中学物理校本教材《光学》 .doc

第一章 光学简介1.1简介在早期，主要是基于几何光学和波动光学拓宽人的视觉能力，建立了以望远镜、显微镜、照相机、光谱仪和干涉仪等为典型产品的光学仪器工业。这些技术和工业至今仍然发挥着重要作用。本世纪中叶，产生了全息术和以傅里叶光学为基础的光学信息处理的理论和技术。特别是六十年代初第一台激光器的问世，实现了高亮度和高时一空相干度的光源，使光子不仅成为了信息的相干载体而且成为了能量的有效载体，随着激光技，本和光电子技术的崛起，光学工程已发展为光学为主的，并与信息科学、能源科学、材料科学。生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像薄膜和集成光学、光电子和光子技术、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像技术、光电测量、光纤光学、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术等。这些分支不仅使光学工程产生了质上的跃变，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学产业和光电子产业。 1.2发展近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。平板显示技术与器件平板显示是采用平板显示器件辅以逻辑电路来实现显示的。由于其电压低、重量轻、体积小、显示质量优异，无论在民用领域还是在军用领域都将获得广泛应用。该方向主要从事发光与信息显示前沿科学问题。既包括发光显示材料（有机材料、无机材料及其相关复合等材料），又包括诸多（场发射、等离子体、发光二极管、液晶及电致发光等）显示器件等方面的研究。全光信号处理及网络应用技术主要研究光通信网络、光纤传感及生物医学光子学领域的前沿课题光分组交换全光网的网络技术及支撑光分组交换的全光信号处理技术，如光弹性分组环光纤通信网、全光缓存技术、光开关、光逻辑、光信头识别、分布式光纤传感系统、光纤性能在线检测、光纤技术在生物医学光子学中的应用等。 光电检测技术主要研究先进制造技术、轨道交通等工程领域内各种几何及物理量的光电检测机理、方法、技术与实现途径，并采用各种信息与信号处理方法与技术来获得各种评价参数，最终实现对重要零部件与设备关键参数及缺陷的实时检测与故障诊断，确保其运行安全。生物分子光探测技术采用先进光电子学技术，以朊病毒、hiv等重要病毒为模型，开展病毒与细胞的相互作用机制、免疫保护机制研究，开展生物大分子的探测、分子相互作用识别等先进技术研究，发展快速检测技术。开展新型病毒载体、真核表达载体技术的研究。开发新型疫苗和药物。光电子材料与器件太阳能电池技术，主要研究先进的晶硅太阳电池工艺，以及单晶硅/非晶硅 异质结（hit）太阳电池技术、非晶硅薄膜太阳电池技术、有机薄膜太阳电池技术、染料敏化太阳电池技术、宽带吸收增强太阳电池技术等。研究稀土发光、半导体发光、白光led照明、无汞荧光灯、光学薄膜基本设计、光存储、光电探测等材料及光电器件，研究这些材料和器件的新技术和新工艺以及它们的应用。1.3光学研究内容我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。 量子光学量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。第二章 数码相机的光学系统2.1数码相机与传统相机的差别数码相机的光学成像系统与传统照相机有许多相同和不同之处，相同之处是两者均需要将被摄客观景物清晰地成像在光学系统焦平面后的平面上，并能通过足够的光通量达到曝光目的;不同之处在于数码相机由ccd或cmos取代了传统照相机的光化学乳胶片。因此，ccd或cmos的成像特性给数码相机的光学系统提出了一些新的结构和性能的要求。1、数码单反相机和传统单反相机的快门是故障率很高的部件,因为在拍摄的时候首先是面镜要翻上去,然后再暴光,这一系列动作都是非常快的,而且都是机械装置。有些朋友问我为什么我在用闪光灯时候，在取景器内看不见闪光，通过以上讲解大家应该知道了为什么（反光面镜相当于一个光路的切换开关）。2、单反相机在更换镜头的时候内部很容易进灰，特别是数码单反，如果ccd上面脏了就只能请专业部门维修清理！所以在更换镜头的时候尽量找干净无尘的地方进行。2.2数码光学系统基本结构图2-1为一种最基本的数码相机成像光学系统，由位于前部的成像物镜和后部的低通滤波器所组成。成像物镜由若干光学透镜组成，达到校正光学像差并在ccd/cmos器件表面成像目的;低通滤波器由两片双折射方向相互垂直的石英晶体薄板和红外滤光片组成，石英晶体的作用是过滤掉成像光束中的高频部分，防止图像产生低频干扰条纹，红外滤光片是为了拦截波长大于0.76m的光束，使参与成像的光束在人眼视觉光谱范围之内。 