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1、眼镜光学课程讲义 第一章光的性质 光（电磁波）f可见光在传播过程中会发生许多物理现象和化非可见光学现象。研究这些现象的学科很多，比如生理光学、物理光学、量子光学等等。 波动性：光的色散、干涉、衍射、偏光、光的吸收和物体发光。1粒子性：光电效应眼镜光学主要运用几何光学的概念来研究光在眼镜片中的传播和成像的规 律，以此来设计眼镜镜片，提高镜片的光学性能。第一节几何光学光的波动性可借助几何学中的一些规律来进行研究，即利用几何学中的概念、定律来研究光的波动性（具体说光的传播成像）。几何光学中的原理是真实情况的近似， 但在大多数情况下与光学仪器所看到 的现象相符，而其简单的运算提供了计算机和设计各种光学
2、系统的方法，因此几何光学具有很大的实际意义。当然，几何光学由于不考虑光能问题，也不考虑光的干涉和绕射现象，因而 对光学仪器的成像质量的研究还必须借助于光的波动理论才能圆满解决。第二节几何光学的基本定律一、光的直线传播定律二、光的独立传播定律三、光的反射定律和折射定律四、光路的可逆性第三节名词解释1、光源和发生点本身所发光的物体称为发光体或光源。光源分为自然光源和人造光源。当发 光体的大小和作用距离相比可以忽然不计时称之为发光点或点光源。2、光线几何线代表光线，光线代表光的传播方向。3、光束许多光线的集合称为光束。自然界里有规律的光束有:（1）、平行光束 （2）、发散光束 （3）、会聚光束（4）
3、、像散光束。4、光束的聚散度光束所在空间的介质折射率光束聚散度=光束发散点（或会聚点）到基准面距离以基准面为准，发散点（或会聚点）在左时距离为负，在右时距离为正。聚散度单位为屈光度。5、光速光在介质中传播的速度称为光速，介质不同，光速不同，真空中的光速为 C=3 X 108米/秒 （ 30万公里/秒）。第四节光能一、辐射能通量、光通量单位时间内通过某一面积的全部辐射能，称为辐射能通量。人眼能感受到的辐射能在380mm760mm 的光谱区域，单位时间内通过某 面积的辐射能的光作用称为光通量。也即光通量是辐射能通量中引起视觉刺激的 辐射能通量的量值。二、视见函数我们所遇到的辐射是波长极不相同的波的
4、组合， 为了完整的以能量来描述这 种辐射，必须指出能量按波长分布的情况， 以此为出发点，我们可以作出能量对 波长的分布函数。但是这个分布函数不能作为辐射能通量与引起视觉刺激强度关系的描述，因为不同波长的可见光虽然具有相同的光通量，但是会引起不同强度的视觉刺激。人眼对不同波长有不同的敏感度，因为眼睛光谱灵敏波常有很大的主观性， 只能从许多人的大量观察结果中取平均的敏感度来描写人眼对于各种波长的光 的相对敏感度的数值，我们称之为视见函数。视见函数（入）和波长入的关系如P4上的1 2所示，从图中可知，明处 视觉时，人眼最灵敏的光波长在 550nm，黄昏视觉时最灵敏的光波长在 500nm 左右。三、发
5、光强度、照度1、发光强度如图C为点光源，向各方向发射光线，在某方向取很小的主体角dw，在此主体角的光通量为dF，则, dF称为光源在此方向的发光强度。1= dw也就是说发光强度等于单位立体角内的发出的光通量。若光源各向同性，即各向光通量均匀，则有, FI发生强度1=4 nF总光通量上式可写成：F=4 n I上式表明，F只与I有关，当I确定时，总光通量F是一个定值。光组只能把 光通量重新分布，如探照灯的情况。2、照度入射在单位面积上的光通量数值称为照度。如面积 S，光通量为F，则照度E 为：FE=S若为发光强度I的点光源，在距其r处的表面上的产生的照度为：I.r点光源列度照射表面的距离E= co
6、sir2i 被照表面法线和光源投射立体角轴线的夹角四、光度学的单位发光强度：烛光（国际烛光），它是由标准灯发出的光的强度，这些灯被保 存在法、英、美的实验室中。光通量：流明，它等于发光强度为1烛光的各向同性的光源，在一立体弧度 角内所发出的光通量。照度：辐脱，它等于1流明的光通量均匀分布在1平方厘米的面积上的产生 的照度。勒克斯，它等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的产生的照度。1辐脱=10勒克斯1勒克斯=10-4辐脱亮度：熙提，它等于每平方厘米的均匀发光表面在其法线方向发出 1烛光的 发光强度时的亮度。1熙提=1烛光1平方厘米常用数据见P7的表2，3，4。五、在肉眼中像的主观亮度外界
7、物体在视网膜上成像，其光对视网膜上的感光细胞产生刺激，直至被观 察者所感觉，上述的刺激程度称为主观亮度。主观亮度并不与视网膜上像的亮度直接有关，在多数情况下取决于像的照 度、像在视网膜上的大小。1、点光源的像人眼视角值为1 /,因此凡对人眼视角值不超过1 /的光源都可认为是点光源设点光源的发光强度为I，观察者眼睛得到的光通量dF为：dF= I dw而n P2P眼瞳孔半径dw =2-S2S眼到点光源的距离则2 n pIdF=-s2主观亮度取决于视网膜上像的照度，即取决于进入眼睛的光通量dF的大小。 从上式可知，眼对点光源的主观亮度与瞳孔直径平方成正比与眼到点光源的距离 平方成反比。2、有限大小的
