光学基础知识演示文稿

光学基础知识演示文稿本文档共64页；当前第1页；编辑于星期三\20点57分光学基础知识本文档共64页；当前第2页；编辑于星期三\20点57分3

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、人的眼睛本文档共64页；当前第3页；编辑于星期三\20点57分4

直线传播定律、反射定律和折射定律光的三大定律——本文档共64页；当前第4页；编辑于星期三\20点57分5■光的直线传播定律

光在均匀介质中沿直线传播。

本文档共64页；当前第5页；编辑于星期三\20点57分6■光的反射定律

反射角等于入射角，i=i‘。

本文档共64页；当前第6页；编辑于星期三\20点57分7

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。本文档共64页；当前第7页；编辑于星期三\20点57分8■光的折射定律

n1sini=n2sinr

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。本文档共64页；当前第8页；编辑于星期三\20点57分9

折射率为光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。

本文档共64页；当前第9页；编辑于星期三\20点57分10光学元件和透镜成像规律本文档共64页；当前第10页；编辑于星期三\20点57分11■正透镜（凸透镜）

镜片中心比边缘厚，起聚光作用。

本文档共64页；当前第11页；编辑于星期三\20点57分12■负透镜（凹透镜）

镜片中心比边缘薄，起发散作用。

本文档共64页；当前第12页；编辑于星期三\20点57分13■反光镜

本文档共64页；当前第13页；编辑于星期三\20点57分14■透镜成像规律本文档共64页；当前第14页；编辑于星期三\20点57分15焦点、弥散圆和景深本文档共64页；当前第15页；编辑于星期三\20点57分16

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。本文档共64页；当前第16页；编辑于星期三\20点57分17

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。本文档共64页；当前第17页；编辑于星期三\20点57分18

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。

35mm照相镜头的容许弥散圆，大约是底片对角线长度的1/1000~1/1500左右。前提是画面放大为5x7英寸的照片，观察距离为25~30cm。本文档共64页；当前第18页；编辑于星期三\20点57分19

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。本文档共64页；当前第19页；编辑于星期三\20点57分20本文档共64页；当前第20页；编辑于星期三\20点57分21景深的计算公式：

f——镜头焦距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。本文档共64页；当前第21页；编辑于星期三\20点57分22景深的经验公式：本文档共64页；当前第22页；编辑于星期三\20点57分23

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。本文档共64页；当前第23页；编辑于星期三\20点57分24

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；本文档共64页；当前第24页；编辑于星期三\20点57分25

景深的实际拍摄照片

----------只改变镜头光圈和快门速度本文档共64页；当前第25页；编辑于星期三\20点57分26光圈f/2.8曝光时间1/125s本文档共64页；当前第26页；编辑于星期三\20点57分27光圈f/5.6曝光时间1/30s本文档共64页；当前第27页；编辑于星期三\20点57分28光圈f/11曝光时间1/8s本文档共64页；当前第28页；编辑于星期三\20点57分29光圈f/22曝光时间1/2s本文档共64页；当前第29页；编辑于星期三\20点57分30色散现象和色像差本文档共64页；当前第30页；编辑于星期三\20点57分31

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。

本文档共64页；当前第31页；编辑于星期三\20点57分32

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。

本文档共64页；当前第32页；编辑于星期三\20点57分33

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。本文档共64页；当前第33页；编辑于星期三\20点57分34

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。本文档共64页；当前第34页；编辑于星期三\20点57分35

红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。本文档共64页；当前第35页；编辑于星期三\20点57分36

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。

本文档共64页；当前第36页；编辑于星期三\20点57分37

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。本文档共64页；当前第37页；编辑于星期三\20点57分38

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，这就基本消除了色差。

本文档共64页；当前第38页；编辑于星期三\20点57分39

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。

本文档共64页；当前第39页；编辑于星期三\20点57分40

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。

本文档共64页；当前第40页；编辑于星期三\20点57分41球差、像散、慧差、场曲和畸变本文档共64页；当前第41页；编辑于星期三\20点57分42球差

本文档共64页；当前第42页；编辑于星期三\20点57分43

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。

本文档共64页；当前第43页；编辑于星期三\20点57分44

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)。

本文档共64页；当前第44页；编辑于星期三\20点57分45

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。本文档共64页；当前第45页；编辑于星期三\20点57分46

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。本文档共64页；当前第46页；编辑于星期三\20点57分47

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。解决的方法是采用非球面技术。本文档共64页；当前第47页；编辑于星期三\20点57分48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；本文档共64页；当前第48页；编辑于星期三\20点57分493、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。本文档共64页；当前第49页；编辑于星期三\20点57分50像散

本文档共64页；当前第50页；编辑于星期三\20点57分51

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，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。本文档共64页；当前第51页；编辑于星期三\20点57分52

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。本文档共64页；当前第52页；编辑于星期三\20点57分53慧差

本文档共64页；当前第53页；编辑于星期三\20点57分54

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。本文档共64页；当前第54页；编辑于星期三\20点57分55场曲

本文档共64页；当前第55页；编辑于星期三\20点57分56

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。本文档共64页；当前第56页；编辑于星期三\20点57分57

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。本文档共64页；当前第57页；编辑于星期三\20点57分5