第一篇：光學基礎知識

光學基礎知識

物理學的一個部門。光學的任務是研究光的本性，光的輻射、傳播和接收的規(guī)律；光和其他物質(zhì)的相互作用（如物質(zhì)對光的吸收、散射、光的

機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等）以及光學在科學技術等方面的應用。

17世紀末，牛頓倡立“光的微粒說”。當時，他用微粒說解釋觀察到的許多光 學現(xiàn)象，如光的直線性傳播，反射與折射等，后經(jīng)證明微粒說并不正確。1678 年惠更斯創(chuàng)建了“光的波動說”。波動說歷時一世紀以上，都不被人們所重視，完全是人們受了牛頓在學術上威望的影響所致。當時的波動說，只知道光線會在

遇到棱角之處發(fā)生彎曲，衍射作用的發(fā)現(xiàn)尚在其后。1801年楊格就光的另一現(xiàn)象（干涉）作實驗（詳見詞條：楊氏干涉實驗）。他讓光源S的光照亮一個狹長的縫隙S，這個狹縫就可以看成是一條細長的光源，從這個光源射出的光線再通1 過一雙狹縫以后，就在雙縫后面的屏幕上形成一連串明暗交替的光帶，他解釋說

光線通過雙縫以后，在每個縫上形成一新的光源。由這兩個新光源發(fā)出的光波在

抵達屏幕時，若二光波波動的位相相同時，則互相疊加而出現(xiàn)增強的明線光帶，若位相相反，則相互抵消表現(xiàn)為暗帶。楊格的實驗說明了惠更斯的波動說，也確 定了惠更斯的波動說。同樣地，19世紀有關光線繞射現(xiàn)象之發(fā)現(xiàn)，又支持了波 動說的真實性。繞射現(xiàn)象只能借波動說來作滿意的說明，而不可能用微粒說解釋。

20世紀初，又發(fā)現(xiàn)光線在投到某些金屬表面時，會使金屬表面釋放電子，這種 現(xiàn)象稱為“光電效應”。并發(fā)現(xiàn)光電子的發(fā)射率，與照射到金屬表面的光線強度

成正比。但是如果用不同波長的光照射金屬表面時，照射光的波長增加到一定限

度時，既使照射光的強度再強也無法從金屬表面釋放出電子。這是無法用波動說

解釋的，因為根據(jù)波動說，在光波的照射下，金屬中的電子隨著光波而振蕩，電

子振蕩的振幅也隨著光波振幅的增強而加大，或者說振蕩電子的能量與光波的振

幅成正比。光越強振幅也越大，只要有足夠強的光，就可以使電子的振幅加大到

足以擺脫金屬原子的束縛而釋放出來，因此光電子的釋放不應與光的波長有關。

但實驗結果卻違反這種波動說的解釋。愛因斯坦通過光電效應建立了他的光子學

說，他認為光波的能量應該是“量子化”的。輻射能量是由許許多多分立能量元

組成，這種能量元稱之為“光子”。光子的能量決定于方程 E=hν 式中E=光子的能量，單位焦耳

-34h=普朗光常數(shù)，等于6.624?10焦耳?秒

ν=頻率。即每秒振動數(shù)。ν=c／λ，c為光線的速度，λ為光的波長。現(xiàn)代的觀念，則認為光具有微粒與波動的雙重性格，這就是“量子力學”的基礎。

在研究和應用光的知識時，常把它分為“幾何光學”和“物理光學”兩部分。適

應不同的研究對象和實際需要，還建立了不同的分支。如光譜學，發(fā)光學、光度

學，分子光學、晶體光學，大氣光學、生理光學和主要研究光學儀器設計和光學

技術的應用光學等等。

嚴格地說，光是人類眼睛所能觀察到的一種輻射。由實驗證明光就

是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米

之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39 微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但

可以用光學儀器或攝影方法去量度和探測這種發(fā)光物體的存在。所以在光學中光 的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領域，甚至X射線均被認為是光，而可見光 的光譜只是電磁光譜中的一部分。

物理學上指能發(fā)出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線和X光線等不可見光）的物體。通常指能發(fā)出可見光的發(fā)光體。凡物體自

身能發(fā)光者，稱做光源，又稱發(fā)光體，如太陽、恒星、燈以及燃燒著的物質(zhì)等都

是。但像月亮表面、桌面等依靠它們反射外來光才能使人們看到它們，這樣的反

射物體不能稱為光源。在我們的日常生活中離不開可見光的光源，可見光以及不

可見光的光源還被廣泛地應用到工農(nóng)業(yè)，醫(yī)學和國防現(xiàn)代化等方面。光源主要可

分為：熱輻射光源，例如太陽、白熾燈、炭精燈等；氣體放電光源，例如，水銀

燈、熒光燈等。激光器是一種新型光源，具有發(fā)射方向集中、亮度高，相干性優(yōu)

越和單色性好的特點。

光學中以光的直線傳播性質(zhì)及光的反射和折射規(guī)律為基礎的學科。它研究一般光學儀器（如透鏡、棱鏡，顯微鏡、望遠鏡、照相機）的成像

與消除像差的問題，以及專用光學儀器（如攝譜儀、測距儀等）的設計原理。嚴

格說來，光的傳播是一種波動現(xiàn)象，因而只有在儀器的尺度遠大于所用的光的波

長時，光的直線傳播的概念才足夠精確。由于幾何光學在處理成像問題上比較簡

單而在大多數(shù)情況下足夠精確，所以它是設計光學儀器的基礎。光學中研究光的本性以及光在媒質(zhì)中傳播時各種性質(zhì)的學科。物理光學過去也稱“波動光學”，從光是一種波動出發(fā)，能說明光的干涉、衍射

和偏振等現(xiàn)象。而在赫茲用實驗證實了麥克斯韋關于光是電磁波的假說以后，物

理光學也能在這個基礎上解釋光在傳播過程中與物質(zhì)發(fā)生相互作用時的部分現(xiàn) 象，如吸收，散射和色散等，而且獲得一定成功。但光的電磁理論不能解釋光和

物質(zhì)相互作用的另一些現(xiàn)象，如光電效應、康普頓效應及各種原子和分子發(fā)射的

特征光譜的規(guī)律等；在這些現(xiàn)象中，光表現(xiàn)出它的粒子性。本世紀以來，這方面 的研究形成了物理光學的另一部門“量子光學”。

光源發(fā)出之光，通過均勻的介質(zhì)時，恒依直線進行，叫做光的直

進。此依直線前進之光，代表其前進方向的直線，稱之為“光線”。光線在幾何

光學作圖中起著重要作用。在光的直線傳播，反射與折射以及研究透鏡成像中，都是必不可少且要反復用到的基本手段。應注意的是，光線不是實際存在的實物，而是在研究光的行進過程中細窄光束的抽象。正像我們在研究物體運動時，用質(zhì)

點作為物體的抽像類似。

指地球進入月球的本影中，太陽被遮蔽的情形。當太陽、月球和 地球在同一條直線上時便會發(fā)生。月球每月都會處于太陽與地球之間，不過日食

并不能每月看到，這是因為白道（月球的軌道）平面對地球軌道有5?的傾角。月球可能時而在黃道之上或時而在黃道之下，故其陰影不能落在地球上。只有當

太陽、月球和地球在一直線內(nèi)，才能產(chǎn)生日蝕。如果地球的某一部分在月影之內(nèi)，即發(fā)生日蝕；日蝕有全蝕、偏蝕、環(huán)蝕三種。地球上的某些地方正位于月球的影

錐之內(nèi)（即在基本影之內(nèi)）這些地方就能觀看到日全蝕。錐外虛影所射到的地方

（即半影內(nèi)的地方）則看到偏蝕。月球離地球較遠的時候，影錐尖端達不到地面，這時從圓錐的延長線中央部分看太陽的邊緣，還有狹窄的光環(huán)，這就是發(fā)生的環(huán)

蝕現(xiàn)象。環(huán)蝕在亞洲，一百年中只能遇見十幾次，在一個小地區(qū)欲見環(huán)蝕者，數(shù)

