光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)三

1、.,光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（三）,.,幾何光學(xué)部分,.,光的電磁說,光的電磁說：麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波。 電磁波譜：波長從大到小排列順序?yàn)椋簾o線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、射線。 (3) 電磁波的產(chǎn)生機(jī)理：無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。,.,光的電磁說,紅外線、紫外線、X射線的主要性質(zhì)及其應(yīng)用舉例。 實(shí)驗(yàn)證明：物體輻射出的電磁波中輻射最強(qiáng)的波長m和物體溫度T之間滿足關(guān)系mT = b（b為常數(shù)）?？梢姼邷?/p>

2、物體輻射出的電磁波頻率較高。在宇宙學(xué)中，可以根據(jù)接收到的恒星發(fā)出的光的頻率，分析其表面溫度。,.,光的波粒二象性,1.光的波粒二象性：干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性。 2.正確理解波粒二象性： 波粒二象性中所說的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。,.,光的波粒二象性,單個(gè)光子表現(xiàn)為粒子性，大量光子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為波動(dòng)性； 頻率高的光子容易表現(xiàn)出粒子性，頻率低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性； 光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往

3、表現(xiàn)為粒子性；,.,像差,像差是指實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，由非近軸光線追跡所得的結(jié)果和近軸光線追跡所得的結(jié)果不一致，與高斯光學(xué)的理想狀況的偏差。 像差一般分兩大類：色差和單色像差。,.,色散現(xiàn)象,白光中人眼可以感受到的可見光的波長為400nm(紫)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。 在光學(xué)鏡頭中，這種起因于不同波長的光造成的像差，我們稱為色差。色像差分成軸向色像差和倍率色像差兩種。,.,色差,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

4、點(diǎn)，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，引起的映像倍率改變，畫面邊緣部分明暗交界處會(huì)有彩虹的邊緣。,.,色差,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。,1）紅色光線的焦點(diǎn)比藍(lán)色光線的焦點(diǎn)更遠(yuǎn)離鏡片 2）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。,.,焦點(diǎn),跟主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

5、點(diǎn)。,.,球差,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。,.,球差,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。 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。 消除球差方法： 1、配曲（利用透鏡形狀與球差的關(guān)系消除單透鏡的像差），采用非球面技術(shù)。,.,球差,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

6、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； 3）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。,.,球差,2、組合（正負(fù)透鏡的組合，組合方式：膠合或分離） 凸透鏡的球差是負(fù)的，凹透鏡的球差是正的。把凸、凹兩個(gè)透鏡粘合起來，組成一個(gè)復(fù)合透鏡，可使某個(gè)高度h上的球差完全抵消。 3、最簡單的方法：在透鏡前加一個(gè)光闌，只讓近軸光線通過。在鏡頭使用上，通過縮小光圈可適當(dāng)消除球面像差。,.,慧差,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

7、統(tǒng)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。,.,慧差,產(chǎn)生彗形像差的原因是球面透鏡各光區(qū)成像的放大率不一致，各光區(qū)的焦點(diǎn)不同。在邊區(qū)一帶光線形成亮度較低，虛散的大環(huán)形，主光軸一帶光線形成高亮度清晰的小環(huán)形。重疊后呈現(xiàn)梨狀圓形。 校正彗形像差的辦法主要有以下兩種：一是在設(shè)計(jì)制造鏡頭時(shí)，可用不同曲率透鏡的組合加以校正；二是對(duì)校正不良，尚存彗形像差的鏡頭，可采用縮小光圈的辦法減少彗形像差的影響。,.,像散,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

8、此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。,.,像散,它產(chǎn)生的原因是：與主光軸垂直的平面，其影像位于兩個(gè)不同的表面上，一個(gè)表面上僅有水平線條，而另一具表面上則只有垂直子午線條，當(dāng)這兩個(gè)表面不能相重合時(shí)，便產(chǎn)生了像散。在理想像平面上綜合后，形成一個(gè)橢圓形的斑點(diǎn)。 像散帶來的危害有兩方面，一個(gè)是使視場(chǎng)邊緣所成的像模糊，無論在哪一個(gè)像面位置上都找不到清晰的像。另一個(gè)是使線段的成像具有明顯的方向性，當(dāng)在某一方向清晰時(shí)與之垂直的方面線段就模糊。 對(duì)于透鏡像散的校正通常采用折射率較高、色散率較低的光學(xué)玻璃制造透鏡，并配制各種曲率的表面互相抵消。像散可以用不少于三個(gè)透鏡組來矯正。,.,場(chǎng)曲,垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系

9、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(chǎng)曲。,.,場(chǎng)曲,場(chǎng)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(chǎng)曲和彗差的綜合作用，其中場(chǎng)曲是主要的。 場(chǎng)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(chǎng)，調(diào)節(jié)成點(diǎn)狀，再移動(dòng)到視場(chǎng)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(chǎng)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。 對(duì)于透鏡像散的校正通常采用折射率 較高、色散率較低的光學(xué)玻璃制造透 鏡，并配制各種曲率的表面互相抵消

10、。,.,畸變,被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變。透鏡對(duì)于 物體不同部位的點(diǎn)，垂軸放 大率不一樣，導(dǎo)致所成的象 與原物不再相似。,.,畸變,畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧差、像散、場(chǎng)曲之間的根本區(qū)別。 影像各部分相對(duì)比例關(guān)系與被攝體實(shí)際比例關(guān)系不一致而出現(xiàn)的一種變形現(xiàn)象。向內(nèi)彎曲的為桶形畸變，向外彎曲的為枕形畸變。新月形、平凸形單透鏡更容易出現(xiàn)影像畸變，當(dāng)凹面或平面向外，光圈在前時(shí)，所會(huì)聚影像呈凸出狀，愈接近邊緣，彎曲現(xiàn)象就愈明顯，這種現(xiàn)象為桶形畸變；當(dāng)凸面向外，光圈在后，所結(jié)成的影像呈凹狀，縱橫線都向內(nèi)彎

11、曲，這種現(xiàn)象為枕形畸變。 攝影鏡頭的畸變只有改善鏡頭的結(jié)構(gòu)才能得以消除。,.,單色像差,總結(jié)： 對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來說，色差、球差和像散是最有害的像差，應(yīng)該得到有效控制，而場(chǎng)曲、畸變和彗差是較為無害的，不影響中心清晰度，所以一般放在次要位置。 即使是高級(jí)的望遠(yuǎn)鏡，場(chǎng)曲、畸變和彗差有的也非常明顯。,.,景深,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。 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。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。,.,彌散圓,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