光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)Word版

1、光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可見光譜只是所有電磁波譜中的一小部分，人眼可感受到可見光的波長為400nm(紫色)700nm(紅色)。紅、綠、藍(lán)被稱為三原色(RGB)。紅色、綠色、藍(lán)色比例的變化可以產(chǎn)生出多種顏色，三者等量的混合可以再現(xiàn)白色。補(bǔ)色的概念：從白色中減去顏色A所形成的顏色，稱之為顏色A的補(bǔ)色(complementary color)。白色-紅色red=青色cyan白色-綠色green=洋紅magenta白色-藍(lán)色blue=黃色yellow白色-紅色-綠色-藍(lán)色=黑色補(bǔ)色的特點(diǎn)：當(dāng)使用某個(gè)補(bǔ)色濾鏡時(shí)，該補(bǔ)色對(duì)應(yīng)的原色會(huì)被過濾掉。原色以及所對(duì)應(yīng)補(bǔ)色的名稱： 顏色再現(xiàn)有兩種方式：原色加法：三原色全

2、部參與疊加形成白色，任意其中兩種原色相加形成不參與合成的顏色的補(bǔ)色。 原色減法：三補(bǔ)色全部參與疊加形成黑色，任意其中兩種補(bǔ)色相加形成不參與合成的顏色的原色。1 / 13 原色加法比較簡單，由原色疊加而形成其他顏色，但是應(yīng)用較少；而原色減法是從白色中減掉相應(yīng)原色而形成其他顏色，就是用補(bǔ)色來疊加形成其他顏色，應(yīng)用的場合比較多。光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。費(fèi)馬定律：當(dāng)一束光線在真空或空氣中傳播時(shí)，由介質(zhì)1投射到與介質(zhì)2的分界面上時(shí)，在一般情況下將分解成兩束光線：反射(reflection)光線和折射(refraction)光線。反射定律：反射角等于入射角。i =

3、i'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。折射定律：n1 sin i = n2 sin r任何介質(zhì)相對(duì)于真空的折射率，稱為該介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡稱折射率(Index of refraction)。公式中n1和n2分別表示兩種介質(zhì)的折射率。 光的折射是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同而引起的，取決于兩種不同介質(zhì)的性質(zhì)和光的波長。一種介質(zhì)的絕對(duì)折射率為：n = c/v（c是真空中光的速度，v為該介質(zhì)中光的速度）可以看出：在折射率較大的介質(zhì)中，光的速度比較低；在折射率較小的介質(zhì)中，

4、光的速度比較高。光線的衍射：在光的傳播過程中，當(dāng)光線遇到障礙物時(shí)，它將偏離直線傳播，這就是所謂光的衍射。由于光的波長很短，在日常生活中很難察覺出衍射現(xiàn)象。衍射不僅使物體的幾何陰影失去清晰的輪廓，在邊緣還會(huì)出現(xiàn)一系列明暗相間的亮紋。 焦點(diǎn)(focus)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)。 彌散圓(circle of confusion)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。 不同的廠家、不同的膠片面積有不同的容許彌散圓(per

5、missible circle of confusion)直徑的數(shù)值定義。一般常用的是：畫幅24mm x 36mm6cm x 9cm4" x 5"彌散圓直徑0.035mm0.0817mm0.146mm人的肉眼所感受到的影象與放大倍率及觀看距離有很大的關(guān)系，35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對(duì)角線長度的1/10001/1500左右。前提是畫面放大為5x7英寸的照片，觀察距離為2530cm。景深(depth of field)在焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，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)。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

6、影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。 景深隨鏡頭的焦距、光圈值、拍攝距離而變化。對(duì)于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大。  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。景深的計(jì)算  容許彌散圓直徑f 鏡頭焦距F 鏡頭的拍攝光圈值L 對(duì)焦距離L1 前景深L2 后景深L 景深    前景深 L1= (FL2)/ (f2 + FL)(1)后景深 L2= (FL2)/ (f2 FL)(2)