图2-1数码相机基本的成像光学系统和传统35mm照相机一样，数码相机镜头的设计中需要校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和放大色差。与传统的照相机物镜相比，数码相机的镜头结构比较复杂。传统35mm的基本柯克型三片物镜系统即可比较好地校正7种光学像差，为35mm普及型平视取景照相机所广泛采用。而数码相机由于需要较大的相对孔径、较短的焦距和较长的后截距，给像差的校正带来了一定的困难。镜头中的第一片负透镜的作用是使像方光学主面靠向光电成像器件表面，从而能够使镜头的后截距等于甚至大于镜头焦距，在空间上保证低通滤波器结构的存在。采用图1所示的结构，对用于1/3英寸成像器件的镜头，焦距范围在2.9一s . smm之间，后截距均可大于 4.5mm，最大相对口径可以达到f1.8一f2.0，最近的成像物距可达200mm。对用于1/2英寸的成像器件的镜头，焦距范围在4.8一8mm之间，后截距就更可以得到保证。2.3低通滤波原理 由于数码相机是成像在二维光电阵列上，图像信息由离散的光电探测器获取。根据奈奎斯特定理，一个光电成像器件能够分辨的最高空间频率等于它的采样频率f。的一半。这个频率称为奈奎斯特频率fn(=fn/2)。光电阵列的分辨能力一般要小于成像物镜的分辨率，因此通常是成像光电阵列中像素的几何尺寸限制了整个系统的空间分辨率。过高的光学物镜分辨能力不仅不会增加系统的整体分辨能力，而且其中所产生的超过奈奎斯特空间频率极限的高频部分将被反射到基本频带中，与ccd/cmos像素列阵的空间频率发生莫尔干涉效应。此时，图像将发生周期频谱交迭混淆，产生意想不到的低频干扰条纹，反而影响了图像质量。低通滤波片的作用是将对提高系统成像整体分辨率无贡献的高频部分过滤掉，使光学系统的调制传递函数曲线(mtf )呈现出如图2-2所示的状态。 图2-2传统相机与数码相机光学系统mtf的比较石英晶体具有双折射效应，带有同一目标图像信息的光束以一定的方向通过石英晶体后将被分成寻常光束(o光)和异常光束(e光)。光和e光相对错开一定的距离，可以达到降低空间频率的作用。如图3所示，设人射光和晶体光轴之间的夹角为b，寻常光速的折射率为no，异常光束的折射率为ne，寻常光束和异常光束分开的距离为d，石英晶体的厚度为t,则存在如下的关系式: （2.1）当tg=ne/no 时，就可以得到最大的分开距离。近似地，当neno时，=45，公式（2-1）可简化为： d= (2.2) 图2-3光线通过石英晶体后的传播方向低通滤波器通常用两片石英晶体制成、第一块晶体的上表面镀有光学增透膜用于降低人射光能量的损耗，第二块晶体表面镀有红外滤光膜或加有红外滤光片，以减小红外辐射对光电探测器件的影响。两块晶体的光轴均与成像光轴成450，同时两块晶体的光轴分别处于两个相互垂直的平面中。每条成像光线通过第一片晶体后在一个方向上发生双折射产生o1光和e1光。当通过第二片晶体后，o1光和e1，光又在垂直于原先扩展的方向上，分别产生oo2光、oe2光、eo2光、ee2光，d的目的。由于d的数值很小(m级)因此双折射效应不会对低频的成像信号产生很大的影响。但双折射效应对于无助于提高系统分辨率并有可能产生莫尔干涉的高频部分具有过滤的作用。2.4焦距与视场镜头焦距是数码相机镜头的首要参数，通常用f表示。焦距的大小直接关系到视场角的大小。如图2-4所示，我们分别用h, v和h,，分别表示数码相机物方和像方视场的大小，则光学系统视场角2可表示为: 2=2=2 （2.3）为半视场角；l为物距。目前常用的ccd/ cmos面阵器件的尺寸有1英寸、2l3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。对于一定大小的光电成像器件来说，焦距的增大意味着视场角的减小。 图2-4镜头焦距与视场的关系与传统照相机相同，数码镜头也有标准镜头、广角镜头、长焦望远镜头和变焦镜头之分。标准镜头的视场与人眼在正常情况下能看到的清晰范围视场相仿，在数值上，当镜头焦距与像方视场对角线近似相等时，则称该镜头为标准镜头。表i列出了35mm胶卷与各类光电成像器件标准镜头焦距的范围。当焦距大于标准镜头时，视场角减小，成像放大倍数增加，产生远方的物体被拉近的效果，因此常被称为望远镜头。当焦距小于标准镜头时，摄影视场角增大，因此常被称为广角镜头。一般，标准镜头的视角范围在40 - 53之间接近于人眼正常的视角范围;广角镜头的视角范围在60一84之间;超广角镜头的视角范围在94一118之间。许多数码相机的镜头标识中常采用等效焦距方法，即在摄影视场角相当的条件下，数码镜头等效于35mm传统照相机镜头的焦距。