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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 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 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 SinI1SinI2 n1 2 n1 2 第二种介质相对于第一种介质的折射率 Q O Q SinI1 1SinI2 2 n1 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 n1 2 第一种介质的绝对折射率 第二种介质的绝对折射率 n1 n2 所以 n1 2 n2n1 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 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 R1 I2 O1 O2 O3 O4 I0 2 发生全反射的条件 必要条件 n1 n2由光密介质进入光疏介质 充分条件 I1 I0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 3 全反射的应用 用棱镜代替反射镜 减少光能损失 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 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m p 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