光學基礎（眼鏡光學技術課件）

光的本質一、光的本質發(fā)現史1.光的微粒說光是一種微粒流2.光的波動說光是一種在“以太”中傳播機械波3.光的電磁說麥克斯韋提出光是由交流電磁波構成。范圍：10～106nm可見光：380～760nm分類：單色光：單一波長且具有特定顏色復合光：幾種單色光混合在真空中c＝3.0×108m/s光波在不同介質中的傳播速度不同。波長（nm）大致波長（nm）顏色723~647700紅647~585616橙585~575580黃575~492510綠492~455470青455~424440藍424~397420紫4.光的量子說量子說認為發(fā)光過程并不是連續(xù)的波動過程，而是不連續(xù)的光子輻射，每個光子都具有一定的能量，光子在空間運動時，其能量仍保持密集于一處。光的雙重性質——波動性和微粒性聯系一起，即動量和能量是光的粒子性的描述，而頻率和波長則是波的特性。光的波粒二象性光的波動性與粒子性之間的聯系：波動性突出表現在其傳播過程中，粒子性則突出表現在物體的電磁輻射與吸收、光子與物質之間的相互作用中。頻率越高、波長越短、能量越大的光子其粒子性越顯著；而波長越長，能量越低的光子則波動性越顯著。光波又可認為是一種概率波，大量光子產生的效果往往顯示出波動性；而個別光子產生的效果往往顯示出粒子性。光度學基本物理量一、光通量定義：標度可見光對人眼的視覺刺激程度的量。人眼的視覺強度與輻射通量和視見函數成正比：光通量單位流明lm輻射通量：在單位時間里通過一個面積的能量流，與功率的意義相同。光通量：對能夠被人的視覺系統(tǒng)多感受到的光輻射功率大小的度量二、發(fā)光強度光源在某方向上的單位立體角內發(fā)出的光通量單位：坎德拉（cd）定義1坎德拉表示點光源在一個單位立體角內具有1流明的光通量。即為1坎德拉=1流明/球面度。發(fā)光強度是表述光源在某一方向上發(fā)光的強弱程度。三、光照度：定義：單位受照面積所接受的光通量。單位勒克斯lx光照度表征受照面被可見光照射的程度的物理量，反應受照面的明亮程度場合光照度（lx）場合光照度（lx）觀看儀器示值30~50太陽直照時的地面照度10萬一般閱讀及書寫50~75辨別方向所必需要的照度1精細工作（如修表等）100~200滿月在天頂時的地面照度0.2國際對數視力表的照度200~800無月夜地面的照度3×10-4晴朗夏日采光良好的室內100~500眼睛能感受的最低照度3×10-9四、光亮度光源單位面積上向某方向的發(fā)光強度光亮度描述了具有有限尺寸的發(fā)光體的可見光在空間分布的情況單位:cd/m2（坎德拉每平方米）物體表面發(fā)射的光亮度與投射光和物體表面特性有關，亮度與觀察距離無關，是反應眼睛對物體表面反射光強弱的感覺。不同波長敏感度不同，在視覺上產生差異光源名稱光亮度光源名稱光亮度地球上看到的太陽1.5×109鎢絲白熾燈0.5×107~1.5×107太陽照射下的潔凈雪面3×104人工照明時的紙面10距太陽70°的晴朗天空0.15×104視見函數在光學中，與能量有關的量有兩類1、物理量（輻射能量）2、生理量（視覺強度）光度學：在可見光波段內，考慮到人眼的主觀因素后的相應計量學科。一、視覺光度測量基礎：人眼視見函數反應人眼對不同波長的光的靈敏度，借助于比較產生同等強度的視覺所需要各波長的光的輻射通量規(guī)定在標準亮度下，對人眼最靈敏的波長555nm的視見函數為1，其它波長的視見函數小于1在暗適應狀態(tài)下和標準亮度下視見函數會出現差異，如在暗適應狀態(tài)下最大視見函數對應的波長為507nm，即=1，其余的值均小于1，這就是暗視覺視見函數。波長nm波長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思考題：在標準亮度下，人眼同時觀察距離相同且在觀察方向上輻射強度相同的兩個輻射體A（600nm）和輻射體B（500nm）。問兩輻射體對人眼的視覺強度的關系。顏色的分類一、色覺的形成人辨別顏色的能力是指視網膜對不同波長的光的感受特性，人眼視網膜錐狀感光細胞內有三種不同的感光色素（紅、綠、藍），對不同波長吸收率不同，形成不同顏色，產生色覺。格拉斯曼定律：人眼對任一色彩的視覺反應取決于紅、綠、藍三色輸入量的代數和二、顏色的分類非彩色和彩色兩大類