百年也難得有一次機會。月影投到地面上，急速向西走，所以某一地點能夠看見 的全蝕時間非常的短，最長不過七分半鐘，平均約3分。日全蝕帶的寬度，平均約160公里。在某一地點能夠看見日全蝕的機會，非常的少；平均360年只有一

次。日全蝕的機會雖少，而需要觀測和研究的問題甚多。例如日月相切時刻的測

定。愛因斯坦引力說的證明等等。在我國古代稱之為歲星，是九大行星中最大也最重的行星，它的 直徑比地球的直徑大11倍，它的質(zhì)量也比地球重317倍。它的自轉(zhuǎn)周期為9.842 小時，是所有行星中最快的一個。木星上的大氣分布很廣闊，其組成含氫（H）2 氮（N）、沼氣（甲烷CH）及氨氣（NH），因此，其表面完全為昏暗所籠罩著。243 木星離地球的距離為628 220 000公里，它的赤道直徑為142 804公里，比地球

要大11倍。雖然它是太陽系最大的一顆行星，但它卻有最短的自轉(zhuǎn)周期，比起

地球的一天短了14小時6分鐘；故知它是以極其驚人的速度不停地自轉(zhuǎn)著，就

是在其赤道上的某一質(zhì)點最少也以時速45 000公里的速度卷旋前進著。離心力在赤道地帶也大得驚人，結果便造成赤道的凸出，使此行星變成如一個壓扁的橙

子一樣。木星有四顆大衛(wèi)星，被命名為木衛(wèi)

一、木衛(wèi)二?，都能用小望遠鏡看到，甚至有人能用肉眼觀察到。顯然它們的體積必定相當可觀，它們的直徑木衛(wèi)一約

是3719公里，木衛(wèi)二約是3139公里，木衛(wèi)三約是5007公里，木衛(wèi)四約是5184 公里。在這四顆衛(wèi)星中，最靠近木星表面的一顆就是木衛(wèi)一。由于巨大的衛(wèi)星引 力。木衛(wèi)一只能以42小時半的時間環(huán)繞木星一周。在這些木衛(wèi)環(huán)繞木星的過程

中，它們有時在木星之后所謂被掩，有時在木星的陰暗面，稱為蝕，有時在木星

前叫作凌犯。

當?shù)厍蛭挥谔柡驮虑蛑g而且是滿月時，進入地影的月球，就

會發(fā)生月蝕。月球全部走到地影中的時候，叫做全蝕；只有一部分進入本影的時

候，叫做偏蝕。月全蝕的時候可分做五象，當月球和本影第一次外切的時候，叫

做初虧；第一次內(nèi)切的時候叫做蝕既；月心和本影中心距離最近的時候，叫做蝕

甚；當月球和本影第二次內(nèi)切的時候，叫做生光；第二次外切的時候叫做復圓。

偏蝕時，只有初虧、蝕甚、復圓三種現(xiàn)象。月蝕現(xiàn)象一定發(fā)生于望（陰歷十五）的時候；但是望的時候，未必發(fā)生月蝕。這是因為白道（月球運行軌道）和黃道

（地球運行的軌道）不相一致的緣故。但望時的月球如果距離交點太遠，將不能

發(fā)生月蝕；必須在某一定距離之內(nèi)，才可以發(fā)生月食，這一定的界限，叫做月蝕

限；這限界是隨日、月、地球的距離和白道交角的變化而略有變動，最大值為 12.2?，最小值為9.5?。月蝕最長時共維持3小時40分，其中1時40分為全 蝕，其余兩小時為偏蝕。月蝕如在地平以上發(fā)生，則因地球自轉(zhuǎn)，故可見地區(qū)超

過半個地球。月全蝕時因地球大氣反射紅光進入地影，故可見古銅色微光之月面。

月蝕次數(shù)雖較少，但見蝕帶極廣，而日蝕帶狹窄，故同一地區(qū)之居民，看見月蝕

之次數(shù)較日蝕多。

一般指光在真空中的傳播速度。真空中的光速是物理學的常數(shù)之

一，它的特征是：（1）一切電磁輻射在真空中傳播的速率相同，且與輻射的頻

率無關；（2）無論在真空中還是在其他物質(zhì)媒質(zhì)中，無論用什么方法也不能使

一個信號以大于光速c的速率傳播；（3）真空中光速與用以進行觀測的參照系

10無關。如果在一伽利略參照系中觀察到某一光信號的速率為c=2.99793?10厘米／秒，那么，在相對此參照系以速度v平行于光信號運動的另一個伽利略參照

系中，所觀測到的光信號一定也是c，而不是c＋v（或c-v），這就是相對論的基礎；（4）電磁學理論中的麥克斯韋方程和羅倫茲方程中都含有光速。當用高

斯單位來寫出這兩個方程時，這一點特別明顯。光在真空中的速度為c，在其他媒質(zhì)中，光的速度均小于c，且隨媒質(zhì)的性質(zhì)和光波的波長而不同。

伽利略曾經(jīng)建議，使光行一段7.5千米的路程以測定其速度，但因所用的設備不完善而未成功。此后，直到1675年，丹麥學者羅默在巴黎求得光速之可用數(shù)值。羅默把他的觀察擴展到宇宙之間，而其所用的研究對象

則為木星衛(wèi)星的成蝕。這些衛(wèi)星之中最內(nèi)層的

因此，每經(jīng)過此一周期之間隔，M便再次進入木星J之陰影中，而使地球上的觀察者暫時無法看到它。羅默發(fā)現(xiàn)，當?shù)厍駿環(huán)繞太陽S作公轉(zhuǎn)

木星衛(wèi)星的成蝕要遲14秒鐘會才發(fā)生；又當?shù)厍蛟谕粫r間（即

至于木星衛(wèi)星的實際繞轉(zhuǎn)周期，則可根據(jù)地球公轉(zhuǎn)到E或E時所作之觀測58 2求得。羅默認為此一現(xiàn)象，確實是由于地球從E運行到W之時，光之進行必須1 跟在地球后面追趕上去，而當?shù)厍蛴蒃運行到E時，則光之進行可對著地球迎67 著趕上所致。由此可知，E與E或E與E之間的距離，與地球在木星的衛(wèi)星繞木1267 星一周所需要的時間內(nèi)運行的路程相符合。因為地球公轉(zhuǎn)速度為30千米／秒，所以此二距離都是等于42.5?60?60?30（千米），約為，4 600 000千米。這說明光需要多走14秒鐘始能趕上地球由E至E的這一段距離；另一方面它在地12 球由E至E向光迎頭趕上的這段距離中，光之行進卻能省下14秒鐘。由此得到67 光速約稍大于300 000千米／秒（4 600 000／14?328 000千米／秒）。當?shù)厍蛴蒃遠離木星而繼續(xù)運轉(zhuǎn)至E、E?等處時，那么當靠近E時，則每次成蝕延2345遲之時間相繼地累積起來，直到地球漸近于E時成蝕延遲時間逐漸減少為零了5（此乃由于木星與地球間的距離之增加，由于接近E而漸漸減少，終于抵達E55而趨于零所致）。故成蝕延遲之時間，當?shù)厍蛟诎肽曛杏蒃運轉(zhuǎn)至E時，每85次成蝕延遲時間相加起約等于1000秒。這也就是光從木星到達E和光從木星到5達E8這兩段行程所需的時間差（亦即光行經(jīng)地球公轉(zhuǎn)軌道直徑EE所需之時間）。58由天文學上可知地球公轉(zhuǎn)的軌道這直徑為d=300 000 000千米；利用此數(shù)值計算出的光速為

這一數(shù)值要比根據(jù)每連續(xù)兩次木星衛(wèi)星成蝕之時差所求得的光速更可靠一 些。羅默測出的光速c=315 000千米／秒，和現(xiàn)在科學家采用更較精細的量度方

法在真空中求得之光速的數(shù)值c=299 696?4千米／秒，實極接近。c=299 796 這個數(shù)值是美國物理學家邁克耳孫測出的。在激光得以廣泛應用以后，開始利用

