1、1,基 本 光 學 知 識,2,內 容： 1、光的三大定律 2、光學元件和透鏡成像規律 3、焦點、彌散圓和景深 4、色散現象和色像差 5、球差、像散、慧差、場曲和畸變 6、人的眼睛,3,直線傳播定律、反射定律和折射定律,光的三大定律 ,4,光的直線傳播定律 光在均勻介質中沿直線傳播。,5,光的反射定律 反射角等于入射角，i = i。,6,對于理想的反射面而言，鏡面表面亮度取決于視點，觀察角度不同，表面亮度也不同； 一個理想的漫射面將入射光線在各個方向做均勻反射，其亮度與視點無關，是個常量。,7,光的折射定律 n1 sin i = n2 sin r n1和n2分別表示兩種介質的折射率； i為入射

2、角，r為折射角。,8,折射率為光在兩種介質種的傳播速度之比，即 n2/n1 = v1/v2 一種介質的絕對折射率為 n = c/v 式中c是真空中光的速度，v為該介質中光的速度。,9,光學元件和透鏡成像規律,10,正透鏡（凸透鏡） 鏡片中心比邊緣厚，起聚光作用。,11,負透鏡（凹透鏡） 鏡片中心比邊緣薄，起發散作用。,12,反光鏡,13,透鏡成像規律,14,焦點、彌散圓和景深,15,與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀的擴散開來，這個聚集所有光線的一點，就叫做焦點。,16,在焦點前后，光線開始聚集和擴散，點的影象變成模糊的，形成一個擴大的圓，這個圓就叫

3、做彌散圓。,17,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系，如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內實際影像產生的模糊是不能辨認的。這個不能辨認的彌散圓就稱為容許彌散圓。 35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對角線長度的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。,18,在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對焦點)前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現在底片面的影象模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內。 以持照相機拍攝者為基準，從焦點到近處

4、容許彌散圓的的距離叫前景深，從焦點到遠方容許彌散圓的距離叫后景深。,19,20,景深的計算公式： f鏡頭焦距 F 鏡頭的拍攝光圈值,從公式(1)和(2)可以看出，后景深 前景深。,21,景深的經驗公式：,22,景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及容許彌散圓的大小有關。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)： (1)、鏡頭光圈： 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； (2)、鏡頭焦距 鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍攝距離 距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。,23,光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；,24,景 深 的 實 際 拍 攝

5、照 片 - 只改變鏡頭光圈和快門速度,25,光圈f/2.8 曝光時間1/125 s,26,光圈f/5.6 曝光時間1/30 s,27,光圈f/11 曝光時間1/8 s,28,光圈f/22 曝光時間1/2 s,29,色 散 現 象 和 色 像 差,30,白光中人眼可以感受到的可見光的波長為400nm(紫色)700nm( 紅色)。當白光通過三棱境時，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象。,31,在光學鏡頭中，這種起因于不同波長的光造 成的像差，我們稱為色像差。 色像差分成軸向色像差和倍率色像差兩種。,32,軸向色像差：指的是光軸上的位置，因波長不同產生不同

6、顏色有不同焦點的現象。由于不同色光焦距不同，物點不能很好的聚焦成一個完美的像點，所以成像模糊。,33,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有彩虹的邊緣。,34,紅色光線的焦點比藍色光線的焦點更遠離鏡片。,35,軸向色像差涉及到成像的焦點距離，引起色彩產生松散或光斑； 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開，形成擴散的彩色條紋，如鑲邊現象。,36,消除色差的常用辦法之一是采用不同色散材料的光學元件來組成鏡頭，用其中的一種光學元件的正色散來抵消另一種光學元件所產生的負色差。例如我們公司望遠鏡的消色差鏡，利用折射率較低的PM

7、MA做凸透鏡，利用折射率較高的PC做凹透鏡，然后將兩者配合在一起使用。,37,雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。 通過合理的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料，可以使藍光、紅光焦距恰好相等，這就基本消除了色差。,38,只對兩種有色光校正色差的，稱為穩定 的消色差鏡頭； 若對三種有色光同時校正色差的稱為復 消色差鏡頭； 而對四種有色光校正色差的則稱為超消 色差鏡頭。,39,雙膠合鏡的消色差作用對于焦距較長 (如300mm以上)的鏡頭效果會不理想，因為鏡頭焦距愈長，由色散而引起的色差也就愈嚴重。 對于長焦鏡頭，更常用的辦法是采用特殊色散或超低色散玻璃來制作光學元件。,40,球差、像散