非彩色指白色、黑色和不同程度的灰色組成的顏色系列。彩色指除非色彩系列以外的所有顏色彩色分為原色、間色、復色和補色原色：不能由其它顏色合成得到的顏色，但可以合成其它顏色（紅綠藍）間色：兩種原色混合得到的顏色（黃紫青）紅色+綠色=黃色；紅色+藍色=品紅（紫色）；藍色+綠色=青色。復色：兩種或兩種以上的間色混合的顏色補色：混合后得到白色或灰色的兩種色藍色+黃色=白色，品紅+綠色=白色，紅色+青色=白色。綠色和品紅色互為補色，藍色與黃色互為補色，紅色和青色互為補色。（三）顏色的屬性色調（色相）明度（明亮度）飽和度（純度）1、色調區(qū)分不同彩色的特征2、明度（色階、亮度、深淺）顏色的明亮程度。3、飽和度（彩度、純度）表示彩色的純潔度。單球面成像物理量當點光源位于主光軸上某點F時，如果它發(fā)出的光束經折射后以平行光束出射（即成像于無窮遠處），那么F就稱為第一焦點，也稱物方焦點；

頂點O到F的距離稱為第一焦距，也稱物方焦距，以f表示。平行于主軸的入射光束（即物處于無窮遠處），經折射后會聚于主軸上的點，稱為第二焦點，也稱像方焦點；頂點O到第二焦點的距離稱第二焦距，也稱像方焦距。球面的屈光力（光焦度、焦度）當r以米為單位時，F的單位稱為屈光度，用D表示，1屈光度等于100度。橫向放大率：表示像高

與物高y的比值。當

＜0時，l與l′異號，此時表示成倒立像，像的虛實與物一致，當

＞0時，l與l′同號，此時表示成正立像，像的虛實與物相反，當

＞1時，表示成放大像；

＜1時，表示成縮小像。軸向放大率：指光軸上一對共軛點沿軸移動量之間的關系。軸向放大率恒為正值，即表示物點沿軸移動時，其像總是以相同的方向沿軸移動。角放大率：指一對共軛點的像方孔徑角與物方孔徑角的比值。三個放大率之間的關系為單球面物像關系當光線由一種介質進入另一種介質，且兩種介質的分界面是球面的一部分時，所產生的折射現象稱單球面折射物距：折射面頂點O到軸上物點A的距離OA；物方孔徑角：入射光線AE與光軸的夾角∠EAO；像距：折射面頂點O到軸上像點