激光測量光速。其方法是測出激光的頻率和波長，應用 c=λν

計算出光速c，目前這種方法測出的光速是最精確的。根據(jù)1975年第15屆 國際計量大會決議，把真空中光速值定為 c＝299 792 458米／秒。

8在通常應用多取c=3?10米／秒。

Michelson（1852～1931年）美國物理學家。他創(chuàng)造的邁克耳孫干涉儀對光學和近代物理學是一巨大的貢獻。它不但可用來測定微小長度、折射率和光波波長等，也是現(xiàn)代光學儀器如付立葉光譜儀等儀器的重要組成部 分。他與美國化學家莫雷（1838～1923年）在1887年利用這種干涉儀，作了著名的“邁克耳孫—莫雷實驗，這一實驗結果否定了以太的存在，從而奠定了相對 論的實驗基礎。1926年用多面旋鏡法比較精密地測定了光的速度。光在均勻媒質(zhì)中是沿著直線傳播的。因此，在點光

源（即其線度和它到物體的距離相比很小的光源）的照明下，物體的輪廓和它的

影子之間的關系，相當于用直線所做的幾何投影。光的直線傳播定律是人們從實

踐中總結出來的。而直線這一概念本身，顯然也是由光學的觀察而產(chǎn)生的。作為

兩點間的最短距離是直線這一幾何概念，也就是光在均勻媒質(zhì)中沿著它傳播的那

條線的概念。所以自古以來，在實驗上檢查產(chǎn)品的平直程度，均以視線為準。但

是，光的直線傳播定律并不是在任何情況下都是適用的。如果我們使光通過很小 的小孔，則

我們只能得到一個輪廓有些模糊的小孔的像?？自叫。裨侥：?。當孔

而引起的。

光遇到物體或遇到不同介質(zhì)的交界面（如從空氣射入水面）

時，光的一部分或全部被表面反射回去，這種現(xiàn)象叫做光的反射，由于反射面的

平坦程度，有單向反射及漫反射之分。人能夠看到物體正是由于物體能把光“反 射”到人的眼睛里，沒有光照明物體，人也就無法看到它。在光的反射過程中所遵守的規(guī)律：（1）入射光線、反射

光線與法線（即通過入射點且垂直于入射面的線）同在一平面內(nèi)，且入射光線和

反射光線在法線的兩側；（2）反射角等于入射角（其中反射角是法線與反射線 的夾角。入射角是入射線與法線的夾角）。在同一條件下，如果光沿原來的反射

線的逆方向射到界面上，這時的反射線一定沿原來的入射線的反方向射出。這一

點謂之為“光的可逆性”。

當一束平行的入射光線射到粗糙的表面時，因面上凹凸不平，所以入射線雖然互相平行，由于各點的法線方向不一致，造成反射光線向不同的

方向無規(guī)則地反射，這種反射稱之為“漫反射”或“漫射”。這種反射的光稱為

漫射光。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用

放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這

些表面反射后，彌漫地射向不同方向。

鏡的反射面是光滑平坦的面，叫做平面鏡。普通使用的鏡是在

磨平后的玻璃背面涂有銀，或涂錫和水銀的合金。物體放在鏡前時，物體即映于 鏡中而可以看見。這是由于物體反射出的光，于鏡面反射后進入眼睛所致。平面

鏡成像，并非光線實際的集合點，所以叫做虛像。平面鏡所成之像的大小和原物

體相同，其位置和原物體成對稱，因為像和鏡面的距離，恒與物體和鏡面的距離

相等。實物在兩平面鏡間可引起多次反射而形成復像，其在每鏡中除由原物各成

一像小，余皆互以他鏡之像為物而形成。

從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面，用以窺探海面或地

面上活動的裝置，其構造與普通的望遠鏡相同，唯另加兩個反射鏡使物光經(jīng)兩次

反射而折向眼中。潛望鏡常用于潛水艇，坑道和坦克內(nèi)用以觀察敵情。反射面為球面的鏡，可用以成像。球面鏡有凹、凸兩種，反射

面為凹面的稱“凹面鏡”，反射面為凸面的稱“凸面鏡”。連接鏡面頂點與其球

心的直線稱為“主軸”。與主軸相近而與它平行的一束光線，被鏡面反射后，反

射光線（或其延長線）與主軸相交，其交點稱為“焦點”。鏡面頂點和焦點之間 的距離稱為“焦距”，等于球半徑的一半。凹鏡的球心和焦點（實焦點）都在鏡

前，凸鏡的球心和焦點（虛焦點）都在鏡后。凹鏡有使入射光線會聚的作用，所 以也稱“會聚鏡”，凸鏡有使入射光線發(fā)散的作用，所以也稱“發(fā)散鏡”。在反

射望遠鏡中用到凹鏡；在汽車前面供駕駛員看后面車輛情況的鏡子，則是凸鏡。

又稱“反射本領”。是反射光強度與入射光強度的比值。不同

材料的表面具有不同的反射率，其數(shù)值多以百分數(shù)表示。同一材料對不同波長的

光可有不同的反射率，這個現(xiàn)象稱為“選擇反射”。所以，凡列舉一材料的反射

率均應注明其波長。例如玻璃對可見光的反射率約為4％，鍺對波長為4微米紅外光的反射率為36％，鋁從紫外光到紅外光的反射率均可達90％左右，金的選擇性很強，在綠光附近的反射率為50％，而在紅外光的反射率可達96％以上。此外，反射率還與反射材料周圍的介質(zhì)及光的入射角有關。上面談及的均是指光

在各材料與空氣分界面上的反射率，并限于正入射的情況。

對于凸面鏡只能使特成正立、縮小的虛像。如圖4－2（a）所示。由物A點出發(fā)的平行于光軸的光線，達到鏡面后將反射，其反射光的延長

線必交球面鏡的焦點F上。而從A射向F的光線被球面反射后將平行于光軸。這

兩條反射線，沒有實交點，只有虛交點A′，也就是說視覺認為這兩條光線是從

A′發(fā)出的。物體上的B點發(fā)出的沿光軸的光線，即平行于光軸，又過焦點，故 B′為B點的像。在物體AB上的各點，接照前述辦法作圖，其各點的像點都在A′B′上，故A′B′即為AB的像。無論物AB在何處，它所發(fā)出的光射到球面鏡后

而反射的光，沒有實交點，因此所成之像必為虛像。由圖中可以看出，物體在軸 的上方，所成的虛像也在軸的上方，故所成之像為正立。無論AB在什么位置，從A點出發(fā)的平行于軸的光線一定在AF方向的光線的上方。此兩線的交點A′必比A點更靠近軸，所以像是縮小的。根據(jù)上述方法作圖可知凹透鏡成像可有三

種情況：（1）物在凹鏡前二倍焦距以外時，是倒立縮小的實像，見圖4－2（b）。（2）物在兩倍焦距以內(nèi)，焦點以外時，則成倒立放大的實像，見圖4－2（c）。（3）當物位于焦點以內(nèi)時，則成正立的放大的虛像，見圖4－2（c）。

凡光線在通過疏密不同介質(zhì)交界面時改變方向的現(xiàn)象，稱為

光之折射。如圖4－3所示，光線AB由空氣內(nèi)斜向射至水面，自入射點B起，就向這點的法線EE′偏折而取BM的方向。若在水底置一平面鏡M，使反射線MC再由水中透入空氣，則自入射點C起，離開法線FF′偏折，而取CD的方向。偏折后的光線BM和CD，稱為折射線，折射線和法線所成的角，如?E′BM和?FCD，稱為折射角。由此可知光線由稀的介質(zhì)入射到密的介質(zhì)時，折射線常向法線偏向，故折射角常比入射角?。蝗粲擅艿慕橘|(zhì)透入稀的介質(zhì)時，折射線常離法線而偏向，折射角常比入射角大。當光線通過介質(zhì)的密度在不斷變化時，光線前進的方向也

