nbhkdz.com冰点文库

光学基础知识


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:

λ

? 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: 直线传播
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

A

N

B

AO: 入射光线

I1

R1

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
N I2 O

C

第三节

折射率和光速

一、折射定律和折射率的物理意义 折射光线在入射面内
折射定律:
Sin I1 Sin I2

=n

1, 2

n1,2 : 第二种介质相对于第一种介质的折射率

A I1 P O

N

Q
Q?
1 2

I2
12

O?

N?

QQ' ? v1t

OO' ? v2t

QQ' sin I1 ? OQ'

OO' sin I 2 ? OQ'

sin I1 QQ' ? ? n1, 2 sin I 2 OO'

sin I1 v1 ? ? n1, 2 sin I 2 v2

SinI1

SinI2

=

υ1

υ2

=n

1, 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

c n? 介质对真空或空气的折射率 v

3、相对折射率与绝对折射率之间的关系 相对折射率:

n 1, 2 =

υ1

υ2

第一种介质的绝对折射率:
第二种介质的绝对折射率:
所以

n1 = n2 =

n 1, 2 =

n2

n1

I1 空气 n=1 水 n=1.33

I1 玻璃 n=1.5 空气 n=1

I2

I1
c 空气 n小 玻璃 n大 空气 n小 玻璃 n大

第四节 光路可逆和全反射
一、光路可逆 1、现象

A

B

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

空气
O1

I2

O2

O3

O4


A

I1 R1

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

n2 sin I 0 ? n1

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

n I0

1.5

1.52

1.54

1.56

1.58

1.60

1.62

1.64

1.66

41°4 41°8’ 40°3 39°5 39°1 38°4 37°7’ 37°7’ 37°3’ 8’ 0’ 2’ 6’ 1’

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
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?

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
边缘走的快。
P P’

正透镜:正透镜中心比边缘厚,光束中心部分走的慢,

A

O

O’

A’

Q

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,景深越浅,主体越远,景深越 深。

δ——容许弥散圆直径 f——镜头焦距 F——镜头的拍摄光圈值 L——对焦距离 ΔL1——前景深 ΔL2——后景深 ΔL——景深

前景深ΔL1=FδL^2/(f^2+FδL) 后景深ΔL2=FδL^2/(f^2-FδL) 景深ΔL=ΔL1+ΔL2=(2f^2FδL^2)/(f^4-F^2δ^2L^2)


光学基础知识

光学基础知识:焦点,弥散圆,景深:概念与计算 2009/03/30 23:04 先介绍几个概念: 1,焦点(focus) 与光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...

光学基础知识

(cut) Part2 光学冷加工涉及到的基本概念 1、尺寸: 基本尺寸:设计时给定的尺寸 实际尺寸:通过测量所得的尺寸,由于测量误差所以实际尺寸并非尺寸真值 极限尺寸:...

光学基本知识1

光学基本知识1_物理_自然科学_专业资料。光学基本知识 第一章第一节 光是电磁波 电磁波是一个大家族。宇宙射线、γ 射线、χ 射线、紫外线、 可见光、红外线,...

光学仪器专业基础知识

光学仪器专业基础知识_物理_自然科学_专业资料。光学仪器专业基础知识一、 填空题(共 15 题,每题 2 分) 1.1 阿贝(Abbe)原则是指测量轴线在 这一原则,判别万...

光学基础知识

光学基础知识_物理_自然科学_专业资料。光学基础知识目录 一.光的认识 二.光的基本概念 三.几何光学的基本定律 四.配光曲线 一、光的认识 1、什么是光?光是一...

光学基础知识及常见的光学现象解释

光学基础知识及常见的光学现象解释_理学_高等教育_教育专区。光学的基础知识及常见的光学现象解释光学: 光学 物理学的一个部门。光学的任务是研究光的本性,光的辐射...

光学测量的基本知识

光学测量的基本知识_工程科技_专业资料。光学测量的基本知识典型的光学测试装置---光具座 一.典型的光学测试装置 典型的光学测试装置 光具座 的长短来区分,例如 ...

光学基础知识

光学基础知识_物理_自然科学_专业资料。光学基础知识填空 一、光源 光的传播 1、光源是___的物体。月亮___光源。 (是/不是) 2、光在___介质中沿直线传播。...

光学设计基本知识

光学设计基本知识_电子/电路_工程科技_专业资料。一、关于光线:光源发出之光,通过均匀的介质时,恒依直线进行,叫做光的直进。此依直线 前进之光,代表其前进方向的...

光学基础知识

光学基础知识: 光学基础知识:摄影镜头调制传输函数 MTF 解读镜头是摄影师和摄影爱好者投资最高的设备之一,也是决定拍摄质量的最重要的因素。因此,镜头的质量,历来 ...