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1、基礎光學,一, 光度學基礎 二, 色度學基礎 三, 幾何光學 四, 波動光學,一, 光度學基礎 光度學的物理量 1, 輻射量: 描述電磁輻射的物理量, 即輻射量.可見光是波長在380nm760nm範圍內的電磁波, 所以可見光也可以用輻射量來描述.,2, 光學量: 可見光是能對人的視覺形成刺激並能被人感受的電磁波, 因而可以用視覺受到的刺激程度即視覺感受來量度可見光. 按這種視覺響應原則建立的表征可見光的量稱作光學量. 3, 輻射量和光學量的關係: 可見光可以用輻射量和光學量這兩種量值系統來量度, 當把可見光作為純物理現象來研究時, 應采用輻射量量值系統, 當研究與人的視覺有關問題時, 就采用光
2、學量系統來量度.,1, 首先討論點光源光學量的表示方法:,光源,受光面元,一個光源發出頻率為 的單色光, 在一定方向的輻射強度為 , 則此光源在該方向的發光強度為1cd. 根據平面角和立體角的關係, 得到距離光源r處與光線成 角的面A的光照度:,2, 再考慮面光源的情況:,發光面元,受光面元,發光面的元面積dA, 在和發光表面法線N成 角的方向, 在元立體角 內發出的光通量為 , 則光亮度 為,二, 色度學基礎 色度學應用範圍: 可見光. 白光是很多顏色的光混合後的結果, 可以通過稜鏡的散色作用證明:,三基色的確定:選擇RGB為三基色. 但並不是自然界存在這些顏色. 是因為通過實驗驗證, 紅(
3、R), 綠(G), 藍(B)三種顏色按不同比例混合, 可以配出人眼可觀測到的所有顏色的光. 白光也是其中一種情況, 是把RGB按 R:G:B=1:4.5907:0.061 混合, 即可得到白光. 色度學就是建立在可見光基礎上的對顏色的測量原理, 基本數據和計算方法. 三基色是紅, 綠, 藍. 具體波長: 紅光是700nm, 綠光是546nm, 藍光436nm,顏色的基本特徵量: 1, 色調: 是物體反射光線中以哪種波長占優勢來決定的. 不同波長產生不同顏色的感覺. 決定顏色本質的基本特徵. 2, 飽和度: 顏色的鮮明程度. 飽和度高, 呈現深色. 因此飽和度是顏色色調的表現程度, 取決於錶面反
4、射光的 波長範圍的狹窄性(即純度). 3, 明度: 刺激物作用於眼睛所發生的效應, 它的大小是由物體反射係數決定的, 反射係數越大, 物體明度越大, 反之越小.,1, 已知RGB三刺激值, 得到rgb, XYZ, xyz.進而得到1931CIE標準色度圖. 用RGB三基色配成白光的比例關係是: 根據RGB和XYZ的關係,(2) 根據XYZ和xyz的關係, 得到標準色度圖.,上面的x, y是實驗室儀器上可以抓到的值. 從標準色度圖上可以看出: 如果坐標值偏離正常值, 比如x值偏大, 則色彩偏黃或者偏紅, 如果偏小, 則色彩偏藍, 如果y值偏大,則色彩偏綠.,CIE1931標準色度圖,下圖為標準光
5、源對人眼的視覺曲線,V為明視覺曲線, V為暗視覺曲線.,二, 據上圖, 由于人眼對各種顏色的光的敏感程度有很大差別, 例如: 紫色在坐標值相差很小的情況就能被人眼感知, 但綠色在坐標值相差很小人眼就感覺不到. 即色差對人眼並非均勻空間, 根據xy到uv, 再到u*v*的轉換關係, 得到1976CIE UCS色彩空間轉換, 這種轉換基本完成了等色差的要求.,CIE 1976 UCS Diagram,三, 1976UCS的色度圖還有缺點, 即沒有體現亮度, 所以再進行修定, 把亮度作為第三維, 形成均勻空間色彩. 期間, 有三種較好的解釋和修正. CIE1976L*a*b*色空間是其中一種. 把坐
6、標值進行以下轉換:,L*a*b* Color System,黑体: 封閉的空間, 它可以吸收一切光能. 有一個小孔, 可以吸收和放射光能. 色溫: 用黑体加熱到不同溫度時所發出的不同光色來表示一個光源的顏色, 這就是顏色溫度或色溫. 在標準色度圖上, 色溫的體現是定出標準白光的色度區.不同的光源有自己的白光色度區. CIE1931標準色度圖中心區的標記部份繪出了絕對黑体輻射軌跡.,三, 幾何光學 光就其本質是一種電磁波, 是當波長趨于零時物理光學的一種近似. 這樣近似的光服從幾何光學的定律. 即通常所說的光線. 1, 光的直線傳播定律: 幾何光學認為, 在各向同性的均勻介質中, 光是沿著直線傳
7、播的. 2, 光的獨立傳播定律: 不同光源發出的光在空間某點相遇時, 彼此互不影響, 各光束獨立傳播. 3, 光的折射定律和反射定律:,如圖是幾何光學的反射定律和折射定律以及光路可逆性:,4, 全反射現象:光線入射到兩種介質的分界面時, 通常會發生反射和折射, 但在一定條件下, 入射到介質上的光會全部反射回原來的介質中, 爾沒有折射光, 這種現象稱為光的全反射. 5, 光路可逆性: 由下圖, 若光線在折射率為 n2 的介質中沿相反方向作為入射光入射, 由折射定律可知, 折射光線一定沿原入射光按相反的方向射出, 同樣, 由反射定律, 如果把反射光線作為入射光線, 那麼反射光線一定按原入射光線返回