隨之而改變，因此我們隔著火盆上的熱空氣看對面的東西時，會覺得那東西不停

地在閃動著。這是由于火盆上面的空氣因受熱很快地上升，這部分空氣的密度便

和周圍空氣的密度不同，而且熱度還不斷在變化，當由物體射來的光線通過這樣 的空氣，其折射光線的路徑不斷發(fā)生變化，就會使物體變成了閃動的形狀。在炎

夏中午時分，假使躺在地上來看樹木、房屋和人物，它們的輪廓好像是透過一層

流動的水一樣，而且動搖不定。這是因為那時十分炎熱，地面的輻射熱很多，溫

度高，接近地面的空氣受熱，密度變小，因而上升，成為向上流動的氣流，由物

體射來的光線通過這種變動著的氣流折射光線的路徑就不斷改變，因此所看到的

物便都動搖不定。我們在夜里看到天空中恒星的閃動，也是這個道理。大氣里經(jīng) 常存在著密度不同的氣流和旋渦，當恒星的光線通過這種氣流時，就會使它原來

折射的路徑發(fā)生變化，一會兒到左，一會兒到右，恒星是不會閃動的，都是這折

射光造成的。又如太陽位于地平線附近時，光之折射作用尤大。在地平線下的太

陽，陽光從太空（真空）平射至逐漸變化的光密媒質(zhì)空氣中而發(fā)生的折射，光線

傳到地面是一曲線，因為光之折射的關系，太陽看上去就如同剛剛接觸到地平線 的下緣一樣，其實它業(yè)已落至地平線以下了。同理，當太陽剛剛還在地平線下的

時候，看上去它已升起來了。所以我們可以說：太陽實際上比我們?nèi)庋鬯姷囊?/p>

落得早些而起的遲些；這等于說，光之折射將我們的白天稍稍加長了一點。

在光的折射現(xiàn)象中，確定折射光線方向的定律。當光由第一

媒質(zhì)（折射率n）射入第二媒質(zhì)（折射率n）時，在平滑界面上，部分光由第一12 媒質(zhì)進入第二媒質(zhì)后即發(fā)生折射。實驗指出：（1）折射光線位于入射光線和界 面法線所決定的平面內(nèi)；（2）折射線和入射線分別在法線的兩側；（3）入射角i的正弦和折射角i′的正弦的比值，對折射率一定的兩種媒質(zhì)來說是一個常數(shù)，即

此定律是幾何光學的基本實驗定律。它適用于均勻的各向同性的媒質(zhì)。用來 控制光路和用來成象的各種光學儀器，其光路結構原理主要是根據(jù)光的折射和反

射定律。此定律也可根據(jù)光的波動概念導出，所以它也可應用于無線電波和聲波

等的折射現(xiàn)象。

表示在兩種（各向同性）媒質(zhì)中光速比值的物理量。光從第一

媒質(zhì)進入第二媒質(zhì)時（除垂直入射外），任一入射角的正弦和折射角的正弦之比

對于折射率一定的兩種媒質(zhì)是一個常數(shù)。這常數(shù)稱為“第二媒質(zhì)對第一媒質(zhì)的相），并等于第一媒質(zhì)中的 對折射率”。（n12

第一媒質(zhì)）的折射率稱為這媒質(zhì)的“絕對折射率”，簡稱“折射率”。由于 光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質(zhì)的折射率都大于1。同一媒質(zhì)對不同波

長的光，具有不同的折射率；在對可見光為透明的媒質(zhì)內(nèi)，折射率常隨波長的減 小而增大，即紅光的折射率最小，紫光的折射率最大。通常所說某物體的折射率

數(shù)值多少（例如水為1.33，玻璃按成分不同而為1.5～1.9），是指對鈉黃光（波

-10長5893?10米）而言的。

折射率較大的媒質(zhì)（光在其中速度較?。┡c折射率較小的媒質(zhì)（光在其中速度較大）相比較，前者稱“光密媒質(zhì)”，后者稱“光疏媒

質(zhì)”。如水對空氣為光密，空氣對水為光疏。光從光疏媒質(zhì)進入光密媒質(zhì)時，要

向接近法線方向折射，即折射角小于入射角；光從光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時，要

離開法線折射，即折射角大于入射角。

折射定律的解釋，是利用原始形態(tài)的惠更斯原理。這種形式的惠更斯原理，實質(zhì)上是幾何光學的原理，并且嚴格地說，只有在幾何光

學適用的條件下，也即在光波的波長和波陣面的線度相比為無窮小時，才能夠加

以應用。在這些條件下，它使我們能夠?qū)С鰩缀喂鈱W的折射定律。假設以v表示1 第一種媒質(zhì)中的光波速度，以v表示第二種媒質(zhì)中的波速。設i是波陣面的法線2 OC與折射媒質(zhì)表面的法線OD之間的夾角，見圖4－4。設在時刻t=0，波陣面的C點到達媒質(zhì)表面時，和點O重合，則在波陣面從A′點到達第二種媒質(zhì)（點B）所需的時間為τ，次波便從作為中心的點O出發(fā)，傳播到某一個距離Of。以點O，O等為中心的各個次波，到指定時刻都傳播到相應的距離，在第二種媒質(zhì)中12 給出許多元球面波f、f??。按照惠更斯原理，諸元波的包絡面，即平面Bfff，1221指出波陣面的實在位置。顯然

將數(shù)值A′B=vτ和Of=vτ代入式中，得到： 12 vτsinr=vτsini 12 或

由此看到，惠更斯的理論解釋了折射定律，并且很容易使折射率的數(shù)值和傅 科在150多年以后所做的實驗結果相符。應當注意，在折射現(xiàn)象中，光經(jīng)過兩種

媒質(zhì)，所以折射率與兩種媒質(zhì)有關，當光由媒質(zhì)?射入媒質(zhì)?，這個折射率是指 媒質(zhì)?對媒質(zhì)?的相對折射率，通常記作

折射率，通常用n來表示，顯然

光由光密（即光在其中傳播速度較小的）媒質(zhì)射到光疏（即光

在其中傳播速度較大的）媒質(zhì)的界面時，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。光由光 密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時，要離開法線折射，如圖4－5所示。當入射角θ增加到某種情形（圖中的e射線）時，折射線延表面進行，即折射角為90?，該入射角θ稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射，全部光線均反回光密媒質(zhì)c（如圖f、g射線），此現(xiàn)象稱為全反射。當光線由光疏媒質(zhì)射到光密媒質(zhì)時，因為光線靠近法線而折射，故這時不會發(fā)生全反射。

光從光密媒質(zhì)射到光疏媒質(zhì)的界面時，折射角大于入射角。當

折射角為90?時，折射光線沿媒質(zhì)界面進行，這時的入射角稱為“臨界角”。當入射角大于臨界角時，折射定律就無法適用了，而只會發(fā)生全反射現(xiàn)象。光由

水進入空氣的臨界角約為48.5?，從玻璃進入空氣的臨界角，隨玻璃的成分不 同而異，約在30?～42?之間。利用光的折射定律可以求出其臨界角。應注意，這時光是由光密媒質(zhì)射向光疏

如果光是由某種媒質(zhì)射向空氣界面，則n是該媒質(zhì)對空氣的折射率，光導纖維是利用全反射規(guī)律而使光沿著彎曲途徑傳播的光學

元件。它是由非常細的玻璃纖維組成束，每束約有幾萬根，其中每根通常都是一 種帶套層的圓柱形透明細絲，直徑約為5～10微米，可用玻璃、石英、塑料等材料在高溫下控制而成。它已被廣泛地應用于光學窺視（傳光、傳像）和光通訊。

光導纖維的結構如圖4－6所示，內(nèi)層材料選取的折射率大，外層材料的折射率

低，就是要在內(nèi)外層之間的界面上產(chǎn)生全反射，以保證光的傳輸效率。如圖4－

7所示，單箭頭線表示臨界光線，它在內(nèi)外層分界面上的入射角等于或小于臨界

角A。若在折射率為n的媒質(zhì)中入射角大于i的那些光線（以雙箭頭表示），在00n、n分界面上的入射角就小于A，這些光線無法通過纖維而在其中傳播。只有12 在媒質(zhì)n中其頂角為2i的錐體內(nèi)的全部光線才能在光學纖維中傳播，根據(jù)臨界00 角的定義。

和折射定律 sini=nsini n0011 可得

所以對于一定的n和n，i的值是固定的，纖維所容許傳播的光線所占的范120 圍是一定的。要使更大范圍內(nèi)的光束能在光學纖維中傳播，應該選擇n和n的12 差值較大的材料。通常把nsini的值叫做光導纖維的數(shù)值孔徑。光導纖維可用00于潛望鏡和內(nèi)窺視系統(tǒng)，它可以窺視人眼所觀察不到的或有損于人體健康的地

