光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)演示文稿

光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)演示文稿本文檔共64頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)本文檔共64頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分3

內(nèi)容：

1、光的三大定律

2、光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律

3、焦點(diǎn)、彌散圓和景深

4、色散現(xiàn)象和色像差

5、球差、像散、慧差、場曲和畸變

6、人的眼睛本文檔共64頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分4

直線傳播定律、反射定律和折射定律光的三大定律——本文檔共64頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分5■光的直線傳播定律

光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

本文檔共64頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分6■光的反射定律

反射角等于入射角，i=i‘。

本文檔共64頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分7

對(duì)于理想的反射面而言，鏡面表面亮度取決于視點(diǎn)，觀察角度不同，表面亮度也不同；

一個(gè)理想的漫射面將入射光線在各個(gè)方向做均勻反射，其亮度與視點(diǎn)無關(guān)，是個(gè)常量。本文檔共64頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分8■光的折射定律

n1sini=n2sinr

n1和n2分別表示兩種介質(zhì)的折射率；

i為入射角，r為折射角。本文檔共64頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分9

折射率為光在兩種介質(zhì)種的傳播速度之比，即

n2/n1=v1/v2

一種介質(zhì)的絕對(duì)折射率為

n=c/v

式中c是真空中光的速度，v為該介質(zhì)中光的速度。

本文檔共64頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分10光學(xué)元件和透鏡成像規(guī)律本文檔共64頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分11■正透鏡（凸透鏡）

鏡片中心比邊緣厚，起聚光作用。

本文檔共64頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分12■負(fù)透鏡（凹透鏡）

鏡片中心比邊緣薄，起發(fā)散作用。

本文檔共64頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分13■反光鏡

本文檔共64頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分14■透鏡成像規(guī)律本文檔共64頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分15焦點(diǎn)、彌散圓和景深本文檔共64頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分16

與光軸平行的光線射入凸透鏡時(shí)，理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點(diǎn)后，再以錐狀的擴(kuò)散開來，這個(gè)聚集所有光線的一點(diǎn)，就叫做焦點(diǎn)。本文檔共64頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分17

在焦點(diǎn)前后，光線開始聚集和擴(kuò)散，點(diǎn)的影象變成模糊的，形成一個(gè)擴(kuò)大的圓，這個(gè)圓就叫做彌散圓。本文檔共64頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分18

人的肉眼所感受到的影像與放大倍率、投影距離及觀看距離有很大的關(guān)系，如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內(nèi)實(shí)際影像產(chǎn)生的模糊是不能辨認(rèn)的。這個(gè)不能辨認(rèn)的彌散圓就稱為容許彌散圓。

35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對(duì)角線長度的1/1000~1/1500左右。前提是畫面放大為5x7英寸的照片，觀察距離為25~30cm。本文檔共64頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分19

在焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，這兩個(gè)彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對(duì)焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現(xiàn)在底片面的影象模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內(nèi)。以持照相機(jī)拍攝者為基準(zhǔn)，從焦點(diǎn)到近處容許彌散圓的的距離叫前景深，從焦點(diǎn)到遠(yuǎn)方容許彌散圓的距離叫后景深。本文檔共64頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分20本文檔共64頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分21景深的計(jì)算公式：

f——鏡頭焦距F——鏡頭的拍攝光圈值從公式(1)和(2)可以看出，后景深>前景深。本文檔共64頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分22景深的經(jīng)驗(yàn)公式：本文檔共64頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分23

景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及容許彌散圓的大小有關(guān)。這些主要因素對(duì)景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)：

(1)、鏡頭光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

(2)、鏡頭焦距鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；

(3)、拍攝距離距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。本文檔共64頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分24

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；本文檔共64頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分25

景深的實(shí)際拍攝照片

----------只改變鏡頭光圈和快門速度本文檔共64頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分26光圈f/2.8曝光時(shí)間1/125s本文檔共64頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分27光圈f/5.6曝光時(shí)間1/30s本文檔共64頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分28光圈f/11曝光時(shí)間1/8s本文檔共64頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分29光圈f/22曝光時(shí)間1/2s本文檔共64頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分30色散現(xiàn)象和色像差本文檔共64頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分31

白光中人眼可以感受到的可見光的波長為400nm(紫色)~700nm(紅色)。當(dāng)白光通過三棱境時(shí)，我們可以觀察到彩虹光譜。不同波長的光的折射率不同而引起的彩虹光譜稱之為色散現(xiàn)象。

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在光學(xué)鏡頭中，這種起因于不同波長的光造成的像差，我們稱為色像差。色像差分成軸向色像差和倍率色像差兩種。

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軸向色像差：指的是光軸上的位置，因波長不同產(chǎn)生不同顏色有不同焦點(diǎn)的現(xiàn)象。由于不同色光焦距不同，物點(diǎn)不能很好的聚焦成一個(gè)完美的像點(diǎn)，所以成像模糊。本文檔共64頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\20點(diǎn)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，引起的映像倍率改變，畫面邊緣部分明暗交界處會(huì)有彩虹的邊緣。本文檔共64頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分35

紅色光線的焦點(diǎn)比藍(lán)色光線的焦點(diǎn)更遠(yuǎn)離鏡片。本文檔共64頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分36

軸向色像差涉及到成像的焦點(diǎn)距離，引起色彩產(chǎn)生松散或光斑；倍率色像差別則涉及到成像的大小，在畫面周圍引起色彩錯(cuò)開，形成擴(kuò)散的彩色條紋，如鑲邊現(xiàn)象。

