1、1 基 本 光 學(xué) 知 識2 內(nèi)內(nèi) 容：容： 1、光的三大定律、光的三大定律 2、光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律、光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律 3、焦點、彌散圓和景深、焦點、彌散圓和景深 4、色散現(xiàn)象和色像差、色散現(xiàn)象和色像差 5、球差、像散、慧差、場曲和畸變、球差、像散、慧差、場曲和畸變 6、人的眼睛、人的眼睛3 直線傳播定律、反射定律和折射直線傳播定律、反射定律和折射定律定律光的三大定律光的三大定律 4光的光的直線傳播定律直線傳播定律 光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。 5光的光的反射定律反射定律 反射角等于入射角，反射角等于入射角，i = i。 6 對于理想的反射面而言，鏡面表面亮度

2、取決對于理想的反射面而言，鏡面表面亮度取決于視點，觀察角度不同，表面亮度也不同；于視點，觀察角度不同，表面亮度也不同； 一個理想的漫射面將入射光線在各個方向做一個理想的漫射面將入射光線在各個方向做均勻反射，其亮度與視點無關(guān)，是個常量。均勻反射，其亮度與視點無關(guān)，是個常量。7光的光的折射定律折射定律 n1 sin i = n2 sin r n1和和n2分別表示兩種介分別表示兩種介質(zhì)的折射率；質(zhì)的折射率； i為入射角，為入射角，r為折射角。為折射角。8 折射率為光在兩種介質(zhì)種的傳播速度之比，折射率為光在兩種介質(zhì)種的傳播速度之比，即即 n2/n1 = v1/v2 一種介質(zhì)的絕對折射率為一種介質(zhì)的絕對

3、折射率為 n = c/v 式中式中c是真空中光的速度，是真空中光的速度，v為該介質(zhì)中光的為該介質(zhì)中光的速度。速度。 9光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律10正透鏡（凸透鏡）正透鏡（凸透鏡） 鏡片中心比邊緣厚，起聚光作用。鏡片中心比邊緣厚，起聚光作用。 11負(fù)透鏡（凹透鏡）負(fù)透鏡（凹透鏡） 鏡片中心比邊緣薄，起發(fā)散作用。鏡片中心比邊緣薄，起發(fā)散作用。 12反光鏡反光鏡 13透鏡透鏡成像規(guī)律成像規(guī)律14焦點、彌散圓和景深焦點、彌散圓和景深15 與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀的擴應(yīng)該是所有的光線聚集在一

4、點后，再以錐狀的擴散開來，這個聚集所有光線的一點，就叫做散開來，這個聚集所有光線的一點，就叫做焦點焦點。16 在焦點前后，光線開始聚集和擴散，點的影象在焦點前后，光線開始聚集和擴散，點的影象變成模糊的，形成一個擴大的圓，這個圓就叫做變成模糊的，形成一個擴大的圓，這個圓就叫做彌散圓彌散圓。17 人的肉眼所感受到的影像與放大倍率、投影距人的肉眼所感受到的影像與放大倍率、投影距離及觀看距離有很大的關(guān)系，如果彌散圓的直徑離及觀看距離有很大的關(guān)系，如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內(nèi)實際影像產(chǎn)小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內(nèi)實際影像產(chǎn)生的模糊是不能辨認(rèn)的。這個不能辨認(rèn)的彌散圓生的模糊是不能辨

5、認(rèn)的。這個不能辨認(rèn)的彌散圓就稱為就稱為容許彌散圓容許彌散圓。 35mm35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對角線長度的角線長度的1/10001/15001/10001/1500左右。前提是畫面放左右。前提是畫面放大為大為5x75x7英寸的照片，觀察距離為英寸的照片，觀察距離為2530cm2530cm。18 在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離就叫圓之間的距離就叫景深景深，即：在被攝主體，即：在被攝主體( (對焦對焦點點) )前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景

6、深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現(xiàn)在底片景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現(xiàn)在底片面的影象模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內(nèi)。面的影象模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內(nèi)。 以持照相機拍攝者為基準(zhǔn)，從焦點到近處容許以持照相機拍攝者為基準(zhǔn)，從焦點到近處容許彌散圓的的距離叫彌散圓的的距離叫前景深前景深，從焦點到遠方容許彌，從焦點到遠方容許彌散圓的距離叫散圓的距離叫后景深后景深。1920景深的計算公式：景深的計算公式： f鏡頭焦距 F 鏡頭的拍攝光圈值從公式從公式(1)(1)和和(2)(2)可以看出，可以看出，后景深后景深 前景深前景深。21景深的經(jīng)驗公式：景深的經(jīng)驗公式：22 景深與鏡頭使用光圈、鏡