方。國防上可以制成各種坦克、飛機或艦艇上的潛望鏡。醫(yī)學上可以用來制作胃、食道、膀胱等內(nèi)腔部位進行檢查和依斷的各種醫(yī)用窺鏡。如果配有大功率激光傳

輸?shù)墓鈱W纖維，還可進行內(nèi)腔激光治療。由于光纖通訊與電通訊相比具有許多優(yōu)

點，諸如抗電磁干擾性強、頻帶寬和保密性好、通訊容量大，設備輕巧，制取纖

維的二氧化硅的資源又十分豐富。近年來已有數(shù)百條光纖通訊線路在世界各地進

行試驗或正式運動。光導纖維的問世，為光能的應用開辟了更廣闊的天地。透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面體。在光學儀器中應用

很廣。棱鏡按其性質(zhì)和用途可分為若干種。例如，在光譜儀器中把復合光分解為

光譜的“色散棱鏡”，較常用的是等邊三棱鏡；在潛望鏡、雙目望遠鏡等儀器中

改變光的進行方向，從而調(diào)整其成像位置的稱“全反射棱鏡”，一般都采用直角

棱鏡。

光通過一三棱鏡的偏向角等于入射角與出射角之和減去

棱鏡的折射棱角。如圖4－8所示。a為棱鏡的折射棱角，當光束SB入射到棱鏡時，經(jīng)連續(xù)發(fā)生兩次折射，出射光線（CS′和入射光線SB之間的夾角，叫做偏向角“δ”。由圖不難看出：

-i）+（i′-i′）=（i+i′）-（i+i′）=i+i′-a δ=（i1212112211 如果保持入射線的方向不變，而將棱鏡繞垂直于圖面的軸線旋轉(zhuǎn)，則偏向角 必然隨之而改變?？梢宰C明，如果入射角等于出射角時，即在i=i′時，則偏11向角最小，稱為最小偏向角。用δ表示。min δ=2i-α min1 由此可得

又當i=i′時，折射角 12

利用這兩個特殊的入射角和折射角，可以計算棱鏡材料的折射率

利用最小偏向角測折射率，非常方便也很精確。折射棱角a很小的棱鏡，光線通過它時產(chǎn)生的偏向角可按下列方法推出。即由折射定律可知 sini＝nsini，sinii′=nsini′。1212 在折射棱角a很小和近軸光線的條件下，?BEC的底角i，i′很小，所以 22 i?ni,i′?ni′ 1212 則有

δ=ni+ni′-α=n(i+i′)-α=(n-1)α 2222 運用這個近似關系，可以推導出薄透鏡的物像關系式。復色光被分解為單色光，而形成光譜的現(xiàn)象，稱之為“色散”。

色散可通過棱鏡或光柵等作為“色散系統(tǒng)”的儀器來實現(xiàn)。例如，白色光線射于

三棱鏡，則通過棱鏡之后，光線被分散為由不同顏色光組成的色彩光譜。如一細

束陽光可被棱鏡分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光。這是由于復色光中的

各種色光的折射率不相同。當它們通過棱鏡時，傳播方向有不同程度的偏折，因

而在離開棱鏡則便各自分散。折射率較大的紫色光偏向大，而折射率較小的紅光

則偏向小。由于各色光的折射率有大小之分（這是由于各色光的頻率不同造成的，頻率高的折射率大），所以非單色光才會發(fā)生色散。當一白光由空氣射入水或玻

璃時，折射后分成各色的光，若玻璃為兩面平行的平板，則光從玻璃射出的線平行，不同色光再行重疊，并未發(fā)現(xiàn)色散現(xiàn)象。若光通過棱鏡，不同色光之出射線

不平行，色散現(xiàn)象較易觀察。

復色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色

光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案。例如，太陽光經(jīng)過三棱鏡后形成按

紅、橙、黃、綠、青、藍、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫色，相應于波

10長由7，700～3800?10米的區(qū)域，是為人眼能感覺的可見部分。紅端之外為波長更長的紅外光，紫端之外則為波長更短的紫外光，都不能為肉眼所覺察，但能

用儀器記錄。因此，按波長區(qū)域不同，光譜可分為紅外光譜，可見光譜和紫外光

譜；按產(chǎn)生的本質(zhì)不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產(chǎn)生的方式不同，可分

為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜；按光譜表觀形態(tài)不同，可分為線光譜、帶光

譜和連續(xù)光譜。光譜的研究已成為一門專門的學科，即光譜學。光譜學是研究原

子和分子結構的重要學科。

光學儀器的一種重要元件，由透明物質(zhì)（如玻璃、水晶等）制成。

光線通過透鏡折射后可以成像。按照其形狀或成像要求的不同，透鏡可分為許多

種類，如兩面都磨成球面，或一面是球面另一面是平面的稱“球面透鏡”；兩面 都磨成圓柱面，或一面是圓柱面一面是平面的稱“柱面透鏡”。透鏡一般可分為

凸透鏡和凹透鏡兩大類。

凸透鏡是中央部分較厚的透鏡。凸透鏡分為雙凸、平凸和凹凸

（或正彎月形）等形式，如圖4－9所示。薄凸透鏡有會聚作用故又稱聚光透鏡，較厚的凸透鏡則有望遠、發(fā)散或會聚等作用，這與透鏡的厚度有關。將平行光線

（如陽光）平行于軸（凸透鏡兩個球面的球心的連線稱為此透鏡的主光軸）射入

凸透鏡，光在透鏡的兩面經(jīng)過兩次折射后，集中在軸上的一點，此點叫做凸透鏡 的焦點（記號為F），凸透鏡在鏡的兩側各有一焦點，如為薄透鏡時，此兩焦點

至透鏡中心的距離大致相等。凸透鏡之焦距如圖4－10所示，是指焦點到透鏡中心的距離，通常以f表示。凸透鏡球面半徑越小，焦距越短，凸透鏡可用于放大

鏡、老花眼及遠視的人戴的眼鏡、顯微鏡、望遠鏡的透鏡等。

兩側面均為球面或一側是球面另一側是平面的透明體，中間部

分較薄，稱為四透鏡。分為雙凹、平凹及凸凹透鏡三種，如圖4－11a所示之A、H，稱為主軸，其中央之點O稱B、C。其兩面曲率中心之連線圖4－11b所示之G1 為光心。通過光心的光線，無論來自何方均不折射。圖4－11c表示，平行主軸之光束，照于凹透鏡上折射后向四方發(fā)散，逆其發(fā)散方向的延長線，則均會于與

光源同側之一點F，其折射光線恰如從F點發(fā)出，此點稱為虛焦點。在透鏡兩側

各有一個。凹透鏡又稱為發(fā)散透鏡。四透鏡的焦距，如圖4-12所示。是指由焦點到透鏡中心的距離。透鏡的球面曲率半徑越大其焦距越長，如為薄透鏡，則其

兩側之焦距相等。

人們能感覺到物，是由于物體各點所反射的光，經(jīng)過人眼這個

光學系統(tǒng)（相當一個焦距可調(diào)的凸透鏡）成像于視網(wǎng)膜上，再由視神經(jīng)傳到大腦

而造成視覺，從光學的角度講，物點是發(fā)散光束的頂點，所以物就是由這些發(fā)散

光束頂點的組合而成。如果光束經(jīng)不同媒質(zhì)的界面反射或折射以后，光線的方向

雖然改變了，但反射光線或折射光線所構成的光束仍然有一個頂點“P′”，這 個頂點P′就叫做像點，在這種情況下，每個像點和物點間建立了一一對應的關

系。這些像點的組合就是像。如果光束中各光線確實在某點會聚，那么該會聚光

束的頂點叫做實像；如果光束經(jīng)界面反射或折射后是發(fā)散的，但這些光線反向延

長后，能夠找到光束的頂點，則該發(fā)散發(fā)束的頂點叫做虛像。物和像則是這些光

束頂點的集合。在空間中的物，它向所有方向反光，眼睛無論在何處，只要找對

方向都可以看到物。像則不然，因為平面鏡或透鏡的反射或折射的光束不是向所

有方向，光束總是局限在一定的范圍內(nèi)。如果人眼恰處于光束所在的范圍內(nèi)，便

可看到像，但是當眼睛位于反射或折射光束的范圍之外時，眼睛是看不到像的。

因為這些光束不能進入人的眼睛。

物體發(fā)出的光線經(jīng)過光具組（如反射鏡、透鏡組等）反射

或折射后，重新會聚而造成的與原物相似的圖景，實像可以顯映在屏幕上，能使

照像底片感光。攝影或放映電影都必須利用實像。若物體發(fā)出的光線經(jīng)光具組反

射或折射后，如為發(fā)散光線，則它們反向的延長線（虛光線）相交時所形成的像 稱為“虛像”。虛像不能顯映在屏幕上，也不能使照像底片感光，只能用人眼觀

察到。在放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等光學儀器中觀察到的像都是虛像。在光具組中，常按不同的要求使幾個透鏡來達到成像的目的，以

