1、光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),一、什么是光 對(duì)于光的認(rèn)識(shí)人們經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的認(rèn)知過(guò)程： 早在古希臘，人們認(rèn)為光就像消防水龍中噴出的水柱一般，是一股由高速運(yùn)動(dòng)的微粒組成的流注，從而形成了流注說(shuō)。,流注說(shuō),流注由人眼發(fā)出，如觸須之辨物。 可以解釋為何只可看見(jiàn)眼前之物，并且閉上眼睛就不可見(jiàn)物。 流注由光源發(fā)出，經(jīng)物體反射后被人眼接收。 可以解釋為何黑暗無(wú)光處不可辨物。,那么，流注究竟是什么流呢？到十六世紀(jì)逐漸形成了微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。,微粒說(shuō)認(rèn)為：光是由發(fā)光體發(fā)出的粒子流，以極高的速度運(yùn)動(dòng)著。其的代表人物是英國(guó)的物理學(xué)家牛頓。 對(duì)光的直線傳播的解釋： 對(duì)反射的解釋： 反彈 對(duì)折射的解釋： 加速,當(dāng)V，m0時(shí)直線傳播 m

2、g,v,但微粒說(shuō)無(wú)法解釋光的獨(dú)立傳播。 沒(méi)有碰撞？,波動(dòng)說(shuō),波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為：光是由發(fā)光體發(fā)出的光波，就像人耳聽(tīng)到鈴鐺的聲波那樣，人眼看到的是燭火發(fā)出的光波。波動(dòng)說(shuō)的代表人物是荷蘭科學(xué)家惠更斯。 波也遵從反射定律和折射定律，并且不會(huì)因相互碰撞而改變方向。 但波并不完全按直線傳播，它應(yīng)能繞過(guò)障礙物，并能在相交處發(fā)生干涉。,空間頻率的干涉,波動(dòng)說(shuō)的全面勝利,由于微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)都有各自無(wú)法解釋的問(wèn)題，因此經(jīng)過(guò)了一百多年的爭(zhēng)論，依然勝負(fù)難分。直到1801年，著名的楊氏實(shí)驗(yàn)打破了這種僵局。 此后，菲涅爾著名的單縫衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了光的波動(dòng)性。 波長(zhǎng)的測(cè)定揭示了光的直線傳播和獨(dú)立傳播定律是在一定尺寸范圍內(nèi)的完

3、美的近似。因?yàn)槿粘５某叨确秶h(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)。 漂亮的黃綠色光，其波長(zhǎng)為555納米=0.555微米=0.000555絲，為通常的頭發(fā)絲直徑的千分之一倍。 因此除非是針對(duì)非常小的尺度或者光源的單色性和方向性極其的好，否則光的波動(dòng)特征并不能顯著的表現(xiàn)出來(lái)。,此后一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了光的波動(dòng)性：,首先1850年，法國(guó)物理學(xué)家傅科證明了介質(zhì)中的光速比空氣中慢，這對(duì)微粒說(shuō)又是一次致命的打擊。 此外，多譜勒效應(yīng)和光的偏振效應(yīng)都進(jìn)一步證明了光的波動(dòng)性。,V,麥克斯韋爾進(jìn)一步在理論上證明了光是一種電磁波，它和無(wú)線電波是同一種東西。它們共同在空氣中以每秒三十萬(wàn)公里的高速狂奔著，所不同的只是他們的頻率（或者

4、說(shuō)是波長(zhǎng)）而已。至此，光的波動(dòng)說(shuō)從實(shí)驗(yàn)到理論形成了完整的體系，占據(jù)了絕對(duì)的統(tǒng)治地位。就在波動(dòng)說(shuō)似乎成了無(wú)可辯駁的真理的時(shí)候，當(dāng)對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)人們發(fā)現(xiàn)：,光電子的數(shù)目正比于入射光的強(qiáng)度。 光電子的能量與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，強(qiáng)光與弱光打出來(lái)的光電子的飛行速度都是一樣的。 光電子的能量正比與入射光的頻率，并且對(duì)于每種金屬材料都存在著一個(gè)截至頻率，低于這個(gè)頻率的入射光無(wú)論多強(qiáng)也的不到光電子。 這些現(xiàn)象似乎表明：光束照射在物質(zhì)上，其能量并非均勻的灑遍整個(gè)表面，而是有選擇的集中在了某些電子上。這與波動(dòng)說(shuō)的預(yù)言大相徑庭，卻是微粒說(shuō)所能預(yù)料的。 波動(dòng)說(shuō)的權(quán)威地位終于受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。,直到1900年，普朗克給

