光学基础（眼镜光学技术课件）

光的本质一、光的本质发现史1.光的微粒说光是一种微粒流2.光的波动说光是一种在“以太”中传播机械波3.光的电磁说麦克斯韦提出光是由交流电磁波构成。范围：10～106nm可见光：380～760nm分类：单色光：单一波长且具有特定颜色复合光：几种单色光混合在真空中c＝3.0×108m/s光波在不同介质中的传播速度不同。波长（nm）大致波长（nm）颜色723~647700红647~585616橙585~575580黄575~492510绿492~455470青455~424440蓝424~397420紫4.光的量子说量子说认为发光过程并不是连续的波动过程，而是不连续的光子辐射，每个光子都具有一定的能量，光子在空间运动时，其能量仍保持密集于一处。光的双重性质——波动性和微粒性联系一起，即动量和能量是光的粒子性的描述，而频率和波长则是波的特性。光的波粒二象性光的波动性与粒子性之间的联系：波动性突出表现在其传播过程中，粒子性则突出表现在物体的电磁辐射与吸收、光子与物质之间的相互作用中。频率越高、波长越短、能量越大的光子其粒子性越显著；而波长越长，能量越低的光子则波动性越显著。光波又可认为是一种概率波，大量光子产生的效果往往显示出波动性；而个别光子产生的效果往往显示出粒子性。光度学基本物理量一、光通量定义：标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。人眼的视觉强度与辐射通量和视见函数成正比：光通量单位流明lm辐射通量：在单位时间里通过一个面积的能量流，与功率的意义相同。光通量：对能够被人的视觉系统多感受到的光辐射功率大小的度量二、发光强度光源在某方向上的单位立体角内发出的光通量单位：坎德拉（cd）定义1坎德拉表示点光源在一个单位立体角内具有1流明的光通量。即为1坎德拉=1流明/球面度。发光强度是表述光源在某一方向上发光的强弱程度。三、光照度：定义：单位受照面积所接受的光通量。单位勒克斯lx光照度表征受照面被可见光照射的程度的物理量，反应受照面的明亮程度场合光照度（lx）场合光照度（lx）观看仪器示值30~50太阳直照时的地面照度10万一般阅读及书写50~75辨别方向所必需要的照度1精细工作（如修表等）100~200满月在天顶时的地面照度0.2国际对数视力表的照度200~800无月夜地面的照度3×10-4晴朗夏日采光良好的室内100~500眼睛能感受的最低照度3×10-9四、光亮度光源单位面积上向某方向的发光强度光亮度描述了具有有限尺寸的发光体的可见光在空间分布的情况单位:cd/m2（坎德拉每平方米）物体表面发射的光亮度与投射光和物体表面特性有关，亮度与观察距离无关，是反应眼睛对物体表面反射光强弱的感觉。不同波长敏感度不同，在视觉上产生差异光源名称光亮度光源名称光亮度地球上看到的太阳1.5×109钨丝白炽灯0.5×107~1.5×107太阳照射下的洁净雪面3×104人工照明时的纸面10距太阳70°的晴朗天空0.15×104视见函数在光学中，与能量有关的量有两类1、物理量（辐射能量）2、生理量（视觉强度）光度学：在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科。一、视觉光度测量基础：人眼视见函数反应人眼对不同波长的光的灵敏度，借助于比较产生同等强度的视觉所需要各波长的光的辐射通量规定在标准亮度下，对人眼最灵敏的波长555nm的视见函数为1，其它波长的视见函数小于1在暗适应状态下和标准亮度下视见函数会出现差异，如在暗适应状态下最大视见函数对应的波长为507nm，即=1，其余的值均小于1，这就是暗视觉视见函数。波长nm波长nm3800.0000.0006560.995.3288390.0001.0022570.952.2076400.0004.0093580.870.1212410.0012.0348590.757.0656420.0040.0966600.631.0332430.0116.1998610.503.0159440.023.3281620.381.0074450.038.455630.265.0033460.060.567640.175.0015470.091.676650.107.0007480.139.793660.061.0003490.208.904670.032.0001500.323.982680.017.00007507-1.000690.0082.00004510.503.997700.0041.00002520.710.935710.0021.00001530.862.811720.0010.00000540.954.650730.0005.00000550.995.481740.0002.000005551-750.0001.00000思考题：在标准亮度下，人眼同时观察距离相同且在观察方向上辐射强度相同的两个辐射体A（600nm）和辐射体B（500nm）。问两辐射体对人眼的视觉强度的关系。颜色的分类一、色觉的形成人辨别颜色的能力是指视网膜对不同波长的光的感受特性，人眼视网膜锥状感光细胞内有三种不同的感光色素（红、绿、蓝），对不同波长吸收率不同，形成不同颜色，产生色觉。格拉斯曼定律：人眼对任一色彩的视觉反应取决于红、绿、蓝三色输入量的代数和二、颜色的分类非彩色和彩色两大类