的距離

像方孔徑角：出射光線與光軸的夾角符號規(guī)定:（光線自左向右傳播）線段：由左向右、由下向上為正角度：順時針為正，逆時針為負，注意旋轉方向在光路圖中注意負號的使用。根據光學追跡發(fā)現在物距l(xiāng)為定值時，像距是隨著物方孔徑角u的變化而變化。即不完善成像。只有近軸區(qū)完善成像，像稱為理想像點，所在像面稱為理想像面A在近軸區(qū)內其像的位置只隨著物距l(xiāng)的變化而變化，而與物方孔徑角u無關。在近軸區(qū)內，物像共軛的常用位置關系式為：單球面成像的高斯公式共軸球面系統(tǒng)共軸系統(tǒng)：球心在一條直線上的幾個折射球面組成的系統(tǒng)叫做共軸球面系統(tǒng)。最簡單的是單透鏡：兩個折射面組成光線追跡法（或稱逐次成像法）前一個面的像充當后一面的物多個折射球面幾何光學基本定律1、光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質中，光線沿著直線傳播的。例如：影子、月食和小孔成像2、光的獨立傳播定律來自不同方向的光線在傳播途中相遇時，彼此相互不影響，各自獨立地傳播；在相交處，其相互作用是簡單地相加。3、光的反射定律和折射定律符號規(guī)定：角度符號以銳角來度量，由光線為起始轉向法線順時針為正反之為負反射定律：折射定律：4、光路可逆原理在幾何光學中，任何一條光線的光路都是可逆的5、光的全反射根據折射定律：臨界角：全反射條件：1、入射光線由光密介質射向光疏介質2、入射角必須大于臨界角幾何光學基本概念幾何光學：以光線的概念為基礎，研究光在透明介質中的傳播規(guī)律和現象。1.發(fā)光體和發(fā)光點發(fā)光體：自身發(fā)光的物體或被照明而發(fā)光的物體。發(fā)光點：既無體積和線度，而只有空間位置的發(fā)光幾何點。2、光波光的本質是一種電磁波，具有波粒二象性。

3、光線光線：認為既無直徑又無體積，但有一定方向的幾何線，用來表示光能傳播的方向。在均勻介質中：光線沿波面法線傳播不考慮光的衍射特性4.光束光束：有一定關系光線的集合。分類：非同心光束光束發(fā)散光束同心光束會聚光束平行光束發(fā)散光束會聚光束平行光束像散光束5、介質光線能通過的透明物質（如空氣、氣體、水等）都被稱為光學介質。6、折射率光在真空中的光速c和其在相應介質中的光速v之比，稱為該介質的折射率。即n=c/v。光學介質折射率的大小與介質本身的光學性質和光的波長有關，它表示了介質折光能力的強弱。光密介質和光疏介質幾何像差的分類幾何像差：對于實際光學系統(tǒng)（除平面反射鏡具備完善成像）不能以一定寬度的光束對一定大小的物體成完善像，因此非近軸區(qū)物體上任一點發(fā)出的光束通過光學系統(tǒng)后不能會聚為一點，而是形成一彌散斑，從而使像變得模糊，并且產生相對于原物的變化。根據入射光的不同可分為：單色像差和色差單色像差：光學系統(tǒng)以單色光成像時產生的像差色差：各種不同波長的色光所成像的位置和大小都不相同，其與理想像的偏離單色像差主要可分為五種：軸上點像差：由光軸上的點成像隨孔徑增大而產生的像差，包括球差。軸外點像差：隨視場的增大而產生的像差，包括慧差、像散、像面彎曲和畸變。色差，主要分為位置色差和倍率色差兩種位置色差：描述兩種色光對軸上物點成像位置差異。倍率色差：因不同色光成像倍率的不同而造成物體的像大小差異色差色差：因白光是復合光，由不同波長的單色光組成，波長不同，折射率不同。導致各種色光由不同的成像位置和成像倍率。選藍色F光和紅色的C光（敏感區(qū)兩端）分類：位置色差、倍率色差1、位置色差（軸向色差）定義：描述兩種色光對軸上物點成像位置差異的色差位置色差：結果：白光入射，像為彩色彌散斑。討論：1、近軸區(qū)同樣存在位置色差

2、在A‘F處，中藍外紅；在A‘C處，中紅外

3、校正：正負透鏡組合2、倍率色差（垂軸色差）定義：因不同色光成像倍率的不同而造成物體的像大小差異的色差。討論：1、在近軸區(qū)同樣存在2、現象，使物體像邊緣呈現彩色，影響清晰度。軸上點像差軸上點像差：由光軸上的點成像隨孔徑增大而產生的像差。軸上點唯一的單色像差是球差，而且是軸上點以寬光束成像時產生的像差。在實際光線的光路計算過程中，光軸上一點發(fā)出的光線，物方孔徑角u不同，通過光學系統(tǒng)后就有不同的像距

