1、光學(xué)基礎(chǔ)知識,第一章 幾何光學(xué)基本原理,第一節(jié) 光波與光線,研究光的意義: 90%信息由視覺獲得,光波是視覺的載體,光是什么？彈性粒子彈性波電磁波波粒二象性,1666年：牛頓提出微粒說，彈性粒子,1678年：惠更斯提出波動說，以太中傳播的彈性波,1873年：麥克斯韋提出電磁波解釋，電磁波,1905年：愛因斯坦提出光子假設(shè),20世紀(jì)：人們認(rèn)為光具有波粒二象性,一般情況下, 可以把光波作為電磁波看待，光波,波長：,光的本質(zhì)是電磁波 光的傳播實際上是波動的傳播,物理光學(xué)： 研究光的本性，并由此來研究各種光學(xué)現(xiàn)象,幾何光學(xué)： 研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象,可見光：波長在400-760nm范圍紅外波段：波

2、長比可見光長紫外波段：波長比可見光短,幾何光學(xué)的研究對象和光線概念,研究對象 不考慮光的本性 研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象,特 點 不考慮光的本性，把光認(rèn)為是光線,光線是能夠傳輸能量的幾何線，具有方向,光波的傳播問題就變成了幾何的問題 所以稱之為幾何光學(xué),當(dāng)幾何光學(xué)不能解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，例如干涉、衍射時，再采用物理光學(xué)的原理,采用光線概念的意義： 1.用光線的概念可以解釋絕大多數(shù)光學(xué)現(xiàn)象：影子、日食、月食 2.絕大多數(shù)光學(xué)儀器都是采用光線的概念設(shè)計的,第二節(jié) 幾何光學(xué)基本定律,一、光的傳播現(xiàn)象的分類,燈泡,空氣,玻璃,光的傳播可以分類為： 1、光在同一種介質(zhì)中的傳播； 2、光在兩種介質(zhì)分界面上的

3、傳播。,二、幾何光學(xué)基本定律,1、光線在同一種均勻透明介質(zhì)中時：,成分均勻,透光,2、光線在兩種均勻介質(zhì)分界面上傳播時: 反射定律，折射定律,直線傳播,AO: 入射光線 OB: 反射光線 OC: 折射光線 NN: 過投射點所做的分界面法線 I1: 入射光線和分界面法線的夾角 ，入射角 R1: 反射光線和分界面法線的夾角， 反射角 I2: 折射光線和分界面法線的夾角 ，折射角,第三節(jié) 折射率和光速,一、折射定律和折射率的物理意義,折射定律：,折射光線在入射面內(nèi),Sin I1 Sin I2,n 1, 2,n1,2 : 第二種介質(zhì)相對于第一種介質(zhì)的折射率,Q,O,Q,SinI1 1 SinI2 2,

4、= n 1, 2,第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)折射率等于第一種介質(zhì)中的 光速與第二種介質(zhì)中的光速之比。,=,二、相對折射率與絕對折射率,1、相對折射率： 一種介質(zhì)對另一種介質(zhì)的折射率,2、絕對折射率,介質(zhì)對真空或空氣的折射率,3、相對折射率與絕對折射率之間的關(guān)系,相對折射率：,1 2,n 1, 2,=,第一種介質(zhì)的絕對折射率：,第二種介質(zhì)的絕對折射率：,n 1,=,n 2,=,所以,n 1, 2,=,n 2 n 1,空氣 n=1,水 n=1.33,I1,I2,玻璃 n=1.5,空氣 n=1,I1,空氣 n小,玻璃 n大,c,I1,空氣 n小,玻璃 n大,第四節(jié) 光路可逆和全反射,一、光路可逆,A,B

5、,1、現(xiàn)象,光路可逆的作用： 用于求光學(xué)器件或器件組的焦點 在光學(xué)設(shè)計中進(jìn)行逆向計算：所需目鏡放大倍數(shù)，顯微物鏡調(diào)節(jié)等,二、全反射,1、現(xiàn)象,水,空氣,A,I1,R1,I2,O1,O2,O3,O4,I0,2、發(fā)生全反射的條件,必要條件： n1n2 由光密介質(zhì)進(jìn)入光 疏介質(zhì),充分條件： I1I0 入射角大于全反射角,當(dāng)光線從玻璃射向與空氣接觸的表面時，玻璃的折射率不同、對應(yīng)的臨界角不同,3、全反射的應(yīng)用,用棱鏡代替反射鏡：減少光能損失,第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念,各種各樣的光學(xué)儀器 顯微鏡:觀察細(xì)小的物體 望遠(yuǎn)鏡:觀察遠(yuǎn)距離的物體 各種光學(xué)零件反射鏡、透鏡和棱鏡,光學(xué)系統(tǒng)：把各種光學(xué)零件按

6、一定方式組合起來，滿足一定的要求,光學(xué)系統(tǒng)分類,按介質(zhì)分界面形狀分： 球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中的光學(xué)零件均由球面構(gòu)成 非球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中包含有非球面 共軸球面系統(tǒng)：系統(tǒng)光學(xué)零件由球面構(gòu)成，并且具有一條對稱軸線 今后我們主要研究的是共軸球面系統(tǒng)和平面鏡、棱鏡系統(tǒng),按有無對稱軸分： 共軸系統(tǒng)：系統(tǒng)具有一條對稱軸線，光軸 非共軸系統(tǒng)：沒有對稱軸線,二、成像基本概念,1、透鏡類型,正透鏡：凸透鏡，中心厚，邊緣薄，使光線會聚,也叫會聚透鏡 會聚：出射光線相對于入射光線向光軸方向折轉(zhuǎn),負(fù)透鏡：凹透鏡，中心薄，邊緣厚，使光線發(fā)散，也叫發(fā)散透鏡 發(fā)散：出射光線相對于入射光線向遠(yuǎn)離光軸方向折轉(zhuǎn),2、透鏡作用成像,A,A

