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1、光学基础知识 第一章 几何光学基本原理 第一节 光波与光线 研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体 光是什么？弹性粒子弹性波电磁波波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性 一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待，光波 波长： 光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播 物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象 几何光学： 研究光的传播规律和传播现象 可见光：波长在400-760NM范围 红外波段：
2、波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短 几何光学的研究对象和光线概念 研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象 l 特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线 光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题 所以称之为几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干 涉、衍射时，再采用物理光学的原理 采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影 子、日食、月食 2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的 第二节 几何光学基本定律 一、光的传播现象的分类 灯泡空气玻璃 光的传播可以分类为： 1、光在同一种介质中的传播； 2、光在两种介质分
3、界面上的传播。 二、几何光学基本定律 1、光线在同一种均匀透明介质中时： 成分均匀 透光 2、光线在两种均匀介质分界面上传播时: 反射定律，折射定律 直线传播 AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角 ，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角 ，折射角 第三节 折射率和光速 一、折射定律和折射率的物理意义 折射定律： 折射光线在入射面内 Sin I1 Sin I2 n 1, 2 n1,2 : 第二种介质相对于第一种介质的折射率 Q O Q SinI1 1 Sin
4、I2 2 = n 1, 2 第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的 光速与第二种介质中的光速之比。 = 二、相对折射率与绝对折射率 1、相对折射率： 一种介质对另一种介质的折射率 2、绝对折射率 介质对真空或空气的折射率 3、相对折射率与绝对折射率之间的关系 相对折射率： 1 2 n 1, 2= 第一种介质的绝对折射率： 第二种介质的绝对折射率： n 1 = n 2 = 所以 n 1, 2= n 2 n 1 空气 n=1 水 n=1.33 I1 I2 玻璃 n=1.5 空气 n=1 I1 空气 n小玻璃 n大 c I1 空气 n小玻璃 n大 第四节 光路可逆和全反射 一、光路可逆 A
5、B 1、现象 光路可逆的作用： 用于求光学器件或器件组的焦点 在光学设计中进行逆向计算：所需 目镜放大倍数，显微物镜调节等 二、全反射 1、现象 水 空气 A I1 R 1 I2 O1O2 O3O4 I0 2、发生全反射的条件 必要条件： n1n2 由光密介质进入光 疏介质 充分条件： I1I0 入射角大于全反射 角 当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻 璃的折射率不同、对应的临界角不同 n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66 I04148 4184030 3952 3916 3841 377377373 3、全反射的应用 u 用棱镜代替反射镜：减少光能损失
6、 第五节 光学系统类别和成像的概念 各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体 各种光学零件反射镜、透镜和棱镜 光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求 光学系统分类 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条 对称轴线 今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统 按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 二、成像基本概念 1、透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜 会聚：出
7、射光线相对于入射光线向光轴方向折转 负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜 发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转 2、透镜作用成像 A A A点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点 A为实际光线的相交点，如果在A处放一屏幕，则可以 在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。 A和A称为共轭点。 A与A互为物像关系，在几何光 学中称为“共轭”。 3、透镜成像原理 正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢 ，边缘走的快。 A O P Q P Q O A P Q 成实像 负透镜: 负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反， 光束中心部分走得快，边缘走得慢。 A
8、 A 成虚像 第六节 摄影光学基础 最早的照相机小孔成像： 一般的放大镜就可以作为照相的镜头。 缺点：有色差、球面差、像场畸变、轴外向差等等 的问题，这些问题使得影像不清楚或是边缘影像不 清楚，或者是变形严重。 一个可以独立使用的镜头都是一个相当于凸透镜的镜头 组，常由多片镜片构成，单眼相机用装在镜头与相机之 间的加倍镜则是一个相当于凹透镜的镜头组。 1. 焦距 在单透镜而言，如果窗外景物够远，那么透镜到倒立影像之距离 可视为焦距。如要更确实的量测，可以对着太阳在地面呈像，再 量测透镜到影像的距离。 要知道真正的焦距，还有一个方法，就是用物距与像距来计算， 因为物距与像距的比与物高与像高的比值
9、是一样的，物高可以找 一个已知高度的物体，像高可以量测，物距可以量测，像距就可 以计算出来，而物距超过焦距五十倍以上时，算出来的像距已经 极接近焦距的数值。 2. 物像关系基础公式 高斯公式： p 为物距，q 为像距，f 为焦距 在一般摄影时像距其实与焦距非常接近， 但是在微距摄影时，像距则可能大于焦距，此 时放大率会超过 1。利用高斯公式其实也可以 导出放大率公式： 放大率 Mp/q 2. 色差 透镜最主要像差一般为色差，大家都知道三棱 镜会将白光分散为光谱，透镜的侧面看来其实 也像棱镜，所以会有色差，红光波长较长，结 果红光焦点就比蓝光焦点长，因此焦点不在同 一平面上，所以目镜看红光影像清
10、晰，蓝光影 像就不清晰，反之亦然，用没有消色差的透镜 当物镜就会看到物体镶了红边或蓝边，不够清 晰。 3. 像差 透镜除了色差之外还有许多其他的影像变形，可 通称为像差。 垂直于透镜面的中心线称为光轴。接近光轴处 像差较小，越远离光轴处像差越大。 像场弯曲 一般摄影镜头都会尽量减少这些像差，而外加 的加倍镜，不管是加在镜头前方的加倍镜或广 角镜，或者是加在镜后的加倍镜，几乎都会增 加像差，因此外加镜头都会造成画质降低。 4. 焦比（光圈） 镜片焦距除以口径的商，称为焦比，焦比大时 像差较不明显，但是影像较暗。焦比如果是 4 ，常常写成 F/4。在摄影镜头上一般会使用【 光圈】这个名词，而较少用
11、焦比。 以最大光圈值1.4的标准镜而言，光圈的数值会标出：1.4、2、2.8 、4、5.6、8、11、16、22 等。每两个数字之差距称为差一级， 每一级之间的关系大约为 1.4 倍，焦距如果一定，那就表示镜片开 口直径缩减为 1/1.4，此为直径比，经平方换算为开口面积比则为 2 倍，所以每一级光圈之间的进光量，刚好是 2 倍或者是 1/2 倍的 关系。如下图就是某个镜头光圈在 5.6、8、11 的开口状况。 此处请注意【光圈值】与【光圈】是不同的，光圈值越大，光圈 开口其实越小，反之亦然 还有一种说法： 光圈值其实是进到感光面上光锥的夹角，角 度越大，光圈值越小。如果采用这种说法， 在说明
12、边角失光的问题上就更容易明白。 5. 景深 景深： 指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得 清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离 范围。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内 都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围 ，便叫做景深。 光圈、镜头、及拍摄物的距离是影响景深的重要 因素： 1、光圈越大（光圈值F越小）景深越浅，光圈 越小（光圈值F越大）景深越深。 2、镜头焦距越长景深越浅、反之景深越深。 3、主体越近，景深越浅，主体越远，景深越 深。 容许弥散圆直径 f镜头焦距 F镜头的拍摄光圈值 L对焦距离 L1前景深 L2后景深 L景深 前景深L1=FL2/（f2+FL） 后景深L2=FL2/（f2-FL） 景深L=L1+L2=（2f2FL2）/（f4-F22L2）