8、.,全反射:當光從折射率大的的介質向折射率小的介質傳播時, 由折射定律, 設n2n1, 則 , 當入射角增大到某一程度時, 折射角達到900, 則這個入射角稱為臨界角, 若入射角繼續增大, 由折射定律 , 是不可能的, 所以表明這些光線不能折射進第二種介質, 即發生全反射現象.,6, 漫反射 鏡面反射遵循反射定律, 入射角等于反射角,漫反射也屬于反射的一種, 是在非鏡面的表面發生反射時, 即反射面不是鏡面, 發生的一種使無論入射光線的方向如何, 反射光線沿各個方向都有, 即均等照度效果的一種反射. 例如擴散片.,光的直線傳播應用舉例: 針孔相機, h, a, a, h之間的轉換服從三角形等比定
9、理:,平面鏡反射和曲面鏡反射:,平面折射和曲面折射:,四, 波動光學 1, 光的偏振 就偏振性爾言, 光一般可分為偏振光, 自然光和部分偏振光. 偏振光: 光矢量的方向和大小有規則變化的光稱為偏振光. 自然光: 一切可能方位上的振動的光波的總合. 即在觀察時間內, 光矢量在各個方向上的振動几率和大小相同. 自然光可以用兩個光矢量互相垂直, 大小相等, 相位無關的線偏振光來表示. 部分偏振光: 自然光在傳播過程中, 由于外界的影響, 造成各個振動方向上的強度不等, 使某一方向的振動占優勢.,偏振度的表示: 如圖: 光矢量沿垂直方向的振動占優勢, 其強度用 表示, 與其垂直方向的振動處劣勢, 其強
10、度記為 . 當部分偏振光只是線偏振光和自然光的混合時, 其中完全偏 振光的強度為 , 它在部分偏振光總強度 中所占的比率P叫做偏振度, 即:,可見, 自然光P=0, 線偏振光P=1.,線性偏極光(Linearly Polarized Light),x,y的振幅(Amplitude)大小可以不同，但必須要有相同的位相差(Phase),圓型(右旋)偏極光(Right Circularly Polarized Light),x,y的振幅(Amplitude)大小必須相同但必須要有90的位相差(Out of Phase),圓型(左旋)偏極光(Left Circularly Polarized Ligh
11、t),x,y的振幅(Amplitude)大小必須相同但必須要有90的位相差(Out of Phase) 右旋圓偏極光左圓偏極光線性偏極光 線線性偏極光位相差(橢)圓偏極光,橢圓偏極光(Elliptically Polarized Light),線性及圓形偏極光為橢圓偏極光的一個特例,2, 在某兩種各向同性的均勻介質的分界面上, 波動光學的反射定律和折射定律: 首先要知道電磁場走介質分界面的連續條件. n為法線方向, t為切線方向.,設入射平面波電分量E1有兩個互相垂直的分量s波和p波,菲涅耳公式: 對于s波(垂直于入射面分量), rs, ts為s波的振幅反射係數和振幅透射係數.,對于p波(平行
12、于入射面分量), rp, tp為p波的振幅反射係數 和振幅透射係數.,3, 光在晶體中的傳播 當光在各向異性的均勻介質中傳播時, 折射光會發生雙折射現象. (1), 尋常光線和非常光線 遵循折射定律的光線是尋常光線或o光線, 不遵循折射定律的光線稱為非常光線或e光線. 兩種光線都是線偏振光.,(2) 晶體的光軸, 主平面, 主截面 光軸: 晶體中存在的一個特殊方向, 當光在晶體中沿此方向傳播時不產生雙折射現象. 所以晶體中與此方向平行的任何直線都是晶體的光軸. 主平面: 光線在晶體中的傳播方向與光軸組成的平面稱為該光線的主平面. 主截面: 光軸與晶面法線組成的面為晶體的主截面.,5, 晶體偏振
13、器件 (1), 偏振稜鏡,(2), 偏振分束稜鏡,(3), 波片 波片也稱為相位延遲器, 它能使偏振光的兩個互相垂直的線偏振光之間產生一個相對的相位延遲, 從而改變光的偏振態. 波片是透明晶體制成的平行平面薄片, 其光軸與表面平行. 當一束線偏振光垂直入射到由單軸晶體制成的波片時, 在波片中分解成沿原方向傳播但振動方向互相垂直的o光和e光, 相應的折射率為no, ne. 由于兩種光在晶片中的速度不同, 當通過厚度為的晶片後產生相應的相位差(相位延遲量).,這樣, 兩束振動方向互相垂直且有一定相位差的線偏振光疊加, 一般得到橢圓偏振光.,產生的相位差為:,全波片, 產生 整數倍的相位延遲, 所以不改變入射光的偏振態. 產生的相位延遲為 半波片( 片), 產生 奇數倍的相位延遲,厚度為:,波片, 產生 奇數倍的相位延遲, 使入射線偏振光變為橢圓偏振光.,偏振光的變換和獲得:,
