基本光學(xué)原理

基本光學(xué)原理第一節(jié)幾何光學(xué)的基本原理幾何光學(xué)的含義及其范疇，是以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中傳播的光學(xué)。幾何光學(xué)的理論基礎(chǔ)，就是建立在通過觀察和實驗得到的幾個基本定律。由于光的直線傳播性對于光的實際行為只有近似的意義，所以，以它作為基礎(chǔ)的幾何光學(xué)，就只能應(yīng)用于有限的范圍和給出近似的結(jié)果。但這些對于了解與攝影有關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)而言，已是足夠的了。一、光線在幾何光學(xué)中可用一條表示光傳播的方向的幾何線來代表光，并稱這條線為光線。二、光的傳播定律1.光的直線傳播定律：光在均勻透明的介質(zhì)中，光沿直線傳播。2.光的反射和折射定律：當(dāng)光線由一均勻介質(zhì)進(jìn)入另一介質(zhì)時，光線在兩個介質(zhì)的分界面上被分為反射光線和折射光線。這兩條光線的進(jìn)行方向，可分別由反射定律和折射定律來表述。反射定律：反射線在入射線和法線所決定的平面上；反射線和入射線分別位于法線的兩側(cè)；反射角和入射角相等。在反射現(xiàn)象里光路是可逆的。折射定律：折射線在入射線和法線所決定的平面內(nèi)；折射線和入射線分別位于法線的兩側(cè)入射角i的正弦與折射角r的正弦的比，對于給定的兩種媒質(zhì)來說，是一個常數(shù)，叫做第二媒質(zhì)對于第一種媒質(zhì)的折射率，在這里我們用n21來表示。前面所講的n21是第二種媒質(zhì)對于第一種媒質(zhì)的折射率，叫做這兩種媒質(zhì)的相對折射率，即某種媒質(zhì)對于真空的折射率叫做這種媒質(zhì)的絕對折射率，簡稱媒質(zhì)的折射率，用n表示。因為光在空氣中傳播的速度與光在真空中傳播的速度相差很小，所以通常用媒質(zhì)對空氣的折射率代替媒質(zhì)的折射率。n=1。光在任何媒質(zhì)中傳播的速度都小于在真空中的速度，所以，任何媒質(zhì)的折射率都大于1。由此可以推論，光在一種媒質(zhì)中傳播的速度越小，這種媒質(zhì)的折射率越大。兩種媒質(zhì)相比較如第一種媒質(zhì)的折射率大于第二種媒質(zhì)的折射率，則光在第一種媒質(zhì)中的傳播速度小于光在第二種媒質(zhì)中的傳播速度，相對而言第一種媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，第二種媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)。當(dāng)光線從光疏媒質(zhì)射進(jìn)光密媒質(zhì)時∴Sini＞Sinri＞r這時，r＜i說明光線近法線折射。當(dāng)光從光密媒質(zhì)射進(jìn)光疏媒質(zhì)時∴i＜r這時r＞i說明光線遠(yuǎn)法線折射。在折射現(xiàn)象里，光路是可逆的。光路的可逆性是幾何光學(xué)中很重要的一條規(guī)律。三、光的反射和折射光線射到兩種媒質(zhì)的分界面上時，入射光線一般分為兩部分，一部分返回原媒質(zhì)產(chǎn)生反射；一部分進(jìn)入第二媒質(zhì)產(chǎn)生折射。反射光的強度隨入射角的增大而增大；折射光的強度隨入射角的增大而減小。在這部分里我們主要以平面鏡和球面鏡這兩種和攝影直接相關(guān)的事物來分析光的反射現(xiàn)象。1.平面鏡成象（1）象的概念和意義。由物體上某一點發(fā)出的光線，經(jīng)過媒質(zhì)界面的反射，反射光線如能交于一點，相交之點叫做物體上這一點的實象。如反射光線是發(fā)散的，不能相交，而反射線的反方向延長線交于一點，直接觀察光線好像是從這一點發(fā)出的，這相交點就叫做物體上這一點的虛象。一個物體是由很多個點組成的，這些點的象組成物體的象。實象可以直接用眼觀察，也可以映在屏幕上顯示出來。虛象只能直接用眼觀察而不能映在屏幕上。（2）平面鏡成像。根據(jù)光的反射定律，可以得出發(fā)光點或物體在平面鏡里的象。取物體的端點A發(fā)出的任意兩條光線，反射后它們的延長線交于一點，這一點就是物體端點A的象，如圖1—3所示。同樣，物體的任何一點，通過做圖都可以得出它所對應(yīng)的象。平面鏡成的是直立的虛象，物體和象分別在鏡面的兩側(cè)，并以鏡面為對稱，象和物大小相等，左右相反。2.球面鏡成象（1）球面鏡的概念。鏡子的反射面是球面的一部分時，叫做球面鏡。凹面鏡：用球的內(nèi)表面做反射面。凸面鏡：用球的外表面做反射面。