基礎光學簡介 佰鸿：林世輝.

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1 基礎光學簡介 佰鸿：林世輝

2 幾何光學三定律 1.直線傳播定律： 光在均勻介質中傳遞，其行進路線呈一直線。 2.反射定律： a.入射線與反射線在法線兩側，且三線共平面。
b.入射角等於反射角。 3.折射定律： a.入射線與折射線在法線兩側，且三線共平面。 b.光由折射率 的介質入射到折射率 的介質時，

3 反射定律 入射角=反射角 法 線：垂直於入射面的線 入射角：入射線與法線之夾角 反射角：反射線與法線之夾角 入射線 反射線 入射角 反射角
平面 入射線 法線 反射線 入射角 反射角 曲面 入射角=反射角 法 線：垂直於入射面的線 入射角：入射線與法線之夾角 反射角：反射線與法線之夾角

4 折射 法 線：垂直於入射面的線 入射角：入射線與法線之夾角 折射角：折射線與法線之夾角 入射線 入射線 法線 法線 入射角 入射角 折射角
法 線：垂直於入射面的線 入射角：入射線與法線之夾角 折射角：折射線與法線之夾角

5 折射率 定義： 1.光在真空中傳遞，其速度接近每秒三十萬公里(光在真空 中的速度我們統稱為光速)，當光進入介質中(例如玻璃
或水)傳遞，其速度會變慢，因此我們定義介質的折射率 為光速除以光在介質中得速度。 2.目前我們所知光速是宇宙中速度的極限，沒有任何物質 的速度會比光速快，因此物質的折射率永遠大於等於1， 亦即物質的折射率不可能小於1。 3.相對折射率：光由介質1進入介質2時，其相對折射率為

6 折射定律 ：介質1的折射率 ：介質2的折射率 ：入射角 ：折射角 ：光在介質1的速度 ：光在介質2的速度 ：光由A到B所需的 時間等於光由O
到C所需的時間 ：光在介質1的速度 ：光在介質2的速度 法線 O A B C 入射線 折射線 介質1 介質2 由定義：

7 色散(Dispersion) 1.光在真空中的傳播速率皆相同(c≒3×108公尺/秒) ，當光進入一
色散性介質(Dispersion Medium)時，由於介質的折射率會隨著 入射光波長不同而改變，即折射率是波長的函數，因此光在介 質中的速率亦會隨著波長的不同而改變，此種光速在介質中隨 波長而變的現象稱之為色散。 2.科希色散公式(Cauchy’s Dispersion Formula) ： 、 為任意常數 3.典型的色散性介質的折射率與 波長的關係如右圖： 4.三菱鏡的分光作用是色散現象 最明顯的例子。

8 三菱鏡分光原理 白光 1.不同波長的光對於相同的介質，會有不同的折射率，也 就是說，折射率是波長的函數 。
就是說，折射率是波長的函數 。 2.一般而言，波長越長的光對應於相同的介質其折射率也 越小，亦即波長越長的光在相同得介質中傳遞，其速度 越快，偏折角度越小。 3.三菱境的分光原理即利用上述原理將一束白光分成一連 續光譜，其中紅光波長最長，所以偏折角度最小，紫光 波長最短，其偏折角度則最大。

9 散射(Scattering) 1.光在行進過程中，會受到光路徑上的微粒或介質的分子阻 礙，然後再往其他方向發射出去，此種現象稱為散射。
2.當光路徑上的微粒或介質的分子大小遠比光波長大，則光路 徑的改變是由反射現象造成，若光路徑上的微粒或介質的分 子大小和光波長同等級，此時光路徑的改變不再是單純的反 射現象，而是繞射現象的一種。 3.對於不同波長的入射光而言，其散射量並不相同，散射的強 度和波長的四次方成反比 ，亦即波長愈短的光線愈 容易被散色。 4.在封裝LED時，若要使LED均勻發光，則會在膠體內摻雜擴 散劑，擴散劑其實就是微粒，因此LED晶粒發出的光經過膠 體時，與擴散劑產生碰撞而改變方向而使得LED整體發光變 得較為均勻，這就是散射現象的應用之一。

