Light-Light transmission 01,近場光學-設計的流程 02 Geometric Optics-雷射處理上的安全對策 03
Light is a form of electromagnetic energy,Light energy is conveyed through particles and waves.Overview of light sources:1. non-Laser:Thermal,Gas
discharge,LEDs.2.Laser:Continuous wave,Pulsed.The law of reflection:Consider virtual source P” instead of P,Alternative path P”O”P’ is longer than P”OP’,The refore,light
follows the symmetric path POP’.Optical waveguide:high-index dielectric material sandwiched between lower-index dielectrics.Optical fibers:Core diameter=8-10µm,Cladding
diameter=250µ m,Index contrast n=0.007,attenuation=0.25dB/km.Dispersion:In a dispersive prism, material dispersion causes different colors to refract at different angles,
splitting white light into a spectrum.Light transmission through the atmosphere is human vision 0.4-1.0.近場光學:Far Field:Distance>>WaveLengthNear
Field:Distance<<WaveLengthModulation:M<=1,M 表示對比度,對比度愈大愈容易識別(Modulatio 愈小,愈難識別,空間頻率愈高,愈難識別)Be Physical Optics, not
Geometrical Optics!aGeneral DiffractionbLasercInterferometrydDiffractive ElementeNonlinear OpticsfWaveguide and Optical FibersgMost Photonic ApplicationWhy
Geometrical Optics:In a word,wavelength is assumed to Zero.The basic concept is RAY. All the rays are Following reflection law, Snell law,which was derived from Fermat
Law.Geometrical Optics may convey wavefront slope, OPD, Intensity, polarization state.It works only with “well-behaved” beams.What is Paraxial Optics?Its ray heights are
limited to be very small.All the system are working as a first order equation.The Pin-Hole camera may suffer serious diffraction effect if the pin-hole diameter is less than 100
μm.理想成像可分為幾何成像及繞射成像光學系統有五種元素相生相剋:A.光譜 Light SpectrumB.材質 Optical MaterialsC.製程 Optical FabricationD.系統設計及規格
Optical System DesignE.Detector and Termina 光學材質 195nm 以下:CaF2(螢石)，反射面,100nm~365nm:光學玻璃(數百種),450nm~1000nm:塑膠材質(十餘種),波長
>2.5µm:Silcon、鍺、反射面當光遇到材質 1 反射 2 透射 3 吸收光學材質所要注意的事項 a.不均勻性 b.不易夾持 c.不易加工 d.熱漲冷縮 e.不易附著鍍膜 f.內應力大，
偏極光特性不良 g.透光率 h.表面特性 i.色散性製程的考慮點 a.材質取得及價格 b.良率 c.穩定性設計的內涵做出可以量產合乎規格的產品設計的工具成像系統:
CODE V，ZEMAX，OSLO 能量系統: ASAP，TRACE-PRO 設計的流程不斷的 check 材質，公差，透光率及量產性。Geometric Optics(1)Gaussian Optics(Ray
Optics)(2)Image Formation in Paraxial Optics(3)Matrix Ray Tracing(4)Optical AberrationsClassification: 1.Geometric Optics:optical system design,optical instrumentation,
(λ→0) Gaussian optics.2.Wave Optics:interference⇒optical metrology,(h→0) diffraction ⇒Fourier optics,polarization⇒crystal optics3.Quantum Optics:laser devices,laser
spectroscopy.4.Optoelectronics:optical detection,fiber communication.Electro-Optics products=laser+optical components+mechanical parts+electronics+computer control
Definitions:1.light source 2.geometric optics⇒Light is described by a straight ray or group of rays by using lenses, prisms,mirrors,…to manipulate light.3. reflection
refraction
dispersion of light
,
4.properties of optical elements
→aberration→optical design→instrumentation optics,ray tracing or radiometry→instrumentation optics←precision mechanics.5.optical path
length (O.P.L.)