。它們相對于由近軸光線計算的理想像距

就有不同的偏離。由于球差的存在，使得在理想像面上不能成一點像，而是一個圓彌散斑，其半徑稱為垂軸球差結論：1、球差隨光束孔徑角的增大而增大

2、與透鏡形狀和焦距有關（影響到像距）校正方法：利用正負透鏡組合使用，相互抵消。軸外點像差軸外點像差：隨視場的增大而產生的像差，包括慧差、像散、像面彎曲和畸變。慧差：軸外點以寬光束入射產生的像差像散、像面彎曲和畸變：軸外點以細光束入射產生的像差一、慧差軸外點成像的對稱面，子午面。主光線、弧失面子午面輔軸BC、選擇三條子午線。折射后失去對主光線的對稱性。子午慧差KT‘：ab光線交點到主光線的垂直光軸方向的偏差弧矢慧差KS’

：弧失光束前光線和后光線經球面折射后交BS’點，到主光線的垂直于光軸的偏離?；鄄睿狠S外點以寬光束成像時所產生的一種軸外寬光束單色像差。影響因素：1、視場大小

2、光束孔徑形狀：二、像散和像面彎曲對于細光束，子午面和弧矢面在折射球面的位置不同，使截面曲率不同，像點不同。如圖，在子午面和弧矢面的會聚點不同，因此形成兩條焦線：子午焦線和弧矢焦線子午像點BT’和弧矢像點BS’像散：子午像點與弧矢像點之間的沿軸位置差異。討論：物體在子午像面和弧矢像面的成像情況像散隨視場的增大而增大。子午像面弧矢像面像面彎曲：彎曲像面與高斯像面的偏離如上圖：子午場曲和弧矢場曲。珀茲伐像面：指沒有像散的彎曲像面珀茲伐場曲場曲對成像的影響三、畸變在實際光學系統(tǒng)中，視場較大時，像的垂軸放大率隨視場而異，使像相對物體失去相似性。分類：正畸變、負畸變表達：相對畸變q分析：1、畸變對清晰度無影響

2、當q<4%時感覺不到變形理想光學系統(tǒng)的基點理想光學系統(tǒng)定義：對于任意范圍的物體以任意寬的光束成像都是完善的。即：理想光學系統(tǒng)具有完善性理想光學系統(tǒng)的基點包括：焦點、主點、節(jié)點像方焦點F2：平行于光軸入射，出射光線的焦點。像方焦平面：像方焦點所在垂直光軸的平面。物方焦點F1：像方出射光線平行于光軸對應的物點物方焦平面：過物方焦點F1且垂直于光軸的平面和光軸成一定夾角的平行光束，通過光學系統(tǒng)后，必相交于像方焦平面上同一個點。由物方焦平面軸外任意一點發(fā)出的所有光線，經過光學系統(tǒng)后，對應一束與光軸成一定夾角的平行光線。延長入射平行光線和其共軛的出射光線，交點在光軸的垂點,稱為像方主點延長經物方焦點的入射光線和其共軛的出射光線，交點在光軸的垂點,稱為物方主點性質：1、物方主平面和像方主平面為共軛平面2、橫向放大率為＋13、對于薄透鏡，兩個主平面近似重合在透鏡中間。③焦距物方焦距：物方主點H——物方焦點F1像方焦距：像方主點H‘——像方焦點F2符號：由主點到焦點，自左向右為正，反之為負。討論：1、f’>0為正的光學系統(tǒng)，會聚作用

f’<0為負的光學系統(tǒng)，發(fā)散作用2、當透鏡兩邊介質不同時：介質相同：f’=-f節(jié)點：一對角放大率為＋1的特殊共軛點分類：物方節(jié)點N——物方節(jié)平面像方節(jié)點N‘——像方節(jié)平面理想光學系統(tǒng)的物像關系理想光學系統(tǒng)的物像關系①作圖法求像由物點發(fā)出兩條光線，經光學系統(tǒng)后出射光線的交點為像點。平行光線特殊光線過物方焦點選擇光線過物方節(jié)點形成平行光線輔助光線非光軸上點②公式法求像（1）牛頓公式物距P：物方焦點F1——物點A像距P‘：像方焦點F2——像點A’符號：自左向右為正，反之為負由兩個相似三角形得：橫向放大率：（2）高斯公式物距l(xiāng)：物方主點H——物點A像距l(xiāng)‘：像方主點H’——像點A‘符號：自左向右為正，反之為負由牛頓公式得：