5、出了輻射的基本能量單位h（能量子），進(jìn)而愛(ài)因斯坦在1905年指出：光是一種粒子流，每個(gè)粒子（光子）的能量為h，才成功的解釋了上述現(xiàn)象。,隨著光強(qiáng)的增大，擊中電子的光子數(shù)目增多，因而激發(fā)出的光電子數(shù)量也隨之增加。 既然光子的能量?jī)H與頻率有關(guān)（ h ），被光子激發(fā)出來(lái)的光電子所獲得的能量也為h，僅與頻率有關(guān)。 當(dāng)入射光頻率過(guò)低，其光子能量小于金屬材料的表面勢(shì)壘，則不能激發(fā)出電子，因而存在截至頻率。,粒子說(shuō)在沉寂多年后終于再次復(fù)興。但此時(shí)的粒子流已非從前的粒子流，因?yàn)槊總€(gè)粒子其實(shí)都被解釋為一個(gè)能量包，其能量值為h，是以波動(dòng)形式存在的，因?yàn)轭l率正是一切波動(dòng)共同專有的特征。 現(xiàn)代的研究表明：一切的微觀粒

6、子諸如電子、質(zhì)子等均有這種既表現(xiàn)出波動(dòng)性又表現(xiàn)出粒子性的波粒二相性。,h,h,h,h,h,光束,對(duì)于光的本質(zhì)的總結(jié),光是一種電磁輻射，它是一種可被人眼感知的具有波粒二相性的能量流。 在宏觀尺度，由于光（或其他一些短波輻射）的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于度量尺度，其波動(dòng)特性難以顯現(xiàn)或者說(shuō)是微小的可以忽略，故表現(xiàn)出很強(qiáng)的粒子性，因而可用幾何光學(xué)很好的進(jìn)行近似描述。 在微觀尺度，當(dāng)參照尺寸接近其波長(zhǎng)或輻射源表現(xiàn)出很好的相干性時(shí)，其波動(dòng)的特性就十分明顯的表征出來(lái)，此時(shí)必須用波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行描述。 在量子尺度，當(dāng)光（或輻射）與電子、質(zhì)子這樣的微觀粒子發(fā)生作用時(shí)（如光電效應(yīng)）則必須用量子理論加以描述了。,二、實(shí)用光學(xué)知識(shí),光

7、學(xué)可以說(shuō)是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，它的每一點(diǎn)進(jìn)展都伴隨著實(shí)踐的腳步。 在中國(guó)古代就有過(guò)利用冰塊來(lái)取火的記載：“削冰為球，舉以向日，可以取火?！倍畔ＥD也有過(guò)在海戰(zhàn)中利用鏡面反射日光焚毀敵船的傳說(shuō)。 古人的這些實(shí)踐用今天的光學(xué)理論來(lái)說(shuō)就是聚焦或成像。,幾何光學(xué)的基本定律與基本概念,直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿直線傳播的。 獨(dú)立傳播定律：從不同光源發(fā)出的光線以不同的方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí)，彼此互不影響。 反射定律：入射到光滑反射界面的光線經(jīng)界面反射后，入射角與反射角大小相等方向相反。I = I 折射定律：入射光線、折射光線和界面法線三者在同一平面內(nèi)且入射角與出射角滿足公式 n sinI = n s

8、inI 焦點(diǎn)：平行于光軸入射光線的匯聚點(diǎn)，也就是無(wú)限遠(yuǎn)軸上點(diǎn)的像點(diǎn)。通過(guò)焦點(diǎn)且垂直于光軸的平面稱為焦面。 焦距：對(duì)于薄透鏡，近似的等于焦點(diǎn)到透鏡頂點(diǎn)的距離。其中在入射方的稱為物方焦距，用小寫(xiě)字母 f 表示。其中在出射方的稱為像方焦距，用 f 表示。 對(duì)于物點(diǎn)、物面、物距 l ;像點(diǎn)、像面、像距 l 有著類似的描述。 共軛距：物像之間的關(guān)系稱為公軛，物像之間的距離稱為共軛距,常見(jiàn)光學(xué)零件的基本形式,透鏡及其基本類型雙凸平凸正彎月雙凹平凹負(fù)彎月 正 負(fù) 平面零件的常見(jiàn)類型 反射鏡濾色鏡分光鏡 棱鏡 折射棱鏡反射棱鏡,成像公式與圖解,對(duì)于透鏡的成像關(guān)系可用下述牛頓公式進(jìn)行計(jì)算：1f = 1l - 1

