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1、基本光学原理 第一节 几何光学的基本原理几何光学的含义及其范畴，是以光的直线传播性质为基础，研究光在透明介质中传播的光学。几何光学的理论基础，就是建立在通过观察和实验得到的几个基本定律。由于光的直线传播性对于光的实际行为只有近似的意义，所以，以它作为基础的几何光学，就只能应用于有限的范围和给出近似的结果。但这些对于了解与摄影有关的光学系统而言，已是足够的了。一、光线在几何光学中可用一条表示光传播的方向的几何线来代表光，并称这条线为光线。二、光的传播定律1.光的直线传播定律：光在均匀透明的介质中，光沿直线传播。 2.光的反射和折射定律：当光线由一均匀介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被
2、分为反射光线和折射光线。这两条光线的进行方向，可分别由反射定律和折射定律来表述。反射定律：反射线在入射线和法线所决定的平面上；反射线和入射线分别位于法线的两侧；反射角和入射角相等。在反射现象里光路是可逆的。折射定律：折射线在入射线和法线所决定的平面内；折射线和入射线分别位于法线的两侧入射角i的正弦与折射角r的正弦的比，对于给定的两种媒质来说，是一个常数，叫做第二媒质对于第一种媒质的折射率，在这里我们用n21来表示。前面所讲的n21是第二种媒质对于第一种媒质的折射率，叫做这两种媒质的相对折射率，即某种媒质对于真空的折射率叫做这种媒质的绝对折射率，简称媒质的折射率，用n表示。因为光在空气中传播的速
3、度与光在真空中传播的速度相差很小，所以通常用媒质对空气的折射率代替媒质的折射率。n=1。光在任何媒质中传播的速度都小于在真空中的速度，所以，任何媒质的折射率都大于1。由此可以推论，光在一种媒质中传播的速度越小，这种媒质的折射率越大。两种媒质相比较如第一种媒质的折射率大于第二种媒质的折射率，则光在第一种媒质中的传播速度小于光在第二种媒质中的传播速度，相对而言第一种媒质称为光密媒质，第二种媒质称为光疏媒质。 当光线从光疏媒质射进光密媒质时SiniSinr ir这时，ri说明光线近法线折射。当光从光密媒质射进光疏媒质时ir这时ri 说明光线远法线折射。在折射现象里，光路是可逆的。光路的可逆性是几何光
4、学中很重要的一条规律。三、光的反射和折射光线射到两种媒质的分界面上时，入射光线一般分为两部分，一部分返回原媒质产生反射；一部分进入第二媒质产生折射。反射光的强度随入射角的增大而增大；折射光的强度随入射角的增大而减小。在这部分里我们主要以平面镜和球面镜这两种和摄影直接相关的事物来分析光的反射现象。 1.平面镜成象（1）象的概念和意义。由物体上某一点发出的光线，经过媒质界面的反射，反射光线如能交于一点，相交之点叫做物体上这一点的实象。如反射光线是发散的，不能相交，而反射线的反方向延长线交于一点，直接观察光线好像是从这一点发出的，这相交点就叫做物体上这一点的虚象。一个物体是由很多个点组成的，这些点的
5、象组成物体的象。实象可以直接用眼观察，也可以映在屏幕上显示出来。虚象只能直接用眼观察而不能映在屏幕上。（2）平面镜成像。根据光的反射定律，可以得出发光点或物体在平面镜里的象。取物体的端点A发出的任意两条光线，反射后它们的延长线交于一点，这一点就是物体端点A的象，如图13所示。同样，物体的任何一点，通过做图都可以得出它所对应的象。平面镜成的是直立的虚象，物体和象分别在镜面的两侧，并以镜面为对称，象和物大小相等，左右相反。2.球面镜成象（1）球面镜的概念。镜子的反射面是球面的一部分时，叫做球面镜。凹面镜：用球的内表面做反射面。凸面镜：用球的外表面做反射面。顶点：镜面的中心点。曲率半径：球面镜所属球
