光学基础知识三.ppt

1、a,1,光学基础知识（三）,a,2,几何光学部分,a,3,光的电磁说,光的电磁说：麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波。电磁波谱：波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。(3)电磁波的产生机理：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。,a,4,光的电磁说,红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长m和物体温度T之间满足关系mT=b（b为常数）。可见

2、高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。,a,5,光的波粒二象性,1.光的波粒二象性：干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性：波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。,a,6,光的波粒二象性,单个光子表现为粒子性，大量光子的运动表现为波动性；频率高的光子容易表现出粒子性，频率低的光子容易表现出波动性；光在传播过程中往往表现出波动性，在与物质发生作用时

3、往往表现为粒子性；,a,7,像差,像差是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学的理想状况的偏差。像差一般分两大类：色差和单色像差。,a,8,色散现象,白光中人眼可以感受到的可见光的波长为400nm(紫)700nm(红色)。当白光通过三棱境时，我们可以观察到彩虹光谱。不同波长的光的折射率不同而引起的彩虹光谱称之为色散现象。在光学镜头中，这种起因于不同波长的光造成的像差，我们称为色差。色像差分成轴向色像差和倍率色像差两种。,a,9,色差,轴向色像差：指的是光轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成

4、一个完美的像点，所以成像模糊。倍率色像差：指由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，引起的映像倍率改变，画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。,a,10,色差,轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑；倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边现象。,1）红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片2）消除色差的常用办法之一是采用不同色散材料的光学元件来组成镜头，用其中的一种光学元件的正色散来抵消另一种光学元件所产生的负色差。,a,11,焦点,跟主轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光

5、线的一点，就叫做焦点。,a,12,球差,由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。,a,13,球差,球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起球差。消除球差方法：1、配曲（利用透镜形状与球差的关系消除单透镜的像差），采用非球面技术。,a,14,球差,1）研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这种制造工

6、艺成本相对较高；2）模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低；3）复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两种工艺之间。,a,15,球差,2、组合（正负透镜的组合，组合方式：胶合或分离）凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜，可使某个高度h上的球差完全抵消。3、最简单的方法：在透镜前加一个光阑，只让近轴光线通过。在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像差。,a,16,慧差,由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系

7、统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。,a,17,慧差,产生彗形像差的原因是球面透镜各光区成像的放大率不一致，各光区的焦点不同。在边区一带光线形成亮度较低，虚散的大环形，主光轴一带光线形成高亮度清晰的小环形。重叠后呈现梨状圆形。校正彗形像差的办法主要有以下两种：一是在设计制造镜头时，可用不同曲率透镜的组合加以校正；二是对校正不良，尚存彗形像差的镜头，可采用缩小光圈的办法减少彗形像差的影响。,a,18,像散,由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不

8、能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。,a,19,像散,它产生的原因是：与主光轴垂直的平面，其影像位于两个不同的表面上，一个表面上仅有水平线条，而另一具表面上则只有垂直子午线条，当这两个表面不能相重合时，便产生了像散。在理想像平面上综合后，形成一个椭圆形的斑点。像散带来的危害有两方面，一个是使视场边缘所成的像模糊，无论在哪一个像面位置上都找不到清晰的像。另一个是使线段的成像具有明显的方向性，当在某一方向清晰时与之垂直的方面线段就模糊。对于透镜像散的校正通常采用折射率较高、色散率较低的光学玻璃制造透镜，并配制各种曲率的表面互相抵消。像散可以用不少于三个透镜组来

9、矫正。,a,20,场曲,垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。,a,21,场曲,场曲在望远镜中表现比较明显，但是害处较小，我们使用望远镜很明显可以看到边缘成像不如中心，这种边缘模糊就主要是场曲和彗差的综合作用，其中场曲是主要的。场曲和彗差虽然表现一致，但是还是很好分辨的，把一个星点放入视场，调节成点状，再移动到视场边缘，这个星点就会散开，调节焦距，如果还可以调成一个点，说明只有场曲，如果怎么调也无法调节成点状，说明有彗差作用。对于透镜像散的校正通常采用折射率较高、色散率较

10、低的光学玻璃制造透镜，并配制各种曲率的表面互相抵消。,a,22,畸变,被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。透镜对于物体不同部位的点，垂轴放大率不一样，导致所成的象与原物不再相似。,a,23,畸变,畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。影像各部分相对比例关系与被摄体实际比例关系不一致而出现的一种变形现象。向内弯曲的为桶形畸变，向外弯曲的为枕形畸变。新月形、平凸形单透镜更容易出现影像畸变，当凹面或平面向外，光圈在前时，所会聚影像呈凸出状，愈接近边缘，弯曲现象就愈明显，这种现象为桶形畸变；当

11、凸面向外，光圈在后，所结成的影像呈凹状，纵横线都向内弯曲，这种现象为枕形畸变。摄影镜头的畸变只有改善镜头的结构才能得以消除。,a,24,单色像差,总结：对于望远镜来说，色差、球差和像散是最有害的像差，应该得到有效控制，而场曲、畸变和彗差是较为无害的，不影响中心清晰度，所以一般放在次要位置。即使是高级的望远镜，场曲、畸变和彗差有的也非常明显。,a,25,景深,人的肉眼所感受到的影像与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影像产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深。以持照相机拍摄者为基准，从焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。,a,26,弥散圆,在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的