兩個透鏡為例，如果第一個透鏡所形成的實像位于第二個透鏡的后面，則對第二

個透鏡來說，這像就稱為“虛物”。

在研究透鏡成象光學中有幾個重要的特定名稱。它們

是：（1）主光軸它是連接透鏡兩球面曲率中心的直線。（2）副光軸——通過光

心的任意直線。所以副光軸有無數(shù)條。（3）光心——透鏡主軸上的一個特殊點。通過光心的光線，其出射方向和入射方向互相平行，但可有旁向的平行位移，對

薄透鏡一般認為其方向不變。薄透鏡的中心可以近似地當作光心，射向薄透鏡中

心的光線可認為無折射地通過。（4）焦點——平行光束經(jīng)透鏡折射或曲面鏡反射后的交點。有實焦點和虛焦點兩類。薄透鏡兩邊的焦點對稱。而一般透鏡的第

一焦點（物方焦點）和第二焦點（像方焦點）不對稱。（5）主焦點——平行于

透鏡的主光軸的平行光束，經(jīng)反射或折射后和主光軸相交的點。（6）副焦點—

—平行于跟主光軸夾角不大的副光軸的光線，經(jīng)透鏡折射后會聚（或發(fā)散光線的 反方向的延長線）于該副光軸上的一點。副焦點都處在焦平面上。（7）焦平面——通過透鏡（球面鏡）主焦點并和主光軸垂直的平面。和主光軸成任意角度的

平行光線經(jīng)折射后相交的交點，均處于焦平面上。（8）焦距——薄透鏡的中心

到焦點之間的距離。（9）焦度——透鏡或透鏡組焦距的倒數(shù)。會聚透鏡的焦度

規(guī)定為正，發(fā)散透鏡的焦度規(guī)定為負。如果焦距用米作單位時，焦度的單位叫做

屈光度；而眼鏡的焦度通常用度作為單位，1度為1屈光度的百分之一。

描述物像位置以及它們和透鏡或透鏡組的特征量之一（焦距）

之間的關系式。對一個薄凸透鏡可以認為是由底面朝向透鏡中央的許多棱鏡的集

合，而這些棱鏡的頂角是很小的，對于頂角很小的棱鏡來說，如果構成棱鏡的材

料的折射率為n，頂角為A，那么在近軸光線的條件下，其偏向角δ為常數(shù)（n-1）A。當棱鏡給定后，近軸光線的偏向角δ是不變的。我們可以利用此關系來推導

薄透鏡的物像公式。如圖4－13a所示，設PM為平行光束所任一條光線在M點入射，而OM=h，則出射光線MF′必通過透鏡的焦點F′，OF′=f，f為透鏡的焦距。根據(jù)近軸光線的條件，即f>>h，偏向角近似為

當主軸的物點P發(fā)出的任一近軸光線PM入射到透鏡的M點時，圖4－13b所示，在理想成像的條件下，出射光線MP′和主軸的交點P′為像點，此時偏向角也應相同。令物距OP=u，像距OP′=v，由圖b中的幾何關系可知

ξ+η=δ

在近軸光線的條件下，可得

該式叫做高斯公式。平面鏡、球面鏡和薄透鏡所形成的像的位置，可以根據(jù) 物像關系式求得，最基本的公式有兩個，即高斯公式

其中u是物距——代表物到透鏡（或面鏡）的距離；v是像距——代表像到透鏡（或面鏡）的距離；f為透鏡的焦距。K是像的橫向放大率。此二關系式對三種光具組都適用。下表表明在三種透鏡中應用情況。

光

具 透鏡 球面鏡平面鏡 公式

焦距 f??

物像公式

橫向放大率 用物像公式進行計算時，應注意關系式中的各項都是代數(shù)值。

因為只有取代數(shù)值，公式才具有普遍意義，否則會造成、凹球面、凸球面、凹透

鏡、凸透鏡的物像公式各不相同，把問題變得復雜。各特定光學量的符號的采用

法則是很重要的，若符號選錯，則所有的計算全都錯了。下面就其應用法則歸納

為：（1）所有距離從光心（或頂點）量起；（2）對于實像v取正值，對于虛像v取負值；對于實物u取正值，對于虛物u取負值；（3）凡已知量，其數(shù)值前必須冠以符號；凡未知量，必須根據(jù)求出的符號來確定物像的性質(zhì)和位置；（4）

會聚透鏡（或凹面鏡）的焦距為正（實焦點）；發(fā)散透鏡（或凸面鏡）的焦距為

負（虛焦點）。物像公式，正確運用符號法則，只要知道物體離開透鏡（或球面

鏡）光心的距離u和焦距f，就可以求出成像的位置、像的性質(zhì)和像的大小。應

該注意的是，在球面反射和薄透鏡折射時，物像公式只有在近軸光線，近軸物的

情況下才適用。因此成像關系式是近似的。

表示物體與第一焦點的距離，而X表示光像與第二焦點 設X12的距離，由圖4－14可以看出，?CC′F～?MOF和?M′OF～?AA′F放大率 2211

即 XX=ff 1212 對于薄透鏡來講，f=f=f，所以有 12 XX=f 122

著，運用時也較方便。

各種透鏡成像作圖中，應注意，實際光線用實線畫出，在每一條光線上還必須標明箭頭，以示光的傳播方向。其輔助線，引伸線通常不

用實線而采用虛線，以免和實際光線混淆。最后，光線作圖法的目的是確定像的

位置、性質(zhì)和大小，因此作圖可在方格紙上完成，圖中標明比例和所有已知量及 待定量的數(shù)值。即稱為按比例成像作圖法。（1）凸透鏡成像作圖——這一作圖

主要是三條光線。如圖4－15所示。其中PF為通過主焦點的入射線經(jīng)透鏡折射

后平行于主軸。而POP′為通過光心的入射線不改變方向。由P點出發(fā)平行于主光軸的入射線折射后通過主焦點。此三條線必交于同一點P′，P′便是P點的像。為了簡便只要用其中的兩條線便可確定像點的位置；（2）凹透鏡成像作圖的三條光線，如圖4－16所示。平行于主軸的入射線，經(jīng)透鏡折射后的出射線的

反向延長線通過和物同側的虛主焦點。由P點射向透鏡另一側虛主焦點的入射 線，折射后平行于主光軸。由P點射出通過光心的線不改變方向。其前兩條線的

反向延長線與第三條線均交于P′點。P′點便是P點的虛像；（3）凸透鏡的任意光線作圖法。如果物點P在主軸上，則上述的三條光線便合為一條而無法作圖，此時像的位置可利用副光軸和焦平面的性質(zhì)來確定。利用第一焦平面的作圖方 法，如圖4－17所示。經(jīng)P點作一條入射光線PO，它沿著主軸方向穿過透鏡方 向不變；經(jīng)P點作一條任意光線PA，交透鏡于A點并與第一焦平面交于B點；作副光軸BO，過A點作和BO平行的線AP′，交主光軸的P′點，P′便是P的像點。同理，也可用第二焦平面作圖，其作法如圖4－18所示。作任意光線PA交透鏡于A點；過透鏡中心O作平行于PA的輔助線OB′，與第二焦平面交于B′點；連接A、B′兩點且延長，與沿主軸的光線交于P′點，則P′點即為所求也像：（4）凹透鏡的任意光線作圖法。利用凹透鏡的副光軸和焦平面作圖，如圖