7、頭焦距、拍攝距離以景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及容許彌散圓的大小有關(guān)。這些主要因素對景深及容許彌散圓的大小有關(guān)。這些主要因素對景深的影響如下的影響如下( (假定其他的條件都不改變假定其他的條件都不改變) )： (1)(1)、鏡頭光圈：、鏡頭光圈： 光圈越大，景深越?。还馊υ叫?，景深越大；光圈越大，景深越?。还馊υ叫?，景深越大； (2)(2)、鏡頭焦距、鏡頭焦距 鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深鏡頭焦距越長，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大；越大； (3)(3)、拍攝距離、拍攝距離 距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。23 光圈越大，景深

8、越??；光圈越小，景深越大；光圈越大，景深越?。还馊υ叫?，景深越大；24 景景 深深 的的 實實 際際 拍拍 攝攝 照照 片片 - 只改變鏡頭光圈和快門速度只改變鏡頭光圈和快門速度25光圈光圈f/2.8 f/2.8 曝光時間曝光時間1/125 s1/125 s26光圈光圈f/5.6 f/5.6 曝光時間曝光時間1/30 s1/30 s27光圈光圈f/11 f/11 曝光時間曝光時間1/8 s1/8 s28光圈光圈f/22 f/22 曝光時間曝光時間1/2 s1/2 s29色色 散散 現(xiàn)現(xiàn) 象象 和和 色色 像像 差差30 白光中人眼可以感受到的可見光的波長為白光中人眼可以感受到的可見光的波長為4

9、00nm(400nm(紫色紫色)700nm( )700nm( 紅色紅色) )。當(dāng)白光通過三棱境。當(dāng)白光通過三棱境時，我們可以觀察到彩虹光譜。不同波長的光的時，我們可以觀察到彩虹光譜。不同波長的光的折射率不同而引起的彩虹光譜稱之為折射率不同而引起的彩虹光譜稱之為色散現(xiàn)象色散現(xiàn)象。 31 在光學(xué)鏡頭中，這種起因于不同波長的光造在光學(xué)鏡頭中，這種起因于不同波長的光造成的像差，我們稱為成的像差，我們稱為色像差色像差。 色像差分成色像差分成軸向色像差軸向色像差和和倍率色像差倍率色像差兩種。兩種。 32 軸向色像差軸向色像差：指的是光軸上的位置，因波長：指的是光軸上的位置，因波長不同產(chǎn)生不同顏色有不同焦點

10、的現(xiàn)象。由于不同不同產(chǎn)生不同顏色有不同焦點的現(xiàn)象。由于不同色光焦距不同，物點不能很好的聚焦成一個完美色光焦距不同，物點不能很好的聚焦成一個完美的像點，所以成像模糊。的像點，所以成像模糊。33 倍率色像差倍率色像差：指由于不同色光焦距不同，所：指由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，引起的映像倍率改變，畫面邊緣以放大率不同，引起的映像倍率改變，畫面邊緣部分明暗交界處會有彩虹的邊緣。部分明暗交界處會有彩虹的邊緣。34 紅色光線的焦點比藍色光線的焦點更遠離鏡片。紅色光線的焦點比藍色光線的焦點更遠離鏡片。35 軸向色像差涉及到成像的焦點距離，引起色軸向色像差涉及到成像的焦點距離，引起色彩產(chǎn)生松散或光斑

11、；彩產(chǎn)生松散或光斑； 倍率色像差別則涉及到成像的大小，在畫面倍率色像差別則涉及到成像的大小，在畫面周圍引起色彩錯開，形成擴散的彩色條紋，如鑲周圍引起色彩錯開，形成擴散的彩色條紋，如鑲邊現(xiàn)象。邊現(xiàn)象。 36 消除色差的常用辦法之一是采消除色差的常用辦法之一是采用不同色散材料的光學(xué)元件來組用不同色散材料的光學(xué)元件來組成鏡頭，用其中的一種光學(xué)元件成鏡頭，用其中的一種光學(xué)元件的正色散來抵消另一種光學(xué)元件的正色散來抵消另一種光學(xué)元件所產(chǎn)生的負(fù)色差。例如我們公司所產(chǎn)生的負(fù)色差。例如我們公司望遠鏡的消色差鏡，利用折射率望遠鏡的消色差鏡，利用折射率較低的較低的PMMA做凸透鏡，利用折做凸透鏡，利用折射率較高的

