光学基础知识

基本光学知识
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内 容：
1、光的三大定律 2、光学元件和透镜成像规律 3、焦点、弥散圆和景深 4、色散现象和色像差 5、球差、像散、慧差、场曲和畸变 6、人的眼睛
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光的三大定律 ——
直线传播定律、反射定律和折射 定律
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■光的直线传播定律
光在均匀介质中沿直线传播。
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■光的反射定律
反射角等于入射角，i = i‘。
n2/n1 = v1/v2 一种介质的绝对折射率为
n = c/v 式中c是真空中光的速度，v为该介质中光的 速度。
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光学元件和透镜成像规律
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■正透镜（凸透镜）
镜片中心比边缘厚，起聚光作用。
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■负透镜（凹透镜）
镜片中心比边缘薄，起发散作用。
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■反光镜
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■透镜成像规律
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焦点、弥散圆和景深
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对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决 于视点，观察角度不同，表面亮度也不同；
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做 均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。
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■光的折射定律
n1 sin i = n2 sin r
n1和n2分别表示两种介 质的折射率；
i为入射角，r为折射角。
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折射率为光在两种介质种的传播速度之比， 即
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双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短 波光线焦距较长。
通过合理的选择镜片球面曲率、双胶合 镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相 等，这就基本消除了色差。
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只对两种有色光校正色差的，称为稳定 的消色差镜头；
若对三种有色光同时校正色差的称为复 消色差镜头；
而对四种有色光校正色差的则称为超消 色差镜头。
以持照相机拍摄者为基准，从焦点到近处容许 弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥 散圆的距离叫后景深。
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景深的计算公式：
f——镜头焦距
F ——镜头的拍摄光圈值
从公式(1)和(2)可以看出，后景深 > 前景深。
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景深的经验公式：
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景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以 及容许弥散圆的大小有关。这些主要因素对景深 的影响如下(假定其他的条件都不改变)：
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双胶合镜的消色
差作用对于焦距较 长 (如300mm以上) 的镜头效果会不理 想，因为镜头焦距 愈长，由色散而引 起的色差也就愈严 重。
对于长焦镜头， 更常用的办法是采 用特殊色散或超低 色散玻璃来制作光 学元件。
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球差、像散、慧差、场曲和畸变
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球差
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由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光 束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的 各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴 上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊 圈），则此光学系统的成像误差称为球差。
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红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。
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轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色 彩产生松散或光斑；
倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面 周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶 边现象。
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消除色差的常用办法之一是采 用不同色散材料的光学元件来组 成镜头，用其中的一种光学元件 的正色散来抵消另一种光学元件 所产生的负色差。例如我们公司 望远镜的消色差镜，利用折射率 较低的PMMA做凸透镜，利用折 射率较高的PC做凹透镜，然后将 两者配合在一起使用。
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与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头 应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩 散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。
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在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象 变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做 弥散圆。
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人的肉眼所感受到的影像与放大倍率、投影距 离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径 小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影像产 生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆 就称为容许弥散圆。
35mm 照 相 镜 头 的 容 许 弥 散 圆 ， 大 约 是 底 片 对 角 线 长 度 的 1/1000~1/1500 左 右 。 前 提 是 画 面 放 大为5x7英寸的照片，观察距离为25~30cm。
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在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散 圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦 点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是 景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片 面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。
在中等亮度范围，两种感光细胞均参与视觉称间 视觉。
正常眼睛的明视距离是250毫米。
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视觉系统的空间分辨能力常用视敏度来表示，其 定义为眼能够分辨的最小细节所对应的视角(以分为 单位)的倒数。
正常人眼的视敏度约对应视角1‘～30“。 物体两端对眼睛光心所张的角（即视角）不能小 于1‘角度，否则人眼无法分辨该物体。
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3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表 面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部 分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两 种工艺之间。
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像散
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由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出 的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不 能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则 此光学系统的成像误差称为像散。
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在光学镜头中，这种起因于不同波长的光造 成的像差，我们称为色像差。
色像差分成轴向色像差和倍率色像差两种。
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轴向色像差：指的是光轴上的位置，因波长 不同产生不同颜色有不同焦点的现象。由于不同 色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美 的像点，所以成像模糊。
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倍率色像差：指由于不同色光焦距不同，所 以放大率不同，引起的映像倍率改变，画面边缘 部分明暗交界处会有彩虹的边缘。
即使是高级的望远镜，场曲、畸变和彗差有的也 非常明显。
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人的眼睛
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眼睛的聚焦能力主要来自角膜，但为了对不同距 离的物体聚焦，眼睛靠改变晶状体的前表面的曲率 来实现的。
当眼的调节放松时，如果物体成像落在视网膜上 的话，便为正视眼；如果物体成像落在视网膜之后 的称为远视眼，相反落在视网膜之前的称为近视眼。
正常眼睛调节所能看到的最短距离（近点）是100 毫米，调节所能看到的最远距离（远点）是无穷远。
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人眼的视网膜上有两种光感受器：视杆细胞和视 锥细胞。
视杆细胞的非常灵敏，在很暗的光照下还能工作， 但不能区别颜色，在较暗的环境亮度下主要是视杆 细胞的活动，称暗视觉；
视锥细胞不够灵敏，只有在较强的光照下才能工 作，能区别颜色。在明亮的环境中主要是视锥细胞 的活动，称明视觉；
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当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时， 它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过 的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片 (这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像 差)。
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由于球面像差的缘故，就会在通过镜头中心部分 的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边 缘部分的光线所产生的光斑(光晕)，使人感到所形 成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱 似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑 的半径称为横向球面像差。
(1)、镜头光圈： 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
(2)、镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深
越大；
(3)、拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
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光圈越大，景深ห้องสมุดไป่ตู้小；光圈越小，景深越大； 23
景深的实际拍摄照片 ---------- 只改变镜头光圈和快门速度
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球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候 表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。
在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像 差。
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球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但 是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起 球差。解决的方法是采用非球面技术。
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目前主要有三种制造非球面镜片的方法： 1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这 种制造工艺成本相对较高； 2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的 光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺 成本相对较低；
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光圈f/2.8 曝光时间1/125 s
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光圈f/5.6 曝光时间1/30 s
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光圈f/11 曝光时间1/8 s
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光圈f/22 曝光时间1/2 s
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色散现象和色像差
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白光中人眼可以感受到的可见光的波长为 400nm(紫色)~700nm( 红色)。当白光通过三棱境 时，我们可以观察到彩虹光谱。不同波长的光的 折射率不同而引起的彩虹光谱称之为色散现象。
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场曲
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垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰 影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以 主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面， 则此光学系统的成像误差称为场曲。
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场曲在望远镜中表现比较明显，但是害处较小， 我们使用望远镜很明显可以看到边缘成像不如中心， 这种边缘模糊就主要是场曲和彗差的综合作用，其 中场曲是主要的。
场曲和彗差都与视场大小有关，视场越大则越严 重，所以现代望远镜不是很追求广角设计。在视场 较小的天文望远镜中，场曲和彗差就要轻微得多。
场曲和彗差虽然表现一致，但是还是很好分辨的， 把一个星点放入视场，调节成点状，再移动到视场 边缘，这个星点就会散开，调节焦距，如果还可以 调成一个点，说明只有场曲，如果怎么调也无法调 节成点状，说明有彗差作用。
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畸变
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被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后 变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。