本文檔共64頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分37

消除色差的常用辦法之一是采用不同色散材料的光學(xué)元件來組成鏡頭，用其中的一種光學(xué)元件的正色散來抵消另一種光學(xué)元件所產(chǎn)生的負(fù)色差。例如我們公司望遠(yuǎn)鏡的消色差鏡，利用折射率較低的PMMA做凸透鏡，利用折射率較高的PC做凹透鏡，然后將兩者配合在一起使用。本文檔共64頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分38

雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。通過合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料，可以使藍(lán)光、紅光焦距恰好相等，這就基本消除了色差。

本文檔共64頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分39

只對(duì)兩種有色光校正色差的，稱為穩(wěn)定的消色差鏡頭；若對(duì)三種有色光同時(shí)校正色差的稱為復(fù)消色差鏡頭；而對(duì)四種有色光校正色差的則稱為超消色差鏡頭。

本文檔共64頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分40

雙膠合鏡的消色差作用對(duì)于焦距較長(如300mm以上)的鏡頭效果會(huì)不理想，因?yàn)殓R頭焦距愈長，由色散而引起的色差也就愈嚴(yán)重。對(duì)于長焦鏡頭，更常用的辦法是采用特殊色散或超低色散玻璃來制作光學(xué)元件。

本文檔共64頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分41球差、像散、慧差、場曲和畸變本文檔共64頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分42球差

本文檔共64頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分43

由主軸上某一物點(diǎn)向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色平行光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若原光束不同孔徑角的各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸上的理想像平面處，形成一彌散光斑（俗稱模糊圈），則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。

本文檔共64頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分44

當(dāng)平行的光線由鏡面的邊緣(遠(yuǎn)軸光線)通過時(shí)，它的焦點(diǎn)位置比較靠近鏡片；而由鏡片的中央通過的光線(近軸光線)，它的焦點(diǎn)位置則比較遠(yuǎn)離鏡片(這種沿著光軸的焦點(diǎn)錯(cuò)間開的量，稱為縱向球面像差)。

本文檔共64頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分45

由于球面像差的緣故，就會(huì)在通過鏡頭中心部分的近軸光線所結(jié)成的影像周圍，形成由通過鏡頭邊緣部分的光線所產(chǎn)生的光斑(光暈)，使人感到所形成的影象變成模糊不清，畫面整體好象蒙上一層紗似的，變成缺少鮮銳度的灰蒙蒙的影像。這個(gè)光斑的半徑稱為橫向球面像差。本文檔共64頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分46

球面像差在鏡頭光圈全開或者接近全開的時(shí)候表現(xiàn)最為明顯，口徑愈大的鏡頭，這種傾向愈明顯。在鏡頭使用上，通過縮小光圈可適當(dāng)消除球面像差。本文檔共64頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分47

球差的產(chǎn)生是因?yàn)槔硐氲恼凵溏R面不是球面，但是為了加工方便一般都是用球面來近似，所以引起球差。解決的方法是采用非球面技術(shù)。本文檔共64頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分48目前主要有三種制造非球面鏡片的方法：1、研磨非球面鏡片：在整塊玻璃上直接研磨，這種制造工藝成本相對(duì)較高；2、模壓非球面鏡片：采用金屬鑄模技術(shù)將融化的光學(xué)玻璃/光學(xué)樹脂直接壓制而成，這種制造工藝成本相對(duì)較低；本文檔共64頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分493、復(fù)合非球面鏡片：在研磨成球面的玻璃鏡片表面上覆蓋一層特殊的光學(xué)樹脂，然后將光學(xué)樹脂部分研磨成非球面。這種制造工藝的成本界于上述兩種工藝之間。本文檔共64頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分50像散

本文檔共64頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分51

由位于主軸外的某一軸外物點(diǎn)，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，不能結(jié)成一個(gè)清晰像點(diǎn)，而只能結(jié)成一彌散光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。本文檔共64頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分52

像散現(xiàn)象由兩個(gè)互相垂直截面的光線構(gòu)成，與主軸光線無關(guān)。像散現(xiàn)象發(fā)生在像平面周邊部分，如物體有成直角交叉的橫線和豎線，在像平面周邊成像時(shí)，橫線和豎線不能同時(shí)會(huì)聚成清晰的像，豎線清晰時(shí)，橫線必模糊；橫線清晰時(shí)，豎線必模糊。本文檔共64頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分53慧差

本文檔共64頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分54

由位于主軸外的某一軸外物點(diǎn)，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若在理想像平面處不能結(jié)成清晰點(diǎn)，而是結(jié)成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。本文檔共64頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分55場曲

本文檔共64頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分56

垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對(duì)稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。本文檔共64頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分57

場曲在望遠(yuǎn)鏡中表現(xiàn)比較明顯，但是害處較小，我們使用望遠(yuǎn)鏡很明顯可以看到邊緣成像不如中心，這種邊緣模糊就主要是場曲和彗差的綜合作用，其中場曲是主要的。場曲和彗差都與視場大小有關(guān)，視場越大則越嚴(yán)重，所以現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡不是很追求廣角設(shè)計(jì)。在視場較小的天文望遠(yuǎn)鏡中，場曲和彗差就要輕微得多。場曲和彗差雖然表現(xiàn)一致，但是還是很好分辨的，把一個(gè)星點(diǎn)放入視場，調(diào)節(jié)成點(diǎn)狀，再移動(dòng)到視場邊緣，這個(gè)星點(diǎn)就會(huì)散開，調(diào)節(jié)焦距，如果還可以調(diào)成一個(gè)點(diǎn)，說明只有場曲，如果怎么調(diào)也無法調(diào)節(jié)成點(diǎn)狀，說明有彗差作用。本文檔共64頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期三\20點(diǎn)57分5