非彩色指白色、黑色和不同程度的灰色组成的颜色系列。彩色指除非色彩系列以外的所有颜色彩色分为原色、间色、复色和补色原色：不能由其它颜色合成得到的颜色，但可以合成其它颜色（红绿蓝）间色：两种原色混合得到的颜色（黄紫青）红色+绿色=黄色；红色+蓝色=品红（紫色）；蓝色+绿色=青色。复色：两种或两种以上的间色混合的颜色补色：混合后得到白色或灰色的两种色蓝色+黄色=白色，品红+绿色=白色，红色+青色=白色。绿色和品红色互为补色，蓝色与黄色互为补色，红色和青色互为补色。（三）颜色的属性色调（色相）明度（明亮度）饱和度（纯度）1、色调区分不同彩色的特征2、明度（色阶、亮度、深浅）颜色的明亮程度。3、饱和度（彩度、纯度）表示彩色的纯洁度。单球面成像物理量当点光源位于主光轴上某点F时，如果它发出的光束经折射后以平行光束出射（即成像于无穷远处），那么F就称为第一焦点，也称物方焦点；

顶点O到F的距离称为第一焦距，也称物方焦距，以f表示。平行于主轴的入射光束（即物处于无穷远处），经折射后会聚于主轴上的点，称为第二焦点，也称像方焦点；顶点O到第二焦点的距离称第二焦距，也称像方焦距。球面的屈光力（光焦度、焦度）当r以米为单位时，F的单位称为屈光度，用D表示，1屈光度等于100度。横向放大率：表示像高

与物高y的比值。当

＜0时，l与l´异号，此时表示成倒立像，像的虚实与物一致，当

＞0时，l与l´同号，此时表示成正立像，像的虚实与物相反，当

＞1时，表示成放大像；

＜1时，表示成缩小像。轴向放大率：指光轴上一对共轭点沿轴移动量之间的关系。轴向放大率恒为正值，即表示物点沿轴移动时，其像总是以相同的方向沿轴移动。角放大率：指一对共轭点的像方孔径角与物方孔径角的比值。三个放大率之间的关系为单球面物像关系当光线由一种介质进入另一种介质，且两种介质的分界面是球面的一部分时，所产生的折射现象称单球面折射物距：折射面顶点O到轴上物点A的距离OA；物方孔径角：入射光线AE与光轴的夹角∠EAO；像距：折射面顶点O到轴上像点

的距离

像方孔径角：出射光线与光轴的夹角符号规定:（光线自左向右传播）线段：由左向右、由下向上为正角度：顺时针为正，逆时针为负，注意旋转方向在光路图中注意负号的使用。根据光学追迹发现在物距l为定值时，像距是随着物方孔径角u的变化而变化。即不完善成像。只有近轴区完善成像，像称为理想像点，所在像面称为理想像面A在近轴区内其像的位置只随着物距l的变化而变化，而与物方孔径角u无关。在近轴区内，物像共轭的常用位置关系式为：单球面成像的高斯公式共轴球面系统共轴系统：球心在一条直线上的几个折射球面组成的系统叫做共轴球面系统。最简单的是单透镜：两个折射面组成光线追迹法（或称逐次成像法）前一个面的像充当后一面的物多个折射球面几何光学基本定律1、光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光线沿着直线传播的。例如：影子、月食和小孔成像2、光的独立传播定律来自不同方向的光线在传播途中相遇时，彼此相互不影响，各自独立地传播；在相交处，其相互作用是简单地相加。3、光的反射定律和折射定律符号规定：角度符号以锐角来度量，由光线为起始转向法线顺时针为正反之为负反射定律：折射定律：4、光路可逆原理在几何光学中，任何一条光线的光路都是可逆的5、光的全反射根据折射定律：临界角：全反射条件：1、入射光线由光密介质射向光疏介质2、入射角必须大于临界角几何光学基本概念几何光学：以光线的概念为基础，研究光在透明介质中的传播规律和现象。1.发光体和发光点发光体：自身发光的物体或被照明而发光的物体。发光点：既无体积和线度，而只有空间位置的发光几何点。2、光波光的本质是一种电磁波，具有波粒二象性。