10 全反射 全反射條件： 1.光由折射率大的介質進入折射 率小的介質。 2.入射角必須大於臨界角。
法線 全反射 折射 介質1 介質2 全反射條件： 1.光由折射率大的介質進入折射 率小的介質。 2.入射角必須大於臨界角。 光由介質1進入介質2時，若介質1的折射率大於介質2的折射率： 1.當入射角以較小角度入射時，我們可以看到折射現象(如紅色線) 。 2.當入射角等於某一角度時，折射角將會等於90o (如黑色線) ，此一入射角稱 之為臨界角(Critical Angle)。 3.當入射角大於此臨界角時，折射現象即會消失(如綠色線) ，僅剩下反射現 象，此現象我們稱之為全反射。 臨界角： 由折射定律

11 光纖 1.光纖主要結構如下圖，中間為纖核(core)，外圍包覆一層 纖殼(clad) ，主要材料為石英二氧化矽(SiO2 ) ，藉由參雜
不同濃度的鍺(Ge)使得纖核的折射率大於纖殼的折射率。 2.由於纖核的折射率大於纖殼的折射率，光在光纖內部可 以產生全反射，因此可以說光纖是一種藉由光全反射效 應將光信號往前傳遞之介質。 纖核(core) 纖殼(clad) 光信號 光折射(光全反射效應)

12 (Material Absorbtion Efficiency Factor)
物質吸收效率因子： (Material Absorbtion Efficiency Factor) 光在物質中傳遞，有部分光會被物質本身吸收，不同波 長的光對應於相同物質，其 也會不同。 一般定義 如下： ，

13 Fresnel損失(Fresnel Loss)
1 R T 穿透效率： 將上式分子分母同除以 稱為Fresnel損失效率因子( Fresnel Loss Efficiency Factor)

14 若光由折射率 的介質經由折射率 的介質發射到折射率 的介質，其Fresnel損失效率因子計算如下：
1 若要使 的值最大，則

15 一般LED晶粒的折射率約為3.4，空氣的折射率近似於1，若直接由晶粒發光到空氣中，則：
若我們選擇折射率為 的膠體置於晶粒與空氣之間，則： 因此，若能選擇適當的膠體包裝LED，則可有效改善LED的發光效率。

16 臨界角損失(Critical Angle Loss)
臨界角損失效率因子(Critical Angle Loss Efficiency Factor)： ， 一般LED晶粒的折射率約為3.4，空氣的折射率近似於1，若直接由晶粒發光到空氣中，則： 若在LED晶粒外包覆一層折射率1.8的膠體，則： 由上面的例子可知，選擇適當的膠體包裝LED，可以有效改善LED的發光效率。

17 光學效率(Optical Efficiency)：
LED的光學效率(Optical Efficiency)主要由下列三種效率因子組成： ①物質吸收效率： ②Fresnel效率： ③臨界角效率： 定義如下：

18 (External Quantum Efficiency)
外部量子效率： (External Quantum Efficiency) 定義： 假設我們通入電流 到LED，LED發射出波長為 ，光功率為 的光。 ：發射之光子數 ：輸入之電子數 ：光的頻率 ：光得波長 ：光速 ：普朗克常數 ：時間 ：電子的電量

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20 (Internal Quantum Efficiency)
內部量子效率： (Internal Quantum Efficiency) 通過LED的電流由兩部分所組成，分別是電流造成LED發光與不發光的部分，內部量子效率定義為電流造成LED發光與總電流的比值。 以封裝好的LED來舉例，內部量子效率和外部量子效率的差別在於內部量子效率是指LED晶粒內pn-junction的發光效率；而外部量子效率則為功率器(power meter)於LED外所量測到的發光效率。

21 Q & A