頂點：鏡面的中心點。曲率半徑：球面鏡所屬球面的半徑。曲率中心：球面鏡所屬球面的中心。主軸：通過頂點和曲率中心的直線。近軸光線：一般使用的球面鏡，都是它所屬球面的很小的一部分即圖1—4中的θ角所對應(yīng)的那部分球面，而鏡前的物體又都放在主軸附近，這樣射到鏡面上的光線叫近軸光線。（2）球面鏡的焦點和焦距。凹面鏡：平行于主軸的近軸光線，射到凹面鏡上，反射線相交于主軸上的一點，這一點叫做凹面鏡的焦點，用F來表示，F(xiàn)是實焦點。凹面鏡有實焦點說明它有會聚光線的作用（如圖1—5）。焦點F到頂點0的距離，叫做焦距，用f表示。一個凹面鏡的焦距到底有多大，用直接測量的辦法所得到的結(jié)果往往誤差很大，但是，球面鏡的曲率半徑卻是很容易得知的，用簡單的幾何方法很容易計算出一個球面鏡的曲半徑。根據(jù)圓弧上任意三點可確定圓每個人的視覺并不是完全一樣的。在正常視覺的群體中間，也有一定的差別。目前在色度學(xué)上為國際所引用的數(shù)據(jù)，是由在許多正常視黨人群中觀測得來的數(shù)據(jù)而得出的平均結(jié)果。就技術(shù)應(yīng)用理論上來說，已具備足夠的代表性和可靠的準(zhǔn)確性。一、顏色的確切含意在日常生活中，人們習(xí)慣把顏色歸屬于某一物體的本身，把它作為某一物體所具有的屬于自身的基本性質(zhì)。比如人們所常講的那是一塊紅布，那是一張白紙等等。但在實際上，人們在眼中所看到的顏色，除了物體本身的光譜反射特性之外，主要和照明條件所造成的現(xiàn)象有關(guān)。如果一個物體對于不同波長的可視光波具有相同的反射特性，我們則稱這個物體是白色的。而這物體是白色的結(jié)論是在全部可見光同時照射下得出的。同樣是這個物體，如果只用單色光照射，那這個物體的顏色就不再是白色的了。同樣的道理，一塊紅布如果是我們在白天日光下得出的結(jié)論，那同樣是這塊布在紅光的照射下，在人們眼中反映出的顏色就不再是紅色的而是白色的。這些現(xiàn)象說明，在人們眼中所反映出的顏色，不單取決于物體本身的特性，而且還與照明光源的光譜成分有著直接的關(guān)系。所以說在人們眼中反映出的顏色是物體本身的自然屬性與照明條件的綜合效果。我們用色度學(xué)來評價的結(jié)論就是這種綜合效果。二、色彩三要素任何色彩的顯示，實際上都是色光刺激人們的視覺神經(jīng)而產(chǎn)生感覺，我們把這種感覺稱之為色覺。色別、明度和飽合度是色彩的三個特征，也是色覺的三個屬性，通常將色別、色彩明度和色飽合度稱為“色彩三要素”。1.色別色彩所具有的最顯著特征就是色別，也稱色相。它是指各種顏色之間的差別。從表面現(xiàn)象來講，例如一束平行的白光透過一個三棱鏡時，這束白光因折射而被分散成一條彩色的光帶，形成這條光帶的紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色，就是不同的色別。從物理光學(xué)的角度上來講，各種色別是由射入人眼中光線的光譜成分所決定的，色別即色相的形成取決于該光譜成分的波長。我們所講的光是電磁波譜中的一小部分，波長范圍大約為400～700毫微米，在這個范圍內(nèi)各種波長的光呈現(xiàn)出各種不同的色彩。在自然界中所呈現(xiàn)出的各種色彩大都是由不同波長和強度的光波混合在一起而顯示出來的，有的則是某個單一波長的固有特性色彩?？傊珓e就是指不同顏色之間質(zhì)的差別，它們是可見光譜中不同波長的電磁波在視覺上的特有標(biāo)志。2.明度明度是指色彩的明暗程度。每一種顏色在不同強弱的照明光線下都會產(chǎn)生明暗差別，我們知道，物體的各種顏色，必須在光線的照射下，才能顯示出來。這是因為物體所呈現(xiàn)的顏色，取決于物體表面對光線中各種色光的吸收和反射性能。前面提到的紅布之所以呈現(xiàn)紅色，是由于它只反射紅光，吸收了紅光之外的其余色光。白色的紙之所以呈現(xiàn)白光，是由于它將照射在它表面上的光的全部成分完全反射出來。如果物體表面將光線中各色光等量的吸收或全部吸收，物體的表現(xiàn)將呈現(xiàn)出灰色或黑色。同一物體由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就產(chǎn)生了同一顏色的物體在不同能量光線的照射下呈現(xiàn)出明暗的差別。白顏料屬于高反射率物質(zhì)，無什么顏色摻入白顏料，可以提高自身的明度。黑顏料屬于反射率極低的物質(zhì)，因此在各種顏色的同一顏色中（黑除外）摻黑越多明度越低。在攝影中，正確處理色彩的明度很重要，如果只有色別而沒有明度的變化，就沒有縱深感和節(jié)奏感，也就是我們常說的沒層次。3.