時，不同方向的光線射向球面透鏡會是不同的角度，最近距離射向透鏡的光會是垂直射向透鏡，而同時會的很多不同方向的光線射向透鏡時都會被透鏡反射出去，光線與入射面的夾角越大，反射的光就會越多，這就意味著我們損失的光就越多。
分析到這里我們可能發(fā)現(xiàn)，原來我們傳統(tǒng)的光學設(shè)計因沒有著重考慮光的這一反射現(xiàn)象已經(jīng)讓我們損失了大量的能量。
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