聊聊光学

最近没事常看光学知识。上次写了下光学像差。这次随便聊聊更大的光学。大家发现有什么错误，或者有什么想说的，还请畅所欲言。

首先要说：光学对于现代科学技术，是个非常重要的东西。最简单的一个例子：没有望远镜，就没有现代天文学。没有显微镜，就没有现代医学。而天文学和医学的大突破，直接带动了整个西方科学的发展。这两个学科如果没率先进入科学时代，我们现在大概还生活在蒙昧时代里。

其次，光学技术实在是和现代工业联系很密切。没有现代工业的材料、化工、精密加工和精密机械，就不会有好的光学产品。而好的光学产品也能帮助现代工业的其他方面，例如半导体制造和激光干涉仪。德国和日本作为世界工业技术两强，也拥有世界最发达的光学产业。这两个东西是相辅相成的。

所有光学系统，虽然种类纷繁复杂，但基本的原理都是一样的。都是简单的折射和反射。都是透镜，反射镜和棱镜组合出来的（它们可以是玻璃的，也可以是其他东西的，甚至是无形的。最后的作用也无非是两个：让人眼看到平常看不到的东西，或者让其他什么感光材料（化学或电子）看到，给记录下来。成像的基本点是聚焦。把一个点发出的发散的光线聚焦到一个点上，这样才能还原成一个点的像。

这两种类型的主要区别是：对于让肉眼直接看到的光学系统，光学系统成的是一个虚像。最后需要由人眼再做一个成像，才能看到（等于在视网膜上成了一个实像）。而对于让感光材料成像的光学系统，则是直接在感光材料上成一个实像。

光学系统有两个核心的特性。是所有的光学系统都具有的。它们是：物镜口径和焦距。但同样也是非常重要的两个特征，虽然能从上面两个计算出来，但经常是另外说明的，它们是：成像面的位置，和成像面的大小。焦比也是重要的数字之一。

光学系统的物镜口径决定了光学系统的主要性能。因为它是负责收集光线的东西。光学系统的所有其他部分，都只能在它收集到的光线上面起作用。所以它收集到了多少光，决定了光学系统能看到的东西的多少。它不仅决定了光学系统看到的东西的明暗程度，还决定了光学系统的分辨力（在常规条件下）。不仅如此，这个东西最后还决定光学系统有多大。光学系统越大，它就越贵。而且它也越沉和麻烦。什么东西都可能骗人，钱不会。所以口径也不会骗人。光学设计一样的系统，口径越大就越强，也越贵。

光学系统里，最丰富多彩的就是摄影镜头了。虽然它们的口径不是最大，分辨力也不是最强，但它们是最多样的。大概是因为它们的市场最大。所以竞争激烈，新技术也层出不穷。高科技镀膜技术，影像稳定技术，自动对焦技术，都是在摄影镜头上成功普及化并完善化的。

光学系统两个最大的追求，除了集光力，就是分辨力了。集光力是简单的受物镜口径约束。分辨力更麻烦一些。它受光学像差和衍射两个东西限制。像差的问题，我在另外一篇文章里稍微提了点。衍射的问题涉及到光的波动性。简而言之：光不是真的完全直线前进的。在接近于光的波长的尺度，光展现出波动性。好像物理波一样，会绕过类似尺度的东西继续传播。这个原理不仅对于镜片本身是正确的，对于任何被成像物体也是正确的。

对于可见光，这个问题不算太大。因为可见光的波长很短。都不到1微米。这是显微镜需要担心的问题了。因此才会出现电子显微镜来看更小的东西。但对于更长波长的波，衍射就是个大问题。所以射电望远镜和声纳之类的东西需要想各种办法解决衍射问题。不过直到最近为止，进展并不很大。最大的进步可能就是干涉技术的发明。能把望远镜的口径拓展到非常大（理论上可以超过地球的直径那么大，不过这只能改进分辨率，不能收集到更多光）。但波长的问题还是存在。

但最近几年，因为纳米技术和材料技术的新进步，在理论上曾经被认为不可能制造的“超级镜头”变得可能了。这个东西需要用折射率为负数的材料做透镜，理论上能做到无限的分辨率。折射率为负数的材料，过去是认为不可能的。但现在因为有metamaterial这种东西的出现，现在也是可能了。

光学过去曾经是现代科学启蒙的实用学科之一。以后的发展更是会随着科学的进步而发展。因为归根结底，人如果要研究任何东西，都必须首先看到它。