8、光源的像若眼睛观察较大尺寸的发光表面或被照明表面， 则主观亮度并不是由进入眼 睛的全部光通量决定，而是由视网膜上的照度决定。视网膜上像的照度为:Ez =n 心、B n/ 22.Sin unB物体亮度 n/ 眼中透明介质的折射率空气折射率u/ 眼瞳孔的像方孔径角从图中得到Sinu / 宀 tgu /代入上式有:2 2n K1B n / 2P2n2f/ 2因为上式可写成:2n KiB P上式表明，视网膜上像的照度只与物体的亮度有关， 与物体的远近无关（忽 略光在大气中的吸收）。因此，肉眼对有一定大小的光源的主观亮度不随光源与 眼的距离而变化，它与瞳孔直径平方成正比。第二章光的反射一、光的反射当光线
9、到达两个介质的界面时，其中一部分光线将改变原来的传播方向， 返 回原来介质继续传播，这种现象称为光的反射。漫反射一一界面粗糙凹凸不平，入射光有规律、反射光无规律。-规则反射一一界面光滑平整，入射光有规律、反射光有规律。光到达界面时将产生非常复杂的现象：一部分光线规则反射一部分光线一一规则折射当界面部分磨光不良时，一部分光线遭受漫反射这些漫反射光线对成像是有 害的（杂散光），应尽量消除二、反射定律1、入射光线、法线和反射光线位于同一平面内；2、反射角i2等于入射ii。三、平面镜的反射（成像）平面镜成像的特点：1、成虚像2、成正立像3、物像等大，即物到平面镜距离与像到平面镜距离相等。要注意：实物点
10、S被平面镜成虚像S,而虚物点S被平面镜成实像S 物体被平面 镜成像，物像大小一致，但物像左右颠倒。因此平面镜设计的验光室在有的操作 上要注意左右颠倒的情况。四、球面镜的反射（成像）反射面为球面的一部分一一球面镜I凹面镜凸面镜镜面的中心o顶点。镜面（球面）的球心 C曲率中心。球面半径r曲率半径过顶点和曲率中心的直线主光轴，过曲率中心而不过顶点的直线副轴。主轴一条，副轴无数条。（一）凹面镜SD平行主轴的入射光线， DF为反射光线，CD为球面 半径正好是球面的法线。所以，根据反射定律，/ SDC= / CDF又 SD/CO/ SDC= / DCF故 FCD为等腰三角形CF=DF当SD无限接近主轴时，
11、DF=FO1FO=FC=OC -2r即f=(近似公式)2实际上，当平行主轴而与主轴有一定距离的光线经凹面镜反射后并不过焦 点，这是凹面镜的一种像差。1、凹面镜的成像公式符号规则：见P14如图，S点经球面镜反射后成像于镜前主轴 S点上根据反射定律，/ SDC= / S DC贝U CD为厶SDS 的内角/ SD S 的角平分线S DS C当/ DSO极小时，SOSCS O=S C设 SO= -SS O= S SC= -s-2fS C=2f- S -S=-S-2fS 2f- S 11化简后-+SSFO=f CO=2f代入上式SD = SC上式为近似公式，是在/ DSO极小时推出的。2、凹面镜成像作图
12、：利用下列特殊光线 (1)、平行主轴的入射光线(2) 、通过焦点F的入射光线(3) 、通过球心的入射光线、入射列顶点O的光线，反射光线沿着的主轴为对称的光路行进。3、无限远的轴外物体在凹面镜上的成像4、凹面镜成像的图像性质横向放大率A BK=ABK O正立的虚像1K11放大像1K1=1等大像图像的性质见P17表5（三）凸面镜对光线有发散作用，平行于主轴并接近主轴的光线径凸面镜反射后反射光线 的延长线会交于镜后主轴上的一点 F，叫做虚焦点，虚焦点到顶点的距离称为焦 距，用f表示。rf=21、凸面镜的成像公式根据反射定律,CD平分 SDS 的外角/ S DA CS=SDCS S D当/ S SD很
13、小时有CSSOCS=S O设 SO= SS O= SFO= fCO= rCS= S 2fCS = 2f+ S 代入上式有-S-2f=-S-2f+S -S经整理得到S S 一 f近似公式。2、凸面镜的成像作图特殊光线同凹面镜，作图情况如 P19图2103、无限远的轴外物体在凸面镜上的成像4、凸面镜成像的图像性质不管物体在凸面镜前任何位置，经凸面镜所成的始终是缩小的、正立的虚像 (物体在凸面镜顶点的例外)，即KO , | K | 1。汽车、摩托车的后视镜一般用凸面镜制成，这正是利用凸面镜成缩小的、正立的虚像，可以扩大后视的范围。五、眼镜镜片的重影由于眼镜片前后表面的反射，我们可以看见在正常图像的周
14、围还存在一个或 几个暗像，这就是重影。重影有三种：1、物体经前后表面反射后形成的重影。低光度镜片容易产生。2、镜片后方的物体被镜片后表面反射形成的重影。3、物体经角膜前表面反射后被眼镜片第 2面或第1面反射后形成的重影。为了消除重影对正常观察的干扰，可在眼镜片表面加镀减反射膜，比如高档 的太阳眼镜片表面要加镀减反射膜也是为了防止重影的产生。第三章光的折射斜插入水中的木棒在水面上看起来是弯曲的， 游泳池和水池的深度看起来比 实际的要浅，眼镜片、棱镜片能产生光学作用都是由于光的折射的缘故。第一节光的折射一、光的折射当光线到达两个介质的界面时， 一部分光线要透过界面进入另一介质里继续 传播，这种现象称为光的折射。二、折射定律(1)折射光线在入射光线和法线的所