3、光线光线：认为既无直径又无体积，但有一定方向的几何线，用来表示光能传播的方向。在均匀介质中：光线沿波面法线传播不考虑光的衍射特性4.光束光束：有一定关系光线的集合。分类：非同心光束光束发散光束同心光束会聚光束平行光束发散光束会聚光束平行光束像散光束5、介质光线能通过的透明物质（如空气、气体、水等）都被称为光学介质。6、折射率光在真空中的光速c和其在相应介质中的光速v之比，称为该介质的折射率。即n=c/v。光学介质折射率的大小与介质本身的光学性质和光的波长有关，它表示了介质折光能力的强弱。光密介质和光疏介质几何像差的分类几何像差：对于实际光学系统（除平面反射镜具备完善成像）不能以一定宽度的光束对一定大小的物体成完善像，因此非近轴区物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点，而是形成一弥散斑，从而使像变得模糊，并且产生相对于原物的变化。根据入射光的不同可分为：单色像差和色差单色像差：光学系统以单色光成像时产生的像差色差：各种不同波长的色光所成像的位置和大小都不相同，其与理想像的偏离单色像差主要可分为五种：轴上点像差：由光轴上的点成像随孔径增大而产生的像差，包括球差。轴外点像差：随视场的增大而产生的像差，包括慧差、像散、像面弯曲和畸变。色差，主要分为位置色差和倍率色差两种位置色差：描述两种色光对轴上物点成像位置差异。倍率色差：因不同色光成像倍率的不同而造成物体的像大小差异色差色差：因白光是复合光，由不同波长的单色光组成，波长不同，折射率不同。导致各种色光由不同的成像位置和成像倍率。选蓝色F光和红色的C光（敏感区两端）分类：位置色差、倍率色差1、位置色差（轴向色差）定义：描述两种色光对轴上物点成像位置差异的色差位置色差：结果：白光入射，像为彩色弥散斑。讨论：1、近轴区同样存在位置色差

2、在A‘F处，中蓝外红；在A‘C处，中红外

3、校正：正负透镜组合2、倍率色差（垂轴色差）定义：因不同色光成像倍率的不同而造成物体的像大小差异的色差。讨论：1、在近轴区同样存在2、现象，使物体像边缘呈现彩色，影响清晰度。轴上点像差轴上点像差：由光轴上的点成像随孔径增大而产生的像差。轴上点唯一的单色像差是球差，而且是轴上点以宽光束成像时产生的像差。在实际光线的光路计算过程中，光轴上一点发出的光线，物方孔径角u不同，通过光学系统后就有不同的像距

。它们相对于由近轴光线计算的理想像距

就有不同的偏离。由于球差的存在，使得在理想像面上不能成一点像，而是一个圆弥散斑，其半径称为垂轴球差结论：1、球差随光束孔径角的增大而增大

2、与透镜形状和焦距有关（影响到像距）校正方法：利用正负透镜组合使用，相互抵消。轴外点像差轴外点像差：随视场的增大而产生的像差，包括慧差、像散、像面弯曲和畸变。慧差：轴外点以宽光束入射产生的像差像散、像面弯曲和畸变：轴外点以细光束入射产生的像差一、慧差轴外点成像的对称面，子午面。主光线、弧失面子午面辅轴BC、选择三条子午线。折射后失去对主光线的对称性。子午慧差KT‘：ab光线交点到主光线的垂直光轴方向的偏差弧矢慧差KS’

：弧失光束前光线和后光线经球面折射后交BS’点，到主光线的垂直于光轴的偏离。慧差：轴外点以宽光束成像时所产生的一种轴外宽光束单色像差。影响因素：1、视场大小

2、光束孔径形状：二、像散和像面弯曲对于细光束，子午面和弧矢面在折射球面的位置不同，使截面曲率不同，像点不同。如图，在子午面和弧矢面的会聚点不同，因此形成两条焦线：子午焦线和弧矢焦线子午像点BT’和弧矢像点BS’像散：子午像点与弧矢像点之间的沿轴位置差异。讨论：物体在子午像面和弧矢像面的成像情况像散随视场的增大而增大。子午像面弧矢像面像面弯曲：弯曲像面与高斯像面的偏离如上图：子午场曲和弧矢场曲。珀兹伐像面：指没有像散的弯曲像面珀兹伐场曲场曲对成像的影响三、畸变在实际光学系统中，视场较大时，像的垂轴放大率随视场而异，使像相对物体失去相似性。分类：正畸变、负畸变表达：相对畸变q分析：1、畸变对清晰度无影响

2、当q<4%时感觉不到变形理想光学系统的基点理想光学系统定义：对于任意范围的物体以任意宽的光束成像都是完善的。即：理想光学系统具有完善性理想光学系统的基点包括：焦点、主点、节点像方焦点F2：平行于光轴入射，出射光线的焦点。像方焦平面：像方焦点所在垂直光轴的平面。物方焦点F1：像方出射光线平行于光轴对应的物点物方焦平面：过物方焦点F1且垂直于光轴的平面和光轴成一定夹角的平行光束，通过光学系统后，必相交于像方焦平面上同一个点。由物方焦平面轴外任意一点发出的所有光线，经过光学系统后，对应一束与光轴成一定夹角的平行光线。延长入射平行光线和其共轭的出射光线，交点在光轴的垂点,称为像方主点延长经物方焦点的入射光线和其共轭的出射光线，交点在光轴的垂点,称为物方主点性质：1、物方主平面和像方主平面为共轭平面2、横向放大率为＋13、对于薄透镜，两个主平面近似重合在透镜中间。③焦距物方焦距：物方主点H——物方焦点F1像方焦距：像方主点H‘——像方焦点F2符号：由主点到焦点，自左向右为正，反之为负。讨论：1、f’>0为正的光学系统，会聚作用

