光学基础知识

1、基 本 光 学 知 识,内 容： 1、光的三大定律 2、光学元件和透镜成像规律 3、焦点、弥散圆和景深 4、色散现象和色像差 5、球差、像散、慧差、场曲和畸变 6、人的眼睛,直线传播定律、反射定律和折射定律,光的三大定律 ,光的直线传播定律 光在均匀介质中沿直线传播。,光的反射定律 反射角等于入射角，i = i。,对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决于视点，观察角度不同，表面亮度也不同； 一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。,光的折射定律 n1 sin i = n2 sin r n1和n2分别表示两种介质的折射率； i为入射角，r为折射角。,折射率为光

2、在两种介质种的传播速度之比，即 n2/n1 = v1/v2 一种介质的绝对折射率为 n = c/v 式中c是真空中光的速度，v为该介质中光的速度。,光学元件和透镜成像规律,正透镜（凸透镜） 镜片中心比边缘厚，起聚光作用。,负透镜（凹透镜） 镜片中心比边缘薄，起发散作用。,反光镜,透镜成像规律,焦点、弥散圆和景深,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在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。,在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。,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，

3、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。 35mm照相镜头的容许弥散圆，大约是底片对角线长度的1/10001/1500左右。前提是画面放大为5x7英寸的照片，观察距离为2530cm。,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，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。 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。,景深的计算公式： f镜

4、头焦距 F 镜头的拍摄光圈值,从公式(1)和(2)可以看出，后景深 前景深。,景深的经验公式：,景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及容许弥散圆的大小有关。这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)： (1)、镜头光圈： 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； (2)、镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。,光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；,景 深 的 实 际 拍 摄 照 片 - 只改变镜头光圈和快门速度,光圈f/2.8 曝光时间1/125 s,光圈f/5.6 曝光时间1/30 s,光圈f/1

5、1 曝光时间1/8 s,光圈f/22 曝光时间1/2 s,色 散 现 象 和 色 像 差,白光中人眼可以感受到的可见光的波长为400nm(紫色)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，我们称为色像差。 色像差分成轴向色像差和倍率色像差两种。,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

6、缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。,红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。,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。,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。例如我们公司望远镜的消色差镜，利用折射率较低的PMMA做凸透镜，利用折射率较高的PC做凹透镜，然后将两者配合在一起使用。,双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短波光线焦距较长。 通过合理的选择镜片球面曲率、双胶合镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相等，

7、这就基本消除了色差。,只对两种有色光校正色差的，称为稳定 的消色差镜头； 若对三种有色光同时校正色差的称为复 消色差镜头； 而对四种有色光校正色差的则称为超消 色差镜头。,双胶合镜的消色差作用对于焦距较长 (如300mm以上)的镜头效果会不理想，因为镜头焦距愈长，由色散而引起的色差也就愈严重。 对于长焦镜头，更常用的办法是采用特殊色散或超低色散玻璃来制作光学元件。,球差、像散、慧差、场曲和畸变,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

8、像误差称为球差。,当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时，它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片(这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像差)。,由于球面像差的缘故，就会在通过镜头中心部分的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边缘部分的光线所产生的光斑(光晕)，使人感到所形成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑的半径称为横向球面像差。,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。 在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像 差。,球差的产

9、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。解决的方法是采用非球面技术。,目前主要有三种制造非球面镜片的方法： 1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这 种制造工艺成本相对较高； 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。,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，不能结成一个清晰像点，而只能结

10、成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。,像散现象由两个互相垂直截面的光线构成，与主轴光线无关。像散现象发生在像平面周边部分，如物体有成直角交叉的横线和竖线，在像平面周边成像时，横线和竖线不能同时会聚成清晰的像，竖线清晰时，横线必模糊；横线清晰时，竖线必模糊。,慧 差,由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，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。,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

11、学系统的成像误差称为场曲。,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。 场曲和彗差都与视场大小有关，视场越大则越严重，所以现代望远镜不是很追求广角设计。在视场较小的天文望远镜中，场曲和彗差就要轻微得多。 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。,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

12、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。,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。,人 的 眼 睛,眼睛的聚焦能力主要来自角膜，但为了对不同距离的物体聚焦，眼睛靠改变晶状体的前表面的曲率来实现的。 当眼的调节放松时，如果物体成像落在视网膜上的话，便为正视眼；如果物体成像落在视网膜之后的称为远视眼，相反落在视网膜之前的称为近视眼。 正常眼睛调节所能看到的最短距离（近点）是100毫米，调节所能看到的最远距离（远点）是无穷远。,人眼的视网膜上有两种光感受器：视杆细胞和视锥细胞。 视杆细胞的非常灵敏，在很暗的光照下还能工作，但不能区别颜色，在较暗的环境亮度下主要是视杆细胞的活动，称暗视觉； 视锥细胞不够灵敏，只