7、景深 L =  L2 + L2  =(2f2FL2)/ (f4 - F22L2)從公式(1)和(2)可以看出，后景深 > 前景深。由景深計(jì)算公式可以看出，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對(duì)像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對(duì)容許彌散圓的大小)有關(guān)。鏡頭光圈越大，景深越??；鏡頭焦距越長，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大；拍攝距離越近，景深越小。200/2.8對(duì)焦在5m時(shí)，f/2.8的景深200/2.8+2X=400/5.6對(duì)焦在5m時(shí)，f/5.6的景深0.035mm0.035mmf200mmf400mmF2.8F5.6L5000mmL5000mmL160mmL

8、130mmL262mmL231mmL122mmL61mm4.94m5.062m，景深很淺4.472.531m色散(Dispersion)：光學(xué)材料的折射率不但與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還與光線的波長有關(guān)。同一種光學(xué)材料，波長越短、折射率越高。具體講，同一種光學(xué)玻璃，綠光比紅光折射率高，而藍(lán)光比綠光折射率高。一般用ne（材料對(duì)綠色的e光的折射率）表示材料的折射率，用阿貝數(shù)ve=（ne-1）/（nF-nc）表示材料的相對(duì)色散，阿貝數(shù)越高，色散越小。式中， F是紅光，e是綠光，c是藍(lán)光。 色差(Chromatic aberration)：從幾何光學(xué)原理講，鏡頭等效于一個(gè)單片凸透鏡。凸透鏡的

9、焦距，與鏡面兩邊曲率和制造鏡片材料的折射率有關(guān)。由于光學(xué)材料都有色散，對(duì)于同一個(gè)鏡片，紅光焦距略微長一點(diǎn)，藍(lán)光焦距略為短一點(diǎn)，這就叫做“色差”。 軸向色差(Axial chromatic aberration)：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。如上圖，紅色光線的焦點(diǎn)比藍(lán)色光線的焦點(diǎn)更遠(yuǎn)離鏡片。矯正一般是采用不同折射率/色散率的鏡片來進(jìn)行組合，使它們的色差相互抵消。典型的是采用一個(gè)正的冕牌透鏡與一個(gè)負(fù)的火石透鏡組合，會(huì)聚的冕牌透鏡具有低折射率和小的色散，而發(fā)散的火石透鏡具有高折射率和更大的色散。倍率色差(Chromatic difference of mag

10、nification)：指像的周圍因光線波長的差異，所引起的映像倍率之改變。這是一種軸外像差，對(duì)像質(zhì)的劣化隨焦距（視場角）增大而加劇，并且不會(huì)隨光圈縮小而減少。有效矯正辦法是采用異常/超低色散的光學(xué)玻璃。軸向色差涉及到成像的焦點(diǎn)距離，引起色彩松散或光斑(flare)；而倍率色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(fringing)現(xiàn)象。色差不僅影響彩色膠片上成像的色彩再現(xiàn)，也會(huì)減低黑白膠片上成像的解像力。消色差：利用不同折射率、不同色差的玻璃組合，可以消除色差。例如，利用低折射率、低色散玻璃做凸透鏡，利用高折射率、高色散玻璃做凹透鏡，前者（凸透鏡）屈光度要

11、大一些，后者（凹透鏡）屈光度要小一些，然后將兩者膠合在一起，仍然等效于一個(gè)凸透鏡。對(duì)于較長波長的光線，由于凹透鏡材料色散大，所以折射率比中間波長較小，凸透鏡起的作用大，雙膠合鏡長波端焦距偏長。對(duì)于較長波短的光線，由于凹透鏡材料色散大，所以折射率較大，凹透鏡起的發(fā)散作用大，雙膠合鏡短波端焦距也偏長。最后的結(jié)論是，這樣的雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。設(shè)計(jì)時(shí)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。剩余色差對(duì)于廣角到中焦鏡頭來說，已經(jīng)很小了。二級(jí)光譜：未消色差的鏡頭隨著光線波長增加，焦距單調(diào)上升，色差很大。而消色差鏡頭焦距隨波長先減