6. principle of reversibilitySource(Image) ←→|Optical System|←→Image(Source)7.Rectilinear propagation in homogenous
medium(isotropic, monochromatic)8.light in non-homogenous mediumanisotropic⇒大氣折射(海市蜃樓),birefringence (雙折變),electro-optic crystal,nonlinear optics9.total
internal reflection (TIR)
Fermat’s Principle in modern form:A light
ray in going form point S to point P must traverse an optical path length (OPL) which is “stationary” with respect to variation of that path.(1)a.plane mirror (min.)b.elliptical
reflector (constant)c.spherical reflector (max.)(2)application of Fermat’s Principlea.law of reflection⇒plane mirrorb.law of refractionc.propagation through an optical system
常用光源包括雷射(laser)、發光二極體(light-emitting diode)、汞燈、鈉燈、太陽光、鎢絲燈。1.雷射介質:可將雷射區分為固態、液態及氣態三種。這些雷射介質的
基本特性即是能夠產生數量反轉的能階。固態雷射以紅寶石、Nd:YAG、Ti:Al2O3 為代表，而半導體雷射種類型式繁多，可歸屬於固態雷射。液態雷射有染料雷射。
氣態雷射有氦氖、氬離子、二氧化碳、氦鎘雷 射等。以雷射光輸出訊號區分又有連續光及脈衝光二種雷射。2.發光二極體:發光材料與半導體雷射相同，唯一較大
的差異在於半導體雷射光為受激放射光且具共振腔；而發光二極體發光為自發放射光不需共振腔，其頻寬較雷射光寬（約 10nm~50nm）。3.其他汞燈、鈉燈、鎢
絲燈、太陽光均屬自發放射光，其發光譜特性與其發光介質有關。光偵檢器包括光二極體(photo-diode),光電倍增管(photo-multiplier tube),雪崩二極體(APD,
avalanche photo-diode),電荷耦合器(CCD,charge-coupled device),互補性氧化金屬半導體(CMOS,Complementary MetalOxide Semiconductor).常用光學元件:透鏡(lens),面
鏡(mirror),分光鏡(BS,beam splitter),稜鏡(prism),偏光鏡(polarizer),1/2 波片(1/2waveplate),1/4,波片(1/4waveplate),濾波片(filter),光柵(grating),物鏡(objective),光纖(fiber).
鏡片清洗、雷射危險度的分類:第一級:低輸出雷射，不論何種條件下對眼睛，都不會超過 MPE 值，可以保 證設計上的安全，不必特別管理。第二級:低輸出的可
視雷射，人眼閉合的反應時間為 0.25 秒，用這段時間算出的曝光量不超過 MPE 值。通常 1ｍＷ以下的雷射，會導致暈眩無法思考，用閉合眼睛來保護，不能說完
全安全。第三級:中輸出雷射，光束若直接射入眼睛，會產生傷害，基於某些安全的理由，進一步分為 3Ａ和 3Ｂ級。3Ａ級為可見光的連續雷射，輸出為 5ｍＷ以
下的雷射光束，光束的能量密度不要超過 25W/mm2。3Ｂ級為 0.5Ｗ以下的連續雷射光，直接在光束內觀察有危險。但最小照射距離為 13ｃｍ，最大照射時間十
秒以下為安全。第四級:高輸出雷射高過第三級，有火災的危險，漫散反射也有危險。雷射處理上的安全對策: 1. 根據雷射裝置的級別，有關雷射的安全或傷害應
具有充分知識與認識的人 來 指導處理。 2. 三級以上的雷射必須使用於管制區域，必須要特殊保護設計，以防止雷射 能 量過度外洩，並有明顯警告標示。操作
應由有受過安全操作訓練的人來執 行。 3. 中級功率或中度危險以上雷射儀器需裝鎖，控制鑰匙以策安全。 4. 動作中的雷射裝置，假如不發出雷射光，也不要
探視光路。 5. CO2 雷射工作時，放射出眼睛看不到的紅外光，附近的人要特別注意。 6. 不能避免反射光或漫射光時，在使用三級以上的雷射時，可用雷射專用
護 目鏡。 7. 禁止使用光學儀器，如望遠鏡來觀察雷射光束。
40727119 四自三甲 邱思齊
Perfect Image System?1.Plane mirrors(reflection )Yes, perfect image system.2.Plane surfaces (refraction )Refraction occurs when the light that crosses
the surface between two transparent media. Snell’s law: