TWI642969B

TWI642969B - Light path rendering method

Info

Publication number: TWI642969B
Application number: TW106142542A
Authority: TW
Inventors: 江俊明; 馬仕信; 洪耀正
Original assignee: 逢甲大學
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2018-12-01
Also published as: TW201925850A

Abstract

本發明係一種光學中觀察光線行進路線的技巧，以散射元件將光線散射，來描繪該光線之路徑，並將此技術應用於科學與工程光學實驗上，讓觀察者直接觀察到各種的物理現象，本發明主要是利用光線的散射及照相曝光的技巧來記錄光線的路徑，藉由較傳統雲霧室清楚明亮的光線來實施直觀的物理現象，增進觀察者的學習動力及興趣，因此本發明可應用於多種光學之實驗與量測，也可應用於教學用光學實驗器材的設計中。

Description

光路徑描繪方法

本發明相關於一種光學實驗中觀察光線行進路線描繪的方法。

光學（Optics），是物理學的分支，主要是研究光的現象、性質與應用，包括光與物質之間的交互作用、光學儀器的製作。光學通常研究紅外線、紫外線及可見光的物理行為。因為光是電磁波，其它形式的電磁輻射，例如X射線、微波、電磁輻射及無線電波等等也具有類似光的特性。

大多數常見的光學現象都可以用古典電動力學理論來說明。但是，通常這全套理論很難實際應用，必需先假定簡單模型。幾何光學的模型最為容易使用。它試圖將光當作射線（光線），能夠直線移動，並且在遇到不同介質時會改變方向；它能夠解釋像直線傳播、反射、折射等等很多光線現象。物理光學的模型比較精密，它把光當作是傳播於介質的波動（光波）。除了反射、折射以外，它還能夠以波性質來解釋向前傳播、干涉、偏振等等光學現象。幾何光學不能解釋這些比較複雜的光學現象。在歷史上，光的射線模形首先被發展完善，然後才是光的波動模形。

很多現象涉及到光的波粒二象性。只有量子力學能夠解釋這些現象。在量子力學裏，光被視為由一群稱為光子的粒子組成。量子光學專門研究怎樣用量子力學來解釋光學現象。

進一步將光學細分類。光的純科學領域，通常被稱為光學或「光學物理」。應用光學通常被稱為光學工程。光學工程中涉及到照明系統的部分，被特別稱為「照明工程」。每一個分支在應用、技術、焦點以及專業關聯上，都有很大不同。在光學工程中，比較新的發現，通常被歸類為光子學（photonics）。

因為光學在實際中被廣泛應用，光學物理和工程光學，在領域上，有很大程度的互相交叉。光學也與電子工程、物理學、天文學、醫學（尤其是眼科學與視光學）等許多學科密切相關。很多關鍵科技都能找到光學的研究果實，包括鏡子、透鏡、望遠鏡、顯微鏡、雷射、光纖、發光二極體、光伏等等。

很早以前，古埃及人與美索不達米亞人就知道將石英晶體磨光製成透鏡，有些亞述透鏡的年齡確定已達3000年，例如寧路德透鏡（Nimrud lens），這是已知最早的光學透鏡。這些透鏡可能被用來放大影像或焦聚陽光。1995年4月，中國陝西省扶風縣黃推村發掘出一件青銅凹面鏡，被認為是西周中期（距今約3000年）或更早的物品，經鑑定是用於聚光生火的用具，古稱為陽燧或夫燧。《周禮·秋官》記載了「司烜氏」一官職，負責用陽燧在太陽光下取火，作為祭祀儀式的一部分。1972年，扶風縣莊白劉家村也出土了一件被斷定為西周時期的青銅凹面鏡。此外在陝西長安縣張家坡西周墓地M170號墓、北京昌平白浮2號和3號西周墓都曾發現西周時期的青銅凸面鏡。

當傳播中的輻射，像光波、音波、電磁波、或粒子，在通過局部性的位勢時，由於受到位勢的作用，必須改變其直線軌跡，這物理過程，稱為散射。這局部性位勢稱為散射體，或散射中心。局部性位勢各式各樣的種類，無法盡列；例如，粒子、氣泡、液珠、液體密度漲落、晶體缺陷、粗糙表面等等。在傳播的波動或移動的粒子的路徑中，這些特別的局部性位勢所造成的效應，都可以放在散射理論（scattering theory）的框架裏來描述。

現今對於光學的物理教學實驗系使用雲霧室來以散攝呈現要探討的光系統與光路徑，但是雲霧室過於昂貴，複雜度過高，且雲霧室的裝設與操作也不方便，因此本發明提供光路徑描繪方法，係一種光學中觀察光線行進路線的技巧，以散射元件將光線散射，來描繪該光線之路徑，並可將此技術應用於科學與工程教育上，讓觀察者直接觀察到各種的物理現象，本發明主要是利用光線的散射及照相曝光的技巧來記錄光線的路徑，藉由較傳統雲霧室清楚明亮的光線來實施直觀的物理現象，增進觀察者的學習動力及興趣。