12、小后增加，色差很小。消色差鏡頭的剩余色差就叫做“二級(jí)光譜”。鏡頭焦距越長，消色差越不能滿足要求，二級(jí)光譜越不可忽視。復(fù)消色差 (APOchromatic) ：可以想象，如果某種材料隨波長變化折射率的數(shù)值可以任意控制，那么我們就能夠設(shè)計(jì)出完全沒有色差的鏡頭?？上В牧系纳⑹遣荒苋我饪刂频?。我們退一步設(shè)想，如果能夠?qū)⒖梢姽獠ǘ畏譃樗{(lán)-綠、綠-紅兩個(gè)區(qū)間，而這兩個(gè)區(qū)間能夠分別施用消色差技術(shù)，二級(jí)光譜就能夠基本消除。但是，經(jīng)過計(jì)算證明：如果對(duì)綠光與紅光消色差，那么藍(lán)光色差就會(huì)變得很大；如果對(duì)藍(lán)光與綠光消色差，那么紅光色差就會(huì)變得很大。理論計(jì)算為復(fù)消色差找到了途徑，如果制造凸透鏡的低折射率材料藍(lán)光對(duì)綠

13、光的部分相對(duì)色差恰好與制造凹透鏡的高折射率材料的部分相對(duì)色差相同，那么實(shí)現(xiàn)藍(lán)光與紅光的消色差之后，綠光的色差恰好消除。這個(gè)理論指出了實(shí)現(xiàn)復(fù)消色差的正確途徑，就是尋找一種特殊的光學(xué)材料，它的藍(lán)光對(duì)紅光的相對(duì)色散應(yīng)當(dāng)很低、而藍(lán)光對(duì)綠光的部分相對(duì)色散應(yīng)當(dāng)很高且與某種高色散材料相同。螢石就是這樣一種特殊材料，它的色散非常低（阿貝數(shù)高達(dá)95.3），而部分相對(duì)色散與許多光學(xué)玻璃接近。 熒石（即氟化鈣，分子式CaF2）折射率比較低（ND=1.4339），微溶于水（0.0016g/100g水），可加工性與化學(xué)穩(wěn)定性較差，但是由于它優(yōu)異的消色差性能，使它成為一種珍貴的光學(xué)材料。螢石最早僅用于顯微鏡中，自從螢石人

14、工結(jié)晶工藝實(shí)現(xiàn)以后，高級(jí)超長焦鏡頭中螢石幾乎是不可或缺的材料。由于螢石價(jià)格昂貴、加工困難，各光學(xué)公司一直不遺余力的尋找螢石的代用品，氟冕玻璃就是其中一種。各公司所謂AD玻璃、ED玻璃、UD玻璃，往往就是這一類代用品。低色散玻璃：低色散玻璃產(chǎn)生的色差很小、因而消色差之后剩余色差也比較小，對(duì)鏡頭質(zhì)量改善非常有益。近些年來，一系列高折射率低色散玻璃（主要是鑭系稀土玻璃）的采用，鏡頭質(zhì)量進(jìn)一步提高。高折射率玻璃實(shí)現(xiàn)同樣的屈光度鏡片球面曲率較小，因而帶來的各種像差尤其是球面像差減小，使得鏡頭體積減小、結(jié)構(gòu)簡化、質(zhì)量提高。但是，它畢竟不能實(shí)現(xiàn)復(fù)消色差，無法消除二級(jí)光譜，不能與APO技術(shù)相提并論。 

15、0;球面像差(spherical aberration)：由于透鏡表面是球面而引起，由光軸上同一物點(diǎn)發(fā)出的光線，通過鏡頭后，在像場空間上不同的點(diǎn)會(huì)聚，從而發(fā)生了結(jié)像位置的移動(dòng)。它的產(chǎn)生是由于離軸距離不同的光線在鏡片表面形成的入射角不同而造成的，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。 這種像差會(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。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。通過縮小光圈可適當(dāng)消除球面像差，但如果像差過大，縮小光圈可能會(huì)引起聚焦平面(就是焦點(diǎn))的移動(dòng)。非球面鏡片(Aspherical Lens)：修改鏡片表面的曲率，讓近軸光線與遠(yuǎn)軸光線所形成的焦點(diǎn)位置重合。 研磨非球面鏡片：在整塊玻璃上直接研磨，制造工藝成本相對(duì)較高；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