6、面的半径。曲率中心：球面镜所属球面的中心。主轴：通过顶点和曲率中心的直线。近轴光线：一般使用的球面镜，都是它所属球面的很小的一部分即图14中的角所对应的那部分球面，而镜前的物体又都放在主轴附近，这样射到镜面上的光线叫近轴光线。（2）球面镜的焦点和焦距。凹面镜：平行于主轴的近轴光线，射到凹面镜上，反射线相交于主轴上的一点，这一点叫做凹面镜的焦点，用F来表示，F是实焦点。凹面镜有实焦点说明它有会聚光线的作用（如图15）。焦点F到顶点0的距离，叫做焦距，用f表示。一个凹面镜的焦距到底有多大，用直接测量的办法所得到的结果往往误差很大，但是，球面镜的曲率半径却是很容易得知的，用简单的几何方法很容易计算出
7、一个球面镜的曲半径。根据圆弧上任意三点可确定圆心的方法求出圆心所在的坐标，圆心到圆的外缘任意一点就是这个圆的半径，而凹面镜的焦距等于它的曲率半径的一半，因此很方便的就可得知凹面镜的焦距。分析图16，光AB平行于主轴，作B点的法线BC，根据光的反射定律CBD=ABC作反射线BD，BD交主轴于F。FBC=CBA，BCF=CBA（平行线内错角相等） FBC=BCF BF=CF（等腰三角形）又AB是近轴光线，BO之间相距很近BF=OF OF=CF凸面镜：平行于主轴的近轴光线射到凸面镜上，反射光线向外散开，这一现象说明凸面镜有发散光线的作用。反射光线的反向延长线交在主轴的一点F（如图17所示）。这一点也
8、叫焦点，是虚焦点。OF是它的焦距，用f表示。当光从光密媒质进入光疏媒质时SiniSinr ri所以光线远离法线折射。入射角增大，折射角也随之增大。当入射角增加到某一值时，折射角增加到90。入射角再增加，就没有折射现象发生了。在这种情况下，入射光线全部反射回到原媒质。这就是全反射现象。 使全反射现象发生的入射光线的入射角叫做临界角，用字母A表示。SinA=Sin90n21SinA=n21由此可见，临界角是由两种媒质决定的。反射现象和折射现象是摄影实践中经常会遇到和利用的情况，只要我们对这一现象有一定的了解，就能在实践中避免它或利用它。四、透镜折射面是两个球面（或一个球面，一个平面）的透明体，叫透
9、镜。1.透镜的种类（1）凸透镜。中央部分比边缘厚的透镜叫凸透镜。凸透镜能会聚光线，也叫会聚透镜。（2）凹透镜。中央部分比边缘薄的透镜叫凹透镜。凹透镜能发散光线，也叫发散透镜。 2.关于透镜的一些基础概念薄透镜如果一片透镜的厚度，比该透镜两折射面所属球面半径小得很多，这片透镜叫做薄透镜。我们一般见到和使用的透镜都是薄透镜。以下所介绍的也只限于薄透镜。主光轴两个折射面球心的连线叫做透镜的主光轴。光心：在主光轴上有一个特殊点叫光心，射入透镜的光线通过光心，光进行的方向不改变，即射出透镜的光线和射入透镜的光线保持平行。副光轴：通过光心的其它直线叫副光轴。凸透镜的焦点和焦距：跟凸透镜主轴平行的平行光束经
10、凸透镜折射后会聚在主轴上的一点F，叫凸透镜的主焦点，主焦点到光心的距离叫焦距，用f表示。平行光可以从凸透镜的两方入射，所以在它的两方各有一个主焦点F1和F2，因此有相对应的两个焦距f1和f2。只要透镜两边是相同的媒质，f1=f2=f（如图18）。跟主轴成一定角度与某一副轴平行的平行光束，经凸透镜折射后会聚在副轴上的一点，叫副焦点。很明显副焦点有很多。对于近轴光线，副焦点都在通过主焦点与主轴垂直的平面内，这个平面叫做焦平面（如图18）。每个凸透镜都有两个焦平面。凹透镜的焦点和焦距：凹透镜和凸透镜相似，也有主焦点、副焦点和焦平面。所不同的是凹透镜发散光线，平行光束经过它的折射散开的光线不能交于一点
11、，而在光线的反向延长线上交于一点F，这一点也叫焦点，是虚焦点，从焦点到光心的距离叫焦距f（如图19）。一般为区别焦点的实虚，凸透镜的焦距取正值，凹透镜的焦距取负值。3.透镜成象规律（1）凸透镜成象。凸透镜成象可运用几条特殊光线来描述：经过光心的光线不改变方向；平行于主轴的近轴光线折射后通过焦点。通过焦点的光线折射后平行于主轴。求一发光点S的象S。求一物体AB的象 AB。u和f是正值，如果v是正值，象就是实象，v是负值，象就是虚象。凸透镜成象公式是利用相似三角形对应边成比例的关系得出的。同理也可得出放大率公式。放大率公式：结合上图可知式中：U=OB 叫物距，V=OB叫象距，f=OF是焦距。当K1