4－19所示。經(jīng)P點作任意光線PA，交透鏡于A點，經(jīng)透鏡的中心O作平行于PA的副光軸OB′，和第二焦平面交于B′點；連接A、B′兩點，它和延主軸的 光線交于P′，則P′點為所求之像點。

從圖4－20可以看出，隨著物和焦點之間的相對位置 的不同，成像的情況也不同。大致可分為6種情況說明，如圖4－20所示。（1）物位于無窮遠時，則像距v=f，成實像，放大率K=0。可用于測定焦距；（2）當?＞u＞2f時，像的位置f＜v＜2f，這時是倒立實像，放大率K＜1。眼睛、照像機均相當于這種成像關系；（3）當u=2f時，v=2f，這時是倒立實像，放大率

K=1，即物像的大小相等；（4）2f＞u＞f時，2f＜v＜?，倒立實像，K＞1，放大像?；脽魴C，顯微鏡，均是這種成像關系；（5）u=f時，則v??這時無像，這時K??放大，探照燈是這種光學關系；（6）f＞u＞0時，v＜O，正立虛像，K＞1放大，放大鏡是這種光學成像關系。圖中的2、3、4、5、6各種情況，分別代表（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）所說之情況。

凹透鏡所成的像，無論物體的位置在焦點以外還是

焦點以內(nèi)，它經(jīng)凹透鏡折射后，所成的像，都是縮小的，正立的虛像。像和物在

透鏡的同側。因此它的成像規(guī)律，不同于凸透鏡那樣復雜。如圖4－21所示。

人的眼睛是一個光學系統(tǒng)。它的構造可以簡化為一個單凸透鏡和

一個屏幕。從物體的兩端反射出的兩條光線對眼睛的光心點所張的角，叫做視角。

物體越小或距離越遠，視角越小。觀察很小或很遠的物體，常使用放大鏡、顯微

鏡和望遠鏡等以增大射角。不是在任何距離處的物體人眼都能看清楚。眼睛能看

清物體必要的條件是：（1）物體的像不但要落在視網(wǎng)膜上，并用要落在黃斑中

央的中央凹處；（2）像應該有一定的照度。進入眼中的光通量是由瞳孔自行調(diào)

節(jié)，達到一定照度。這一照度是在視網(wǎng)膜透應機能范圍之內(nèi)；（3）視角一般不

能小于1′（長1厘米的線段在距眼睛34米處的視角約為1′）。由眼睛的調(diào)節(jié)作用（或稱調(diào)焦）所能看得清楚的最遠和最近兩點，分別叫做遠點和近點。正常 眼睛遠點在無窮遠處，近點在10厘米到15厘米處。在適當?shù)恼斩认?，物體離開眼睛25厘米時，在視網(wǎng)膜上造成的像最清晰，并且看起來不易感到疲勞，這個

距離叫做明視距離。人的眼睛就是一個透鏡系統(tǒng)。外界的景物通過成像在視網(wǎng)膜

上而被視覺神經(jīng)所感受。

遠處物體無法成像于視網(wǎng)膜上，而在網(wǎng)膜前，這時要帶近視鏡。

這是由于近視眼的晶狀體比正常眼睛凸一些，或視網(wǎng)膜距晶狀體的距離過遠，所

以造成遠處的平行光不能會聚在視網(wǎng)膜上，而會聚在視網(wǎng)膜之前，這說明近視眼 的遠點不在遠窮遠處。故不能看清遠處物體，只能看清一定距離內(nèi)的物體。為了

矯正近視眼，應采用凹透鏡制成的眼鏡，使光通過眼鏡先發(fā)散，再通過晶狀體會

聚，使會聚點后移到視網(wǎng)膜上。

無窮遠處的物體所成的像只能在視網(wǎng)膜后面。這是由于視網(wǎng)膜到

晶狀體的距離過近，或晶狀體比正常人眼扁平所致。遠視眼的近點比正常人眼遠，所以視力范圍比正常人眼小。矯正遠視眼的方法是用凸透鏡做眼鏡，使光線在進

入眼睛之前，先由凸透鏡會聚，以達到使會聚點移前而達到視網(wǎng)膜上。用以矯正視力或保護眼睛的簡單光學器件。由鏡片（一般為透鏡）和鏡架組成。矯正視力的眼鏡可分為三種：（1）近視眼鏡：由凹透鏡制成，能把原先落在視網(wǎng)膜前的像移后到視網(wǎng)膜上；（2）遠視眼鏡和老光眼鏡：由凸透鏡制成，能把原先落在視網(wǎng)膜后的像移前到視網(wǎng)膜上；（3）散光眼鏡：由球柱面透鏡或復曲面透鏡制成，以矯正由于角膜各方向曲率不同所引起的像散。保護

眼睛用的眼鏡有防護鏡、防風鏡和太陽鏡等，用以保護眼睛免受灼傷、暴風襲擊、強烈紫達線輻射和紅外線的刺激，以及防止強光刺激等。

顯微鏡為一使微小物構成放大虛像的透鏡系統(tǒng)。最簡單之顯微鏡

為單顯微鏡，系一收斂透鏡，俗稱放大鏡。通常我們所說的顯微鏡是指復顯微鏡 的簡稱，用以觀察極微小的物體。顯微鏡是1610年伽利略發(fā)明的。其最簡單的型式只包括兩個凸透鏡，用一個直立金屬圓筒，上下兩端各裝一個焦距極短的物

鏡和一個焦距較長的目鏡，為了消除像差，實際上二透鏡均已各由數(shù)個透鏡組合

所取代。圖4-22是以基本的單片透鏡構造說明顯微鏡的工作原理。物體置于物

鏡焦點稍外，得到倒立放大實像于目鏡的焦點稍內(nèi)處；再經(jīng)目鏡折射產(chǎn)生放大虛

像于明視距離處。顯微鏡的放大率為m，在明視距離D處的虛像對眼睛所張的視角為β，并設物體置于D距離處，直接看物的視角為α，則β與α之比值等于顯

微鏡的放大率即m=β/α。求得虛像與物體的大小之比，則可求得顯

顯微鏡的放大率是目鏡與物鏡放大率的乘積

因物鏡的放大率，通常為5～40倍，目鏡約為3～20倍，所以一般顯微鏡的放大率最大約為800倍。如果選用放大倍數(shù)更大的物鏡時，必須在物體與物鏡之

間，充以折射率與透鏡接近的油，這種鏡頭叫做油浸鏡頭，利用油浸鏡頭可使放

大倍數(shù)達2000倍。最近又發(fā)明一種激光斷層共軛掃描顯微鏡，使放大倍數(shù)又大

大地提高。

用以觀測遠處物體或天體的光學儀器。通常的望遠鏡是由兩組膠

合透鏡構成。每一組膠合透鏡都相當一個凸透鏡。簡單的一種結構：可于一圓筒

一端裝一個物鏡——焦距較長的凸透鏡，另一端插入一較小的圓筒，可以自由在

大筒中前后移動，小圓筒外端裝一目鏡——焦距較短的凸透鏡，也可作成雙筒（即

由兩個裝有物鏡和目鏡的圓筒構成）。兩目鏡間的距離可以調(diào)節(jié)，兩筒可使兩眼

同時觀察，從而獲得立體感。從遠處物體來的光，經(jīng)物鏡折射后造成物體的倒像，將小圓筒伸縮調(diào)節(jié)，而由目鏡將物鏡所成的像加以放大，以便觀察。用以觀察地 上遠處物體的望遠鏡有伽利略望遠鏡、觀劇鏡、棱鏡望遠鏡等類型，均成正像。

用以觀測天體的望遠鏡稱天文望遠鏡，一般均成倒像。按光在望遠鏡中的路線分，又有折射望遠鏡（亦稱開普勒望遠鏡）、反射望遠鏡、雙筒望遠鏡等幾種。具有

正像透鏡裝置的折射望遠鏡亦稱“地上望遠鏡”。本世紀30年代發(fā)現(xiàn)天體也發(fā)