f’<0为负的光学系统，发散作用2、当透镜两边介质不同时：介质相同：f’=-f节点：一对角放大率为＋1的特殊共轭点分类：物方节点N——物方节平面像方节点N‘——像方节平面理想光学系统的物像关系理想光学系统的物像关系①作图法求像由物点发出两条光线，经光学系统后出射光线的交点为像点。平行光线特殊光线过物方焦点选择光线过物方节点形成平行光线辅助光线非光轴上点②公式法求像（1）牛顿公式物距P：物方焦点F1——物点A像距P‘：像方焦点F2——像点A’符号：自左向右为正，反之为负由两个相似三角形得：横向放大率：（2）高斯公式物距l：物方主点H——物点A像距l‘：像方主点H’——像点A‘符号：自左向右为正，反之为负由牛顿公式得：

横向放大率：2、当前后两种介质相同。理想光学系统的组合概念：光学间隔主面间隔1、作图法2、计算法1、焦点位置：由相似三角形：2、主点位置：3、屈光力薄膜干涉日常生活中的一些现象薄膜干涉原理：同一入射光在两个面上反射得到两束反射光，属于相干光。半波损失：光从光疏介质射向光密介质表面的反射光，其相位发生了半个周期的变化。（相当于多走了（或少走了）半个波长）。加强减弱加强减弱讨论：应用：光学透镜上涂抹增透膜。（氟化镁）防紫外线衣服、防紫外线伞、太阳镜等的设计原理光的干涉一、相干光源光的干涉现象：两列光波叠加时，有些点振动加强，有些点振动减弱，形成稳定的明暗相间的条纹。

光的干涉相干条件：频率相同振动方向相同相位差恒定此外，两束光的光程差不能太大。两束光的强度不要相差太大。获得相干光的方法：分波阵面法：利用反射、折射把某振幅分成两部分，再使它们相遇从而产生干涉现象的方法（薄膜干涉）在光源发出的某一波阵面上，取出两部分面元作为相干光源的方法（杨氏实验）分振幅法：激光光源是目前最好的相干光源二、杨氏双缝干涉

杨氏双缝干涉实验是1802年英国物理学家——托马斯·杨首先用实验的方法观察到的光的干涉现象。托马斯•

杨明条纹位置明条纹位置明条纹位置1、实验现象为了观察到较清晰的干涉图样，实验装置应该满足：

（1）S

、S1

、S2

的宽度应足够窄，约在10－2mm

数量级，此时它们可近似看成线光源；（2）S1

、S2

间距较小，约为0.1～1mm

；而且它们与S

的距离相等；（3）光屏M与双缝S1

、S2

间距较大，约为1m

；（4）光源的单色性较好。杨氏双缝实验干涉条纹单色光干涉条纹白色光干涉条纹设实验在真空（或空气）中进行，则光程差为：pr1

r2

x

Ldo·

明纹暗纹明纹暗纹条纹间距a.相邻明纹间距：b.相邻暗纹间距：

可以看出相邻明纹与相邻暗纹的间距都相同，所以条纹明暗相间平行等距。讨论：1、条纹分布：中央亮条纹、向两边明暗相间。2、条纹间隔：A.B.C.D.光的偏振一、自然光和偏振光

光波是电磁波，属于横波，其电场强度矢量E和磁感应强度矢量B都垂直于波的传播方向。E是引起感光作用和生理作用的主要因素，称为光矢量,以它的振动代表光的振动，其振动方向，代表光的振动方向。光的偏振

自然光：光波在垂直于传播方向的平面内的各个方向上振动次数和振幅大小均等。

自然光的图示如果光矢量只沿一个固定的方向振动，这样的光称为线偏振光（平面偏振光、简称偏振光）

面对光的传播方向看E播传方向振动面二、起偏和检偏起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。透光轴方向自然光偏振片线偏振光起偏器：能把自然光变成偏振光的装置（它只能让光波中某一特定方向振动的通过）检偏器：用于检测光波是否偏振并确定其振动方向检偏：检查入射光的偏振性。132θ？三、马吕斯定律(Maluslaw)：通过检偏器的偏振光的强度与检偏器透射轴的方向有关，如果透射轴的方向与入射光振动方向之间的夹角为θ，则通过它的光强与cos２θ成正比。

—