8、、慧差、場曲和畸變,41,球 差,42,由主軸上某一物點向光學系統發出的單色平行光束，經該光學系列折射后，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），則此光學系統的成像誤差稱為球差。,43,當平行的光線由鏡面的邊緣(遠軸光線)通過時，它的焦點位置比較靠近鏡片；而由鏡片的中央通過的光線(近軸光線)，它的焦點位置則比較遠離鏡片(這種沿著光軸的焦點錯間開的量，稱為縱向球面像差)。,44,由于球面像差的緣故，就會在通過鏡頭中心部分的近軸光線所結成的影像周圍，形成由通過鏡頭邊緣部分的光線所產生的光斑(光暈)，使人感到所形成的影象變成模糊

9、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。這個光斑的半徑稱為橫向球面像差。,45,球面像差在鏡頭光圈全開或者接近全開的時候 表現最為明顯，口徑愈大的鏡頭，這種傾向愈明顯。 在鏡頭使用上，通過縮小光圈可適當消除球面像 差。,46,球差的產生是因為理想的折射鏡面不是球面，但是為了加工方便一般都是用球面來近似，所以引起球差。解決的方法是采用非球面技術。,47,目前主要有三種制造非球面鏡片的方法： 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較高； 2、模壓非球面鏡片：采用金屬鑄模技術將融化的 光學玻璃/光學樹脂直接壓制而成，這種制造工藝 成本相對較低；,48

10、,3、復合非球面鏡片：在研磨成球面的玻璃鏡片表面上覆蓋一層特殊的光學樹脂，然后將光學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。,49,像 散,50,由位于主軸外的某一軸外物點，向光學系統發出的斜射單色圓錐形光束，經該光學系列折射后，不能結成一個清晰像點，而只能結成一彌散光斑，則此光學系統的成像誤差稱為像散。,51,像散現象由兩個互相垂直截面的光線構成，與主軸光線無關。像散現象發生在像平面周邊部分，如物體有成直角交叉的橫線和豎線，在像平面周邊成像時，橫線和豎線不能同時會聚成清晰的像，豎線清晰時，橫線必模糊；橫線清晰時，豎線必模糊。,52,慧 差,53,由位于主軸外的某一軸外物

11、點，向光學系統發出的單色圓錐形光束，經該光學系列折射后，若在理想像平面處不能結成清晰點，而是結成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學系統的成像誤差稱為慧差。,54,場 曲,55,垂直于主軸的平面物體經光學系統所結成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學系統的成像誤差稱為場曲。,56,場曲在望遠鏡中表現比較明顯，但是害處較小，我們使用望遠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曲和彗差的綜合作用，其中場曲是主要的。 場曲和彗差都與視場大小有關，視場越大則越嚴重，所以現代望遠鏡不是很追求廣角設計。在視場較小的天文望遠鏡中

12、，場曲和彗差就要輕微得多。 場曲和彗差雖然表現一致，但是還是很好分辨的，把一個星點放入視場，調節成點狀，再移動到視場邊緣，這個星點就會散開，調節焦距，如果還可以調成一個點，說明只有場曲，如果怎么調也無法調節成點狀，說明有彗差作用。,57,畸 變,58,被攝物平面內的主軸外直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變。,59,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、場曲 之間的根本區別。,60,對于望遠鏡來說，色差、球差和像散是最有害的像差，應該得到有效控制，而場曲、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。 即使是高級的望遠鏡，場曲、畸變和彗差有的也非常明顯。,61,人 的 眼 睛,62,63,眼睛的聚焦能力主要來自角膜，但為了對不同距離的物體聚焦，眼睛靠改變晶狀體的前表面的曲率來實現的。 當眼的調節放松時，如果物體成像落在視網膜上的話，便為正視眼；如果物體成像落在視網膜之后的稱為遠視眼，相反落在視網膜之前的稱為近視眼。 正常眼睛調節所能看到的最短距離（近點）是100毫米，調節所能看到的最遠距離（遠點）是無窮遠。,64,人眼的視網膜上有兩種光感受器：視桿細胞和視錐細胞。 視桿細胞的非常靈敏，在很暗的光照下還能工作，但不能區別顏色，在較暗的環境亮度下主要是視桿細胞的活動，稱暗視覺； 視錐細胞