本發明之一目的，即在提供一種光路徑描繪之方法，其用於教學系統，以一散射元件搭配影像擷取裝置，描繪光線之路徑，取代傳統光學實驗所使用之雲霧室。

為達上述之功效，本發明揭示一種光路徑描繪方法，包含步驟：使用一光源射出一光線；使用一散射元件放置於該光源之一預測光路徑上；將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線；以及使用一影像擷取裝置同時擷取該散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生至少一影像；分析該至少一影像以取得一光路徑。

本發明之一實施例中，其中該光源為雷射或發光二極體。

本發明之一實施例中，其中該光線為聚焦、散射、干涉、繞射、折射及漫射。

本發明之一實施例中，其中該散射元件為紙張或表面粗糙之材料。

本發明之一實施例中，其中於將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線之步驟後，步驟更包含：重複以該預定距離移動該散射元件，與該光線形成複數個散射光線；使用一影像擷取裝置於每次移動該散射元件時，同時擷取該些個散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生複數個影像；將該些個影像進行疊合，產生一疊合影像；以及分析該疊合影像，以取得一光路徑。

本發明之一實施例中，其中於使用一影像擷取裝置同時擷取該散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生至少一影像之步驟中，該影像擷取裝置依據該光線亮度之高低，改變曝光時間。

本發明之一實施例中，其中於將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線之步驟中，依據該光線亮度之高低，改變該預定距離。

以下根據第1圖至第3F圖，分別為本發明之光路徑描繪方法之流程圖、本發明之另一實施例之流程圖、本發明之流程示意第一圖、本發明之流程示意第二圖以及本發明之流程示意第三圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。

請參閱第1圖至第2圖，如第1圖與第2圖所示，本發明之光路徑描繪方法，該方法至少包含以下步驟：

步驟S02：使用光源射出光線；

步驟S04：使用散射元件放置於光源之預測光路徑上；

步驟S06：將散射元件移動於預測光路徑之預定距離，且與光線形成散射光線；

步驟S08：使用影像擷取裝置同時擷取散射光線以及光源進行曝光攝影，以產生影像；以及

步驟S10：分析該影像以光路徑。

如上述步驟所示，一併參閱第1圖、第3A圖至第3F圖，其為本發明之光路徑描繪方法之流程圖以及本發明之流程示意圖，如第3A圖所示，本發明之方法係使用一光源100、一散射元件300、一影像擷取裝置500；如第3A圖與第3B圖所示，使用者經操作光源100並射出一光線200後，依據該光線200推測一預測路徑420，再如第3C圖所示，將散射元件300放置於預測路徑420上，阻擋光線200，再如第3D圖所示，將散射元件300移動一預設距離440，受阻擋之光線200與散射元件300形成一散射光線220，且光線200之亮度高低與散射光線220之亮度及預設距離440成正比，當光線200亮度高時，散射光線220之亮度高，預設距離440可以預設較長之距離，當光線200亮度低時，散射光線220之亮度低，預設距離440因為散射光線220之亮度降低而縮短距離，再如第3E圖所示，使用影像擷取裝置500，以曝光同時將光源100、光線200及散射光線220攝影，產生至少一影像520，最後如第3E圖所示，分析至少一影像520，使用影像軟體或裁減相片、底片之方式將散射元件300刪除，以取得一光路徑522。

接續上述，本發明可以雷射光或發光二極體作為光源100，而散射平面300為紙張或表面粗糙之材料。

接續上述，本發明之光線200可以為多種光學實驗之組合，如聚焦、散射、干涉、繞射、折射及漫射。

此外，本發明之更進一步包含另一實施例，其包含以下步驟：

步驟S12：使用光源射出光線；

步驟S14：使用散射元件放置於光源之預測光路徑上；

步驟S16：將散射元件移動於預測光路徑之預定距離，且與光線形成散射光線；

步驟S18：重複以該預定距離移動該散射元件，與該光線形成複數個散射光線；

步驟S20：使用一影像擷取裝置於每次移動該散射元件時，同時擷取該些個散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生複數個影像；