12、射率較高的PC做凹透鏡，然后將做凹透鏡，然后將兩者配合在一起使用。兩者配合在一起使用。37 雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。波光線焦距較長。 通過合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合通過合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料，可以使藍光、紅光焦距恰好相鏡的材料，可以使藍光、紅光焦距恰好相等，這就基本消除了色差。等，這就基本消除了色差。 38 只對兩種有色光校正色差的，稱為穩(wěn)定只對兩種有色光校正色差的，稱為穩(wěn)定的的消色差鏡頭消色差鏡頭； 若對三種有色光同時校正色差的稱為若對三種有色光同時校正色差的稱為復(fù)復(fù)消色差鏡頭消色差鏡頭； 而對四種有色光校正色差

13、的則稱為而對四種有色光校正色差的則稱為超消超消色差鏡頭色差鏡頭。 39 雙膠合鏡的消色雙膠合鏡的消色差作用對于焦距較差作用對于焦距較長長 ( (如如300mm300mm以上以上) )的鏡頭效果會不理的鏡頭效果會不理想，因為鏡頭焦距想，因為鏡頭焦距愈長，由色散而引愈長，由色散而引起的色差也就愈嚴(yán)起的色差也就愈嚴(yán)重。重。 對于長焦鏡頭，對于長焦鏡頭，更常用的辦法是采更常用的辦法是采用特殊色散或超低用特殊色散或超低色散玻璃來制作光色散玻璃來制作光學(xué)元件。學(xué)元件。 40球差、像散、慧差、場曲和畸變球差、像散、慧差、場曲和畸變41球球 差差 42 由主軸上某一物點向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色平行光由主軸上某一物

14、點向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色平行光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若原光束不同孔徑角的束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若原光束不同孔徑角的各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸上的理想像平面處，形成一彌散光斑（俗稱模糊上的理想像平面處，形成一彌散光斑（俗稱模糊圈），則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。圈），則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。 43 當(dāng)平行的光線由鏡面的邊緣當(dāng)平行的光線由鏡面的邊緣( (遠軸光線遠軸光線) )通過時，通過時，它的焦點位置比較靠近鏡片；而由鏡片的中央通過它的焦點位置比較靠近鏡片；而由鏡片的中央通過的光線的光線( (近軸光線近軸光線) )，它的焦

15、點位置則比較遠離鏡片，它的焦點位置則比較遠離鏡片( (這種沿著光軸的焦點錯間開的量，稱為這種沿著光軸的焦點錯間開的量，稱為縱向球面像縱向球面像差差) )。 44 由于球面像差的緣故，就會在通過鏡頭中心部分由于球面像差的緣故，就會在通過鏡頭中心部分的近軸光線所結(jié)成的影像周圍，形成由通過鏡頭邊的近軸光線所結(jié)成的影像周圍，形成由通過鏡頭邊緣部分的光線所產(chǎn)生的光斑緣部分的光線所產(chǎn)生的光斑( (光暈光暈) )，使人感到所形，使人感到所形成的影象變成模糊不清，畫面整體好象蒙上一層紗成的影象變成模糊不清，畫面整體好象蒙上一層紗似的，變成缺少鮮銳度的灰蒙蒙的影像。這個光斑似的，變成缺少鮮銳度的灰蒙蒙的影像。這

16、個光斑的半徑稱為的半徑稱為橫向球面像差橫向球面像差。45 球面像差在鏡頭光圈全開或者接近全開的時候球面像差在鏡頭光圈全開或者接近全開的時候表現(xiàn)最為明顯，口徑愈大的鏡頭，這種傾向愈明顯。表現(xiàn)最為明顯，口徑愈大的鏡頭，這種傾向愈明顯。 在鏡頭使用上，通過縮小光圈可適當(dāng)消除球面像在鏡頭使用上，通過縮小光圈可適當(dāng)消除球面像差。差。46 球差的產(chǎn)生是因為理想的折射鏡面不是球面，但球差的產(chǎn)生是因為理想的折射鏡面不是球面，但是為了加工方便一般都是用球面來近似，所以引起是為了加工方便一般都是用球面來近似，所以引起球差。解決的方法是采用非球面技術(shù)。球差。解決的方法是采用非球面技術(shù)。47目前主要有三種制造非球面鏡

17、片的方法：目前主要有三種制造非球面鏡片的方法：1 1、研磨非球面鏡片：在整塊玻璃上直接研磨，這、研磨非球面鏡片：在整塊玻璃上直接研磨，這種制造工藝成本相對較高；種制造工藝成本相對較高；2 2、模壓非球面鏡片：采用金屬鑄模技術(shù)將融化的、模壓非球面鏡片：采用金屬鑄模技術(shù)將融化的光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃/ /光學(xué)樹脂直接壓制而成，這種制造工藝光學(xué)樹脂直接壓制而成，這種制造工藝成本相對較低；成本相對較低；483 3、復(fù)合非球面鏡片：在研磨成球面的玻璃鏡片表、復(fù)合非球面鏡片：在研磨成球面的玻璃鏡片表面上覆蓋一層特殊的光學(xué)樹脂，然后將光學(xué)樹脂部面上覆蓋一層特殊的光學(xué)樹脂，然后將光學(xué)樹脂部分研磨成非球面。這種制造工