12、时，说明象比物长；当K1时，说明象比物短。（2）凹透镜成象。凹透镜成象可用以下几条特殊光线来描述：经过光心的光线不改变方向。平行于主轴的近轴光线折射后，它的反方向延长线交于虚焦点。通过虚焦点的光线折射后平行于主轴。凹透镜成象作图法如图113、114。（因透镜有两个焦点，作图时必须注意什么情况要用哪一侧的焦点，所以凹透镜应特别注意）求一发光点S的象S；求一物体AB的象AB。凹透镜成象公式：式中u是正值，v和f是负值放大率公式：凸透镜的成象公式和凹透镜的成象公式以及放大率公式是完全相同的。因此，这两个公式只要在不同的情况下u、v、f取不同的符号即能适应两种透镜各种情况。一般将实物放在镜前，因此u取
13、正值。f的正负，决定于焦点的实虚。凸透镜：f0；凹透镜：f0。V的正负，决定象的实虚。V0：成实象。V0；成虚象。（3）透镜象的各种情况凸透镜：凸透镜的成象情况可用表11说明：表1-1在第5种情况中，u=f，v=，可以说在无限远成象。u=f是凸透镜成实象和成虚象的分界点。凹透镜：实物放在凹透镜前无论什么地方都成正立缩小的虚象。第二节 色度学原理色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。每个人的视觉并不是完全一样的。在正常视觉的群体中间，也有一定的差别。目前在色度学上为国际所引用的数据，是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果。就技术应用理论上来说，已具备足够的代表性和可
14、靠的准确性。一、颜色的确切含意在日常生活中，人们习惯把颜色归属于某一物体的本身，把它作为某一物体所具有的属于自身的基本性质。比如人们所常讲的那是一块红布，那是一张白纸等等。但在实际上，人们在眼中所看到的颜色，除了物体本身的光谱反射特性之外，主要和照明条件所造成的现象有关。如果一个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特性，我们则称这个物体是白色的。而这物体是白色的结论是在全部可见光同时照射下得出的。同样是这个物体，如果只用单色光照射，那这个物体的颜色就不再是白色的了。同样的道理，一块红布如果是我们在白天日光下得出的结论，那同样是这块布在红光的照射下，在人们眼中反映出的颜色就不再是红色的而是白
15、色的。这些现象说明，在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。二、色彩三要素任何色彩的显示，实际上都是色光刺激人们的视觉神经而产生感觉，我们把这种感觉称之为色觉。色别、明度和饱合度是色彩的三个特征，也是色觉的三个属性，通常将色别、色彩明度和色饱合度称为“色彩三要素”。1.色别色彩所具有的最显著特征就是色别，也称色相。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色别。从物理光学的角度上来讲，各种色别是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色别即色相的形成取决于该光谱成分的波长。 我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分，波长范围大约为400700毫微米，在这个范围内各种波长的光呈现出各种不同的色彩。在自然界中所呈现出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显示出来的，有的则是某个单一波长的固有特性色彩。总之，色别就是指不同颜色之间质的差别，它们是