步驟S22：將該些個影像進行疊合，產生一疊合影像；以及

步驟S24：分析該疊合影像，以取得一光路徑。

如上述步驟所示，一併參閱第2圖、第3A圖至第3D圖及第4A圖至第4D圖，其為本發明之另一實施例之流程圖、本發明之流程示意圖以及本發明之另一實施例流程示意圖，本實施例中，因步驟S14~S16係與第1圖之步驟S02~S06相同之步驟，故不再贅述，本實施例於步驟S16後新增步驟S18~S24，並使用光源100、散射元件300、影像擷取裝置500，如第4A圖與第4B圖所示，在步驟S16後，使用者重複以預定距離440移動散射元件300，且使用影像擷取裝置500於每次以預定距離440移動散射元件300時，同時擷取些個散射光線220與光源100進行曝光攝影，影像擷取裝置500所擷取之結果為多個影像520，也就是說每移動一次散射元件300時就用影像擷取裝置500擷取光源100與散射光線220，擷取出一個影像，因此移動多次時將會擷取出複數影像520，再如第4C圖所示，將複數影像520以影像軟體或裁減相片、底片進行疊合，產生疊合影像540，最後如第4D圖所示，分析疊合後之疊合影像540，使用影像軟體或裁減相片、底片之方式取得一光路徑542。

綜上所述，本發明之光路徑描繪方法，並可將此技術應用於科學與工程教育上，讓觀察者直接觀察到各種的物理現象，藉由較傳統雲霧室清楚明亮的光線來實施直觀的物理現象，增進觀察者的學習動力及興趣，因此本發明可應用於多種光學之實驗與量測，如單雙狹縫可看到光路徑的實驗、白光的混光實驗以及透鏡焦距的量測，本發明之光路徑描繪方法與傳統使用雲霧室的光學實驗相比，簡化了實驗器材降低實驗成本，也增進觀察者對此物理現象的了解，本發明更可利用科學知識，提供更多的量測實驗或教具開發的運用。

以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之精神而在本發明之權利範圍中。

100‧‧‧光源

200‧‧‧光線

220‧‧‧散射光線

300‧‧‧散射元件

420‧‧‧預測路徑

440‧‧‧預定距離

500‧‧‧影像擷取裝置

520‧‧‧影像

522‧‧‧光路徑

540‧‧‧疊合影像

542‧‧‧光路徑

S02‧‧‧步驟S02

S04‧‧‧步驟S04

S06‧‧‧步驟S06

S08‧‧‧步驟S08

S10‧‧‧步驟S10

S12‧‧‧步驟S12

S14‧‧‧步驟S14

S16‧‧‧步驟S16

S18‧‧‧步驟S18

S20‧‧‧步驟S20

S22‧‧‧步驟S22

S24‧‧‧步驟S24

第1圖為本發明之光路徑描繪方法之流程圖；第2圖為本發明之另一實施例之流程圖；第3A圖至第3F圖為本發明之流程示意圖；以及第4A圖至第4D圖為本發明之另一實施例流程示意圖。

Claims

一種光路徑描繪方法，包含步驟：使用一光源射出一光線；使用一散射元件放置於該光源之一預測光路徑上；將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，並重複以不同之該預定距離移動該散射元件，且與該光線形成複數個散射光線；使用一影像擷取裝置於每次移動該散射元件時，同時擷取該些散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生複數個影像；將該些個影像進行疊合，產生一疊合影像；以及分析該疊合影像，以取得一光路徑。
如請求項1所述之光路徑描繪方法，其中該光源為雷射或發光二極體。
如請求項1所述之光路徑描繪方法，其中該光線為聚焦、散射、干涉、繞射、折射或漫射。
如請求項1所述之光路徑描繪方法，其中該散射元件為紙張或表面粗糙之元件。
如請求項1所述之光路徑描繪方法，其中於使用一影像擷取裝置於每次移動該散射元件時，同時擷取該散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生複數個影像之步驟中，該影像擷取裝置依據該光線亮度之高低，改變曝光時間。
如請求項1所述之光路徑描繪方法，其中於將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，並重複以不同之該預定距離移動該散射元件，且與該光線形成複數個散射光線之步驟中，依據該光線亮度之高低，改變該預定距離。
一種光路徑描繪方法，包含步驟：使用一光源射出一光線；使用一散射元件放置於該光源之一預測光路徑上；將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線；使用一影像擷取裝置同時擷取該散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生至少一影像，其中該影像擷取裝置依據該光線亮度之高低，改變曝光時間；以及分析該至少一影像以取得一光路徑。
如請求項7所述之光路徑描繪方法，其中於將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線之步驟中，依據該光線亮度之高低，改變該預定距離。
一種光路徑描繪方法，包含步驟：使用一光源射出一光線；使用一散射元件放置於該光源之一預測光路徑上；將該散射元件移動於該預測光路徑之至少一預定距離，且與該光線形成一散射光線，其中依據該光線亮度之高低，改變該預定距離；使用一影像擷取裝置同時擷取該散射光線以及該光源進行曝光攝影，以產生至少一影像；以及分析該至少一影像以取得一光路徑。