7、,A點稱為物體A通過透鏡所成的像點。而把A稱為物點,A為實際光線的相交點，如果在A處放一屏幕，則可以在屏幕上看到一個亮點，這樣的像點稱為實像點。 A和A稱為共軛點。 A與A互為物像關(guān)系，在幾何光學(xué)中稱為“共軛”。,3、透鏡成像原理 正透鏡：正透鏡中心比邊緣厚，光束中心部分走的慢，邊緣走的快。,A,O,P,Q,P,Q,O,A,P,Q,成實像,負(fù)透鏡: 負(fù)透鏡邊緣比中心厚，所以和正透鏡相反，光束中心部分走得快，邊緣走得慢。,A,A,成虛像,第六節(jié) 攝影光學(xué)基礎(chǔ),最早的照相機(jī)小孔成像：,一般的放大鏡就可以作為照相的鏡頭。 缺點：有色差、球面差、像場畸變、軸外向差等等的問題，這些問題使得影像不清楚或是

8、邊緣影像不清楚，或者是變形嚴(yán)重。 一個可以獨立使用的鏡頭都是一個相當(dāng)于凸透鏡的鏡頭組，常由多片鏡片構(gòu)成，單眼相機(jī)用裝在鏡頭與相機(jī)之間的加倍鏡則是一個相當(dāng)于凹透鏡的鏡頭組。,1. 焦距,在單透鏡而言，如果窗外景物夠遠(yuǎn)，那么透鏡到倒立影像之距離可視為焦距。如要更確實的量測，可以對著太陽在地面呈像，再量測透鏡到影像的距離。,要知道真正的焦距，還有一個方法，就是用物距與像距來計算，因為物距與像距的比與物高與像高的比值是一樣的，物高可以找一個已知高度的物體，像高可以量測，物距可以量測，像距就可以計算出來，而物距超過焦距五十倍以上時，算出來的像距已經(jīng)極接近焦距的數(shù)值。,2. 物像關(guān)系基礎(chǔ)公式,高斯公式：,

9、p 為物距，q 為像距，f 為焦距,在一般攝影時像距其實與焦距非常接近，但是在微距攝影時，像距則可能大于焦距，此時放大率會超過 1。利用高斯公式其實也可以導(dǎo)出放大率公式： 放大率 mp/q,2. 色差,透鏡最主要像差一般為色差，大家都知道三棱鏡會將白光分散為光譜，透鏡的側(cè)面看來其實也像棱鏡，所以會有色差，紅光波長較長，結(jié)果紅光焦點就比藍(lán)光焦點長，因此焦點不在同一平面上，所以目鏡看紅光影像清晰，藍(lán)光影像就不清晰，反之亦然，用沒有消色差的透鏡當(dāng)物鏡就會看到物體鑲了紅邊或藍(lán)邊，不夠清晰。,3. 像差,透鏡除了色差之外還有許多其他的影像變形，可通稱為像差。 垂直于透鏡面的中心線稱為光軸。接近光軸處像差

10、較小，越遠(yuǎn)離光軸處像差越大。,像場彎曲,一般攝影鏡頭都會盡量減少這些像差，而外加的加倍鏡，不管是加在鏡頭前方的加倍鏡或廣角鏡，或者是加在鏡后的加倍鏡，幾乎都會增加像差，因此外加鏡頭都會造成畫質(zhì)降低。,4. 焦比（光圈）,鏡片焦距除以口徑的商，稱為焦比，焦比大時像差較不明顯，但是影像較暗。焦比如果是 4，常常寫成 f/4。在攝影鏡頭上一般會使用【光圈】這個名詞，而較少用焦比。,以最大光圈值1.4的標(biāo)準(zhǔn)鏡而言，光圈的數(shù)值會標(biāo)出：1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22 等。每兩個數(shù)字之差距稱為差一級，每一級之間的關(guān)系大約為 1.4 倍，焦距如果一定，那就表示鏡片開口直徑縮減為 1/1.

11、4，此為直徑比，經(jīng)平方換算為開口面積比則為 2 倍，所以每一級光圈之間的進(jìn)光量，剛好是 2 倍或者是 1/2 倍的關(guān)系。如下圖就是某個鏡頭光圈在 5.6、8、11 的開口狀況。 此處請注意【光圈值】與【光圈】是不同的，光圈值越大，光圈開口其實越小，反之亦然,還有一種說法： 光圈值其實是進(jìn)到感光面上光錐的夾角，角度越大，光圈值越小。如果采用這種說法，在說明邊角失光的問題上就更容易明白。,5. 景深,景深： 指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。在聚焦完成后，在焦點前后的范圍內(nèi)都能形成清晰的像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。,光圈、鏡頭、及拍攝物的距離是影響景深的重要因素： 1、光圈越大（光圈值f越?。┚吧钤綔\