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光學基礎知識 2008/01/29 基礎理論 光學系統是由透鏡組合而成。 學習要點： 1.光的基本原理。 2.透鏡的几何光學成像理論，像差。 光的基本原理 光是自然界的產物，我們在學習的時候以光的特性及物理量加以說明。 光的類別： 紫外光 （180-400nm) 可見光（400-700nm) 近紅外光 (700-4000nm) 紅外光 (4-14m) 遠紅外光 (14-10000m) 現民用光學制品一般都在可見光范圍內。在以后的學習中我們都以可見 光為例。 可見光范圍內在550nm的地方是人 眼最敏感的區域，顏色為黃綠色。 可見光范圍內在小于430nm 和大于 690nm的范圍是人眼慢慢趨向遲鈍 的區域。但如果能量足夠強的時候， 人眼還是可以感應到的。 在鍍過膜的鏡片上呈現的顏色就是在 光譜圖上體現的相對反射較高的波段 可見光 紅色光(red), 綠色光(green), 藍色光(blue)為 光的三原色。 光的三原色 鍍膜藥材 v高折射率 現常用的有tio2,ti2o3,ti3o5 等 v中折射率 現常用的有al2o3,zro2,h4 ，m2等 v低折射率 現常用的有mgf2，sio2 等 現公司使用的藥材有： al2o3，h4,mgf2,tio2,sio2,m2 tio2 v折射率2.22.6 (一般在2.35左右） v400-12000nm之間有較佳的透明度 v熔點較高，為1640，蒸著溫度為1800- 2200，故需用電子束轟擊 v含雜氣較多，需先進行預熔 v充氧量非常重要，可導致鏡片吸收。 v應用於可見光到紅外光的產品 h4 v折射率2.02.1 v360-7000nm之間有較佳的透明度 v默克公司獨家生產的混和膜料 v含雜氣較多，需先進行預熔 v充氧量非常重要，可導致鏡片吸收。 v膜性良好的中折射率藥材 mgf2 v折射率1.38 v210-10000nm之間有較佳的透明度 v蒸鍍時有時易噴藥 v雜氣較少 v膜的特性較軟而且不牢 sio2 v折射率1.451.47 v180-8000nm之間有較佳的透明度 v雜氣較少 v膜性良好的低折射率藥材 v吸收與散射都很小 v一般與高折射率材料配合，蒸鍍濾光片 司涅爾定律 z x 界面 法線(normal line) 0 1 n0 n1 n0sin0=n1sin 1 n0 :光學常數 n1 :光學常數 0 :入射角(a.o.i.) 1 :折射角 垂直入射是指入射的光線垂 直界面前進。也就是說與法 線的夾角為0度。 入 射 光 反 射 光 穿 透 光 界面 n0 n1 垂直入射(入射角=0) 光學薄膜中的重要參數 v反射率r v穿透率t v折射率n v色散 反射率r及穿透率t bk7 基板 空 氣 空 氣 100% 91.5% 空氣 n0=n1=1 bk7玻璃 ns=1.52 a.o.i.=0時 r0s= n0-ns2 n0+ns2 0 1 s = (1-1.52)2 (1+1.52)2 = 0.0425 rs1= ns-n12 ns+n12 (1.52-1)2 (1.52+1)2 = = 0.0425 t=1-r0s-rs1=0.915 8.5% 折射率 折射率在光學中是一個非常重要的參數。用符號 n 表示。 介質折射率的大小定義成光在真空中的速度與光在個質速度中的比值 n=c/v 式中n表示折射率，c表真空中之光速，v表示光在介質中的速度。 光在水中速度是光速的四分之三，所以水的折射率為1.3，而一般光學 玻璃的折射率約為1.5（放在空氣中）。 折射率還有一個特性，介質中的折射率會隨光波波長而改變，這種關系 就是引起色散現象的原因。 色散 由於折射率是波長的函數n（?),所以當一束復色經折射后，因 各單色光的折射率各不相同，造 成折射方向有所差異，這種現 象稱為色散. 對於一般玻璃而言，色散值約在0.0120.05之間，由於數值 較小使用上不太方便，一般用其倒數來衡量介質的色散能力。 用 v 表示。普通鏡片v值在2080之間。 鍍膜監控方式 v光學膜厚監控 透過式 反射式 v石英膜厚計監控 5m 6m 光學膜厚監控 利用單波長比例法來進行監控，即利用監控訊號經過 一極值點後，訊號回頭一段距離後停止。 v優點 對監控系統的穩定度要求較低。 可以避免膜材折射率改變造成監控訊號變化幅度改變造 成的問題。 光學監控系統設計較單純 v缺點 無法執行極窄帶通的濾鏡監控 無法執行膜厚較膜的製程監控 光學膜厚監控方式 透過式 .適合變化範圍較大的 製程 .穩定性容忍度較高