18、藝的成本界于上述兩分研磨成非球面。這種制造工藝的成本界于上述兩種工藝之間。種工藝之間。49像像 散散 50 由位于主軸外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出由位于主軸外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，不的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，不能結(jié)成一個清晰像點，而只能結(jié)成一彌散光斑，則能結(jié)成一個清晰像點，而只能結(jié)成一彌散光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。51 像散現(xiàn)象由兩個互相垂直截面的光線構(gòu)成，與主像散現(xiàn)象由兩個互相垂直截面的光線構(gòu)成，與主軸光線無關(guān)。像散現(xiàn)象發(fā)生在像平面周邊部分，如軸光線無關(guān)。像散現(xiàn)象發(fā)生在像平面周邊部

19、分，如物體有成直角交叉的橫線和豎線，在像平面周邊成物體有成直角交叉的橫線和豎線，在像平面周邊成像時，橫線和豎線不能同時會聚成清晰的像，豎線像時，橫線和豎線不能同時會聚成清晰的像，豎線清晰時，橫線必模糊；橫線清晰時，豎線必模糊。清晰時，橫線必模糊；橫線清晰時，豎線必模糊。52慧慧 差差 53 由位于主軸外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出由位于主軸外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若在理的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若在理想像平面處不能結(jié)成清晰點，而是結(jié)成拖著明亮尾想像平面處不能結(jié)成清晰點，而是結(jié)成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧巴的

20、慧星形光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。差。54場場 曲曲 55 垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的清晰垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。56 場曲在望遠鏡中表現(xiàn)比較明顯，但是害處較小，場曲在望遠鏡中表現(xiàn)比較明顯，但是害處較小，我們使用望遠鏡很明顯可以看到邊緣成像不如中心，我們使用望遠鏡很明顯可以看到邊緣成像不如中心，這種邊緣模糊就主要是場曲

21、和彗差的綜合作用，其這種邊緣模糊就主要是場曲和彗差的綜合作用，其中場曲是主要的。中場曲是主要的。 場曲和彗差都與視場大小有關(guān)，視場越大則越嚴(yán)場曲和彗差都與視場大小有關(guān)，視場越大則越嚴(yán)重，所以現(xiàn)代望遠鏡不是很追求廣角設(shè)計。在視場重，所以現(xiàn)代望遠鏡不是很追求廣角設(shè)計。在視場較小的天文望遠鏡中，場曲和彗差就要輕微得多。較小的天文望遠鏡中，場曲和彗差就要輕微得多。 場曲和彗差雖然表現(xiàn)一致，但是還是很好分辨的，場曲和彗差雖然表現(xiàn)一致，但是還是很好分辨的，把一個星點放入視場，調(diào)節(jié)成點狀，再移動到視場把一個星點放入視場，調(diào)節(jié)成點狀，再移動到視場邊緣，這個星點就會散開，調(diào)節(jié)焦距，如果還可以邊緣，這個星點就會散

22、開，調(diào)節(jié)焦距，如果還可以調(diào)成一個點，說明只有場曲，如果怎么調(diào)也無法調(diào)調(diào)成一個點，說明只有場曲，如果怎么調(diào)也無法調(diào)節(jié)成點狀，說明有彗差作用。節(jié)成點狀，說明有彗差作用。57畸畸 變變 58 被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變。變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變。 59 畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲像的清晰度。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區(qū)別。之間的根本區(qū)別。 60 對于望遠鏡來說，色差、球差和像

23、散是最有害的對于望遠鏡來說，色差、球差和像散是最有害的像差，應(yīng)該得到有效控制，而場曲、畸變和彗差是像差，應(yīng)該得到有效控制，而場曲、畸變和彗差是較為無害的，不影響中心清晰度，所以一般放在次較為無害的，不影響中心清晰度，所以一般放在次要位置。要位置。 即使是高級的望遠鏡，場曲、畸變和彗差有的也即使是高級的望遠鏡，場曲、畸變和彗差有的也非常明顯。非常明顯。 61人人 的的 眼眼 睛睛6263 眼睛的聚焦能力主要來自角膜，但為了對不同距眼睛的聚焦能力主要來自角膜，但為了對不同距離的物體聚焦，眼睛靠改變晶狀體的前表面的曲率離的物體聚焦，眼睛靠改變晶狀體的前表面的曲率來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。 當(dāng)眼的調(diào)節(jié)放松時，如果物體