橫向放大率：2、當前后兩種介質相同。理想光學系統(tǒng)的組合概念：光學間隔主面間隔1、作圖法2、計算法1、焦點位置：由相似三角形：2、主點位置：3、屈光力薄膜干涉日常生活中的一些現象薄膜干涉原理：同一入射光在兩個面上反射得到兩束反射光，屬于相干光。半波損失：光從光疏介質射向光密介質表面的反射光，其相位發(fā)生了半個周期的變化。（相當于多走了（或少走了）半個波長）。加強減弱加強減弱討論：應用：光學透鏡上涂抹增透膜。（氟化鎂）防紫外線衣服、防紫外線傘、太陽鏡等的設計原理光的干涉一、相干光源光的干涉現象：兩列光波疊加時，有些點振動加強，有些點振動減弱，形成穩(wěn)定的明暗相間的條紋。

光的干涉相干條件：頻率相同振動方向相同相位差恒定此外，兩束光的光程差不能太大。兩束光的強度不要相差太大。獲得相干光的方法：分波陣面法：利用反射、折射把某振幅分成兩部分，再使它們相遇從而產生干涉現象的方法（薄膜干涉）在光源發(fā)出的某一波陣面上，取出兩部分面元作為相干光源的方法（楊氏實驗）分振幅法：激光光源是目前最好的相干光源二、楊氏雙縫干涉

楊氏雙縫干涉實驗是1802年英國物理學家——托馬斯·楊首先用實驗的方法觀察到的光的干涉現象。托馬斯?

楊明條紋位置明條紋位置明條紋位置1、實驗現象為了觀察到較清晰的干涉圖樣，實驗裝置應該滿足：

（1）S

、S1

、S2

的寬度應足夠窄，約在10－2mm

數量級，此時它們可近似看成線光源；（2）S1

、S2

間距較小，約為0.1～1mm

；而且它們與S

的距離相等；（3）光屏M與雙縫S1

、S2

間距較大，約為1m

；（4）光源的單色性較好。楊氏雙縫實驗干涉條紋單色光干涉條紋白色光干涉條紋設實驗在真空（或空氣）中進行，則光程差為：pr1

r2

x

Ldo·

明紋暗紋明紋暗紋條紋間距a.相鄰明紋間距：b.相鄰暗紋間距：

可以看出相鄰明紋與相鄰暗紋的間距都相同，所以條紋明暗相間平行等距。討論：1、條紋分布：中央亮條紋、向兩邊明暗相間。2、條紋間隔：A.B.C.D.光的偏振一、自然光和偏振光

光波是電磁波，屬于橫波，其電場強度矢量E和磁感應強度矢量B都垂直于波的傳播方向。E是引起感光作用和生理作用的主要因素，稱為光矢量,以它的振動代表光的振動，其振動方向，代表光的振動方向。光的偏振

自然光：光波在垂直于傳播方向的平面內的各個方向上振動次數和振幅大小均等。

自然光的圖示如果光矢量只沿一個固定的方向振動，這樣的光稱為線偏振光（平面偏振光、簡稱偏振光）

面對光的傳播方向看E播傳方向振動面二、起偏和檢偏起偏：使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。透光軸方向自然光偏振片線偏振光起偏器：能把自然光變成偏振光的裝置（它只能讓光波中某一特定方向振動的通過）檢偏器：用于檢測光波是否偏振并確定其振動方向檢偏：檢查入射光的偏振性。132θ？三、馬呂斯定律(Maluslaw)：通過檢偏器的偏振光的強度與檢偏器透射軸的方向有關，如果透射軸的方向與入射光振動方向之間的夾角為θ，則通過它的光強與cos２θ成正比。

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