飽和度飽和度是指構(gòu)成顏色的純度，它表示顏色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，該色彩的飽和度越高，反之則飽和度越低。從實質(zhì)上講，飽和度的程度就是顏色與相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，顏色越不飽和。色彩飽和度與被攝物體的表面結(jié)構(gòu)和光線照射情況有著直接的關(guān)系。同一顏色的物體，表面光滑的物體比表面粗糙的物體飽和度大；強光下比陰暗的光線下飽和度高。不同的色別在視覺上也有不同的飽和度，紅色的飽和度最高，綠色的飽和度最低，其余的顏色飽和度適中。在照片中，高飽和度的色彩能使人產(chǎn)生強烈、艷麗親切的感覺；飽和度低的色彩則易使人感到淡雅中包含著豐富。三、三原色和三補色之間的關(guān)系自然界中各種物體所表現(xiàn)出的不同色彩，都是由藍(lán)色、綠色和紅色光線按適當(dāng)比例混合起來即作用不同的吸收或反射而呈現(xiàn)在人們眼中的。所以，藍(lán)色、綠色和紅色就是組成各種色彩的基本成分。因此我們把這三個感色單元稱為三原色。三原色的光譜波長如下：435.8Nm波長約400～500毫微米的范圍屬藍(lán)光范圍；546.1Nm波長約500～600毫微米的范圍屬綠光范圍；700Nm波長約600～700毫微米的范圍屬紅光范圍。這三個原色的光波在可見光光譜中各占三分之一。三個原色中的一個與另外兩個原色或其中一個原色等量相加，就可得到其它的色彩，其規(guī)律可用下式表示：由此可見，三原色的構(gòu)成和疊加可以概括為以下四點：1.自然界的色彩是由三原色為基本色構(gòu)成的，三原色按不同的比例相混合可以合成出自然界中的任何顏色。2.藍(lán)、綠、紅這三種原色是互相獨立的，它們中的任何一種顏都不能用另外兩種顏色混合得到。3.三種原色的混合比例決定色別。4.混合色光的亮度等于各原色光的亮度和。根據(jù)上述色光疊加的規(guī)律，我們分別將（1）（2）（3）式代入到（4）式中?？傻糜蒖+G=Y得R=Y-G（5）（5）代入（4）得Y-G+G+B=WY+B=W黃光+藍(lán)光=白光由R+B=M得R=M-B（6）（6）代入（4）得M-B+G=B=WM+G=W品紅光+綠光=白光由G+B=C得G=C-B（7）（7）代入（4）得R+C-B+B=WR+C=W紅光+青光=白光兩種色光相加后如果得到白光，則該兩色光互為補色。與藍(lán)光、綠光和紅光互為補色的三色光分別為黃色、品紅光和青光。我們通常稱這三色光為“三補色”。這三個補色，在可見光譜中，各約占三分之二。第三節(jié)亮度與照度攝影離不開光線，光的本質(zhì)實際上就是以光源發(fā)射出的能被人眼看到的輻射能。攝影鏡頭實際上是一個收集光能并把景物清晰的成象在感光膠片上的工具。而真正需要在光能量的作用下發(fā)生化學(xué)變化的是感光膠片，照相機只不過是一臺控制光通量的閥門。怎樣才能控制好這臺起閥門作用的機器，使得感光膠片上所得到的光能恰到好處的使感光乳劑發(fā)生變化呢？光講要正確的曝光，這個概念實際上是很模糊的。要科學(xué)的解答這個問題，就應(yīng)從光的本質(zhì)和表示光能強度等方面有一個了解。通過對色度學(xué)原理的介紹，我們知道光的本質(zhì)是在整個電磁頻譜中的一小部分，波長范圍約為400～700毫微米。我們知道電磁波是同熱能、電能一樣也是能量的一種表現(xiàn)形式，所以，光具有光能也是不容置疑的了。有一個小實驗可以證明光是具有能量的。將一片硅光電池的兩極接上一只電流表，當(dāng)沒有光照在硅光電池上時，電流表指針指示為零；當(dāng)把一束光照在硅光電池上時，電流表的指針偏移。根據(jù)實驗和能量守恒規(guī)律可以說明，當(dāng)電流表的指針發(fā)生偏移時，說明有電流通過電流表，這個電流從哪里來，無疑是從光電轉(zhuǎn)化元件硅光電池中來，硅光電池中的電流從何產(chǎn)生，那就是光能使硅電池內(nèi)部的電子發(fā)生了流動。所以說光也是能量的一種表現(xiàn)方式。光既是一種能量的表現(xiàn)形式，就必然有度量它強弱的標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是我們所要講的亮度和照度以及它們之間的關(guān)系。一、亮度與照度的概念在講亮度與照度前，我們先引進(jìn)幾個相關(guān)的物理量。1.光通量：光通量是在單位時間內(nèi)通過的輻射能量，用符號Ω表示。在光度學(xué)中它是按強弱來度量的一種輻射能，以“流明”為單位。2.立體角：立體角是球面上任一面積相對球心所張的角度，用符號Ω表示。S：球面上任一球面積R：球的半徑單位：立?。Ⅲw弧度）3.發(fā)光強度：發(fā)光強度是