9、l 并可用下列原則作圖求解平行于光軸入射的光線經(jīng)過(guò)透鏡后通過(guò)焦點(diǎn)。通過(guò)焦點(diǎn)的光線經(jīng)過(guò)透鏡后平行于光軸出射。通過(guò)主點(diǎn)（透鏡中心）的光線方向不變。,物面,物方焦面,像方焦面,像面,波動(dòng)光學(xué)方面涉及的主要內(nèi)容,干涉：等厚干涉牛頓環(huán)可理解為等高線，每個(gè)圈光程差為2。 面型誤差形勢(shì)判斷,偏振：光是電磁波，是振動(dòng)方向垂直于傳播方向的橫波。 但由于光是由無(wú)數(shù)光子集合而成，每個(gè)光子的振動(dòng)方向隨機(jī)分布、機(jī)會(huì)均等，因而自然光并不表現(xiàn)出偏振特性。 但在某些特定情況下會(huì)產(chǎn)生偏振光，而某些器件會(huì)對(duì)光產(chǎn)生特殊的偏振效果。偏振片：只允許特定方向偏振的光通過(guò)1/2波片：使偏振光轉(zhuǎn)過(guò)2角,液晶顯示原理,液晶材料具有波片的特性，

10、能使偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且隨著對(duì)其施加的電場(chǎng)而發(fā)生改變。,起偏器,LCD,檢偏器,起偏線偏光液晶電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)潛像檢偏顯像,三、顏色的常識(shí),什么是顏色？牛頓色散實(shí)驗(yàn)白光白光七色光帶單色光單色光白光七色光白光顏色的實(shí)質(zhì)是人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的不同的刺激反應(yīng)。 波長(zhǎng)與輻射特性：,紅橙黃綠青藍(lán)紫,顏色的生理學(xué)機(jī)理,為什么白天五彩繽紛，夜晚灰暗陰森？視網(wǎng)膜：桿體細(xì)胞感光灰藍(lán)色 錐體細(xì)胞感色感紅、感綠、感藍(lán) 彩色的特征：明度：人眼對(duì)物體明亮程度的感覺(jué)。彩色光的亮度越高，則明度就越高。色調(diào)：區(qū)分各種不同色彩的特征，是可見(jiàn)光譜不同波長(zhǎng)的輻射在視覺(jué)上的表現(xiàn)。飽和度：彩色的純潔性。可見(jiàn)光譜中的各種單色光飽和度最

11、高。 彩色的描述：隨著工業(yè)化的發(fā)展，迫切需要一種客觀科學(xué)的描述顏色的方法。,色品圖和色坐標(biāo),x=1,y=1和原點(diǎn)z為假象的三原色，且x+y+z=1。 馬蹄線上為光譜色，是飽和度（純度）最高的顏色，自然界內(nèi)任何色彩（物理上能夠?qū)崿F(xiàn)的）均包含在馬蹄線內(nèi)。 y=0為無(wú)亮度線，y值同時(shí)也表示亮度。因此在視覺(jué)上藍(lán)色與紅色感覺(jué)較暗，綠色則較為明亮 中心點(diǎn)E為等能白，色坐標(biāo)為x=y=z=0.3333 C點(diǎn)為正午日光色，很接近等能白，其色坐標(biāo)為：x=0.3101, y=0.3162,z=0.3737。,混色原理：加色混色,人的視覺(jué)只能分辨顏色的三種變化：明度，色調(diào)，飽和度。 由兩組分組成的混合色中，如其中一個(gè)組分連續(xù)的變化，則混合色的外貌也將連續(xù)的變化。 外貌相同的光不管其光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果。 混合色的總亮度等于組成混合色各色光亮度的總和。 混色作圖法：k：比例因子C1：色光1比重C2：色光2比重P1：色光1 P2：色光2 P：混合色,P1,P,P2,kC2,kC1,四、投影機(jī)原理及其對(duì)零部件的要求投影機(jī)中綜