3. 光学基础：光的折射与反射、透镜成像原理、光通量与照度
做匀光设计，说白了就是在跟光打交道。你得先摸清光的脾气，才能驯服它。这一节我们聊几个最基础、也最绕不开的概念。我个人习惯，每次带新人，都会从这三个点讲起。
3.1 光的反射与折射
光在两种介质交界处，会干嘛？一部分弹回去，一部分穿过去。弹回去的叫反射，穿过去但拐了弯的叫折射。
反射定律
入射角等于反射角。这个太熟了，初中物理就学过。但在匀光系统里，反射不是只有镜面反射一种。
- 镜面反射：光打到光滑表面，反射方向整齐。比如反光镜、棱镜。
- 漫反射：光打到粗糙表面，向四面八方散射。比如白色涂料、扩散板。
- 混合反射：实际材料大多是这种，既有定向反射又有散射。
折射定律（斯涅尔定律）
光从空气进入玻璃，速度变慢，方向会向法线偏折。折射率 n 就是描述这种偏折能力的参数。
| 材料 | 折射率（约值） | 常见用途 |
|---|---|---|
| 空气 | 1.0003 | 近似为1 |
| 水 | 1.33 | 液浸透镜 |
| 普通玻璃 | 1.50 - 1.55 | 透镜、棱镜 |
| 聚碳酸酯（PC） | 1.58 - 1.60 | 匀光棒、导光板 |
| 高折射率玻璃 | 1.70 - 1.90 | 微型透镜阵列 |
这里有个关键概念——全内反射。当光从光密介质射向光疏介质，入射角大于临界角时，光会全部反射回来，没有折射。导光板、光纤、匀光棒，都是靠这个原理工作的。
3.2 透镜成像原理
透镜在匀光系统里，主要干两件事：聚光或整形。你想想看，一个点光源发出的光，经过透镜后变成平行光，或者反过来。这就是成像的基本逻辑。
凸透镜与凹透镜
- 凸透镜（正透镜）：中间厚边缘薄，会聚光线。焦距为正。
- 凹透镜（负透镜）：中间薄边缘厚，发散光线。焦距为负。
透镜成像公式：
1/f = 1/u + 1/v其中 f 是焦距，u 是物距，v 是像距。这个公式在匀光系统里，用来计算光源经过透镜后的光斑位置和大小。
透镜在匀光中的角色
匀光系统里，透镜不一定是用来成像的，更多时候是用来匹配光路。比如：
- 把LED的朗伯体发光，通过透镜变成近平行光，再进入匀光棒。
- 用透镜阵列（复眼透镜）把光斑分割成多个小单元，再叠加均匀化。
- 用柱面透镜在单方向上进行扩束或压缩。
3.3 光通量与照度
这两个概念，我见过太多人搞混了。光通量是光源发出的光总量，照度是单位面积上接收到的光量。一个是「产出」，一个是「密度」。
| 物理量 | 符号 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|---|
| 光通量 | Φ | 流明（lm） | 光源发出的可见光总功率 |
| 照度 | E | 勒克斯（lx） | 单位面积上接收的光通量 |
| 发光强度 | I | 坎德拉（cd） | 单位立体角内的光通量 |
| 亮度 | L | 尼特（nt） | 单位面积、单位立体角内的光通量 |
照度公式很简单：E = Φ / A。但实际匀光系统里，照度分布从来不是均匀的。中心照度高、边缘照度低，这叫「余弦四次方衰减」。我建议你记住一个经验值：对于普通LED加透镜的系统，边缘照度通常是中心的40%-60%。
3.4 知识结构图
下面这张图，把这一节的核心逻辑串起来了。你可以把它当作匀光光学基础的地图。
3.5 小结
这一节的内容，是匀光设计的「内功心法」。反射和折射决定了光怎么走，透镜决定了光怎么聚，光通量和照度决定了光有多少、有多密。嗯，这里要注意，后面讲匀光棒、复眼透镜、导光板时，这些概念会反复出现。先把它们刻在脑子里，后面就顺了。