数码变焦相机有光学变焦和电子变焦之分。电子变焦是对己获得的数字图像信息通过数字图像处理，对其中的局部放大而获得。电子变焦可以放大图像，但不能够增加被放大部分的细节信息。图像细节的客观信息量被成像系统的等效分辨率所限定。光学变焦是真正能够改变成像系统的焦距，并在变焦过程中能够保证系统的等效分辨率水平。图2-5为一种用于1/4英寸ccd的变焦镜头光学结构。该系统由两组透镜组成，前级 图2-5一种数码相机的变焦镜头为负透镜组，后组为正透镜组。变焦过程中，两组透镜均按一定的相对规律运动，有效焦距可以从3 . 37mm(图2-5a)连续变焦到9.44mm(图2-5b)，视场角2m从短焦时的69.00变化到长焦时的26.80，最大相对孔径相应地从f2.4变到f3.3。该类镜头的设计关键是在变焦的过程中，将成像像面漂移控制在不影响系统等效分辨率的很小的范围之中。为达到良好的设计效果，变焦镜头中常有一片或数片非球面诱镜以校千像姜并减少球面透镜的数量。2.5光学变焦与数码变焦要解释光学变焦和数码变焦，就要先了解一下“镜头焦距”的概念。“镜头焦距”是相机镜头最重要的特性之一，为了让传统摄影者很容易地了解消费级数位相机的镜头焦距之意义，我们常常将其转换成 135 相机的等值焦距。“镜头焦距”指的是平行的光线穿过镜片后，所汇集的焦点至镜片间之距离。（镜头焦距请参考2.4焦距与视场） 基本上，若是被摄体的位置不变，镜头的焦距与物体的放大率会呈现正比的关系。即： 放大率影像尺寸 / 被摄体尺寸 (2.4)2.5.1光学变焦例如 nikon coolpix 990 数码相机的镜头，焦距为 38 mm - 115mm ( 相当于 135 相机 )，我们便说它是 3x 的光学变焦，意谓原始的镜头焦距为 38 mm，经过镜头系统的伸缩改变，最大可以将镜头焦距调整到 115mm。在相同的拍摄距离下，可以将被摄体放大三倍。2.5.2 数码变焦 今日的数码相机已经演进成小型的计算机一般，内部含有操作系统，可以执行既定的程序。透过韧体上程序的演算及光学系统的配合，我们可以将被摄体再做局部放大，以插补的方式仿真出光学变焦的效果。 “数码变焦”必然会损耗掉影像的品质，在一般的拍摄状况下，我们都不建议使用“数码变焦”的功能。但我们也知道“较差的相片”胜过“没有相片”，在某些特殊状况下，我们还是会动用“数码变焦”的功能。第三章 光学的发展过程3.1学科发现光学的起源在西方很早就有光学知识的记载，欧几里得(euclid，公元前约330260)的(catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯学者阿勒哈增(ai-hazen，9651038)写过一部，讨论了许多光学的现象。光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。17世纪，望远镜和显微镜的应用大大促进了几何光学的发展。光的本性（物理光学）也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。19世纪以前，微粒说比较盛行。但是，随着光学研究的深入，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释。於是光学的波动说又占了上风。两种学说的争论构成了光学发展史上的一根红线。 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到x射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。3.2历史发展光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的墨经中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。自墨经开始，公元11世纪阿拉伯人伊本海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。 牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝乾涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏乾涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年迈克耳逊用乾涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。 1905年9月，德国物理学年鉴发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。1922