出無線電輻射。用以接收和測量天體無線電輻射的儀器稱為射電望遠鏡，也是天

文望遠鏡的一種。由于開普勒望遠鏡的鏡筒較長，攜帶不便；故往往在物鏡和目

鏡之間加裝一對全反射棱鏡，使入射光線在鏡筒中經(jīng)過多次全反射，以減短筒的

長度，同時可以將物鏡所成的倒像再倒轉(zhuǎn)過來而成正像。這種裝置便稱為棱鏡望

遠鏡，它的視野較大。棱鏡望遠鏡常用于航海、軍事窺測和野外觀察等。開普勒

后，在其焦望遠鏡的原理如圖4-23所示。從遠處物體射來的光線，經(jīng)過物鏡L1 點以外距焦點很近的地方成一倒立縮小的實像。調(diào)節(jié)目鏡L與物鏡L的距離使21 L的前焦點和物鏡的焦點重合，所以實像的A′B′位于L和它的焦點之間，但22 距焦點很近的地方，L以A′B′為物，形成放大的虛像A″B″。這時觀測者所2 看到的就是A″B″。A″B″的視角遠大于直接用眼睛看遠處物體的視角，因此 從望遠鏡中看到的物體使人覺得離自己既近而又清楚。對于觀測天體的天文望遠

鏡，它的聚光本領很大，能看到很遠的天體。天文望遠鏡分為折射式、反射式和

折反射式三種。由物鏡造成的天體實像可用目鏡觀測，天文望遠鏡的口徑應盡量

大一些，這樣進入鏡中的光就多一些，所成的像就越明亮清晰，我國最大的天文

望遠鏡口徑為2.16米。望遠鏡種類很多，但基本原理還是光的折射和反射。用

其觀察遠物時，使視角變大。

又名“無線電望遠鏡”。專門用來接收由天體發(fā)來的無線電

波的儀器。主要由天線和接收機兩部分構成。天線用來接收天體發(fā)射的無線電波，相當于光學望遠鏡的物鏡。天線類型很多。由許多作為半波振子的金屬棒構成的，稱為“振子天線”，專用于米波波段無線電波的接收。有的天線則成拋物面形狀，稱為“拋物面天線”，無線電波的探測器就裝在拋物面的焦點上。它主要用于分

米、厘米和毫米波波段無線電波的接收。天線和接收機用傳輸線聯(lián)接起來。接收

機先把由天線傳來的高頻信號放大，然后加以檢濾，再把高頻電信號變成可用儀

表測量和記錄的低頻電信號，或變成直接進行照相的圖形。因為無線電波可以穿

過云霧和塵埃，因此用射電望遠鏡能不分睛雨晝夜連續(xù)進行觀測；對于那些難以

用光學望遠鏡觀測的天體和宇宙空間，利用射電望遠鏡便可進行探測研究。關于光的本性的一種學說。第一位提出光的波動說的是與牛

頓同時代的荷蘭人惠更斯。他在17世紀創(chuàng)立了光的波動學說，與光的微粒學說相對立。他認為光是一種波動，由發(fā)光體引起，和聲一樣依靠媒質(zhì)來傳播。這種

學說直到19世紀初當光的干涉和衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后才得到廣泛承認。19世紀后

期，在電磁學的發(fā)展中又確定了光實際上是一種電磁波，并不是同聲波一樣的機

械波。19世紀60年代英國物理學家麥克斯韋在理論研究中發(fā)現(xiàn)，振動著的電荷

或迅速交變的電流都會激起其周圍的電磁場，并以波的形式向外傳播，其傳播速 度與光速相同，從而提出光是電磁波的假說。1888年德國物理學家赫茲用實驗證明了電磁波的存在，從此奠定了光的電磁理論。這一理論能夠說明光的傳播、干射、衍射、散射、偏振等許多現(xiàn)象。但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量

子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，所以還需要近代的量子理論來補充。

關于光的本性的一種學說。17世紀曾為牛頓等所提倡。這種學說認為光由光源發(fā)出的微粒、它從光源沿直線行進至被照物，因此可以想像

為一束由發(fā)光體射向被照物的高速微粒。這學說很直觀地解釋了光的直進及反射

折射等現(xiàn)象，曾被普遍接受；直到19世紀初光的干涉等現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，才被波動

說所推翻。但在19世紀末和20世紀初，許多有關光和物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象，如

光電效應，不能用波動說來解釋，這促使愛因斯坦于1905年提出光是一種具有粒子性的實物（光子）。但這觀念并不摒棄光具有波動性質(zhì)。這種關于光的波粒

二象性的認識，是量子理論的基礎。

光量子之簡稱?；玖Ｗ拥囊环N，光子不顯電性。光子的能量是量

子化的。1905年愛因斯坦在解釋光電效應時首次指出了光子的存在，從而揭示 了光的波粒二象性。真空中的光子在不同參照系中都以光速c運動。如果光的頻

2率為γ，則光子的能量為hγ（h為普朗克常數(shù)，動量為hγ/c，質(zhì)量為hγ/c）。

但其靜止質(zhì)量為零。

發(fā)出具有相同頻率、相同振動方向和恒定相位差的兩列（或兩列以 上）波在空間迭加時，在交迭區(qū)的不同地點加強或減弱的現(xiàn)象。這是波的一個重

要特性。波在交迭的區(qū)域中，有些地方振動被加強，有些地方振動被減弱，形成

明暗相間的“干涉圖樣”。水波的干涉是常見的現(xiàn)象。單色光波的干涉圖樣是明

暗相間的條紋，復色光產(chǎn)生彩色條紋。利用光的干涉，可以精確地進行長度測量，以及檢查表面的平滑程度等。利用電磁波的干涉，可作成定向發(fā)射天線。顯然聲

波也可產(chǎn)生干涉。

兩列或多列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。在一般的情況下兩個獨

立光源向空間的一個區(qū)域發(fā)出光波時不能發(fā)生干涉。不發(fā)生干涉的兩個光源，只

說明它們沒有發(fā)出相干涉。通常的獨立光源不相干的原因是：光的輻射一般是由

原子的外層電子激發(fā)后自動回到正常狀態(tài)以光的形式把能量放出所形成的。由于

輻射原子的能量損失，加上和周圍原子的相互作用，個別原子的輻射過程是雜亂

無章而且常常中斷，持續(xù)時間甚短，即使在極度稀薄的氣體發(fā)光情況下，和周圍-3原子的相互作用已減至最弱，而單個原子輻射的持續(xù)時間也不超過10秒。當某

個原子輻射中斷后，它自身或者其他的原子又受到激發(fā)重新輻射，但卻具有新的

初位相。這就是說，原子輻射的光波并不是一列連續(xù)不斷、振幅和頻率都不隨時

間變化的簡諧波，即不是理想的單色光。此外，不同原子輻射的光波波列的初相

位之間也是沒有一定關系和規(guī)律。這些斷續(xù)、或長或短、初位相不規(guī)則的波列的

總體，構成了非相干的光波。由于原子輻射的這種復雜性，在不同瞬時迭加所得 的干涉圖樣變化得如此之快和如此地不規(guī)則，以致這種短暫的干涉現(xiàn)象無法觀 測。從微觀上看，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是從宏

觀上看，干涉現(xiàn)象卻是大量光子各自干涉結果的統(tǒng)計平均效應。故實際的光的干

涉對光源的要求也不是那么苛刻。由于60年代激光的問世，使光源的相干性大大提高，同時快速光電探測儀器的出現(xiàn)，探測儀器的時間響應常數(shù)縮短，以至可

-3－9～10以觀察到兩個獨立光源的干涉現(xiàn)象。1963年瑪格亞和慢德用時間常數(shù)10 秒的變象管拍攝了兩個獨立的紅寶石激光器發(fā)出的激光的干涉條紋?？赡恳暦直?的干涉條紋有23條。對于普通的光源，保證相位差恒定是實現(xiàn)相干的關鍵。為

了解決發(fā)光機制中初相位的無規(guī)則迅速變化和干涉條紋的形成要求相位差恒定 的矛盾，可采用把同一原子所發(fā)出的光波分解成兩列或幾列，使各分光束經(jīng)過不

同的光程，然后相遇，這樣，盡管原始光源的初相位頻繁變化，分光束之間仍然

可能有恒定的相位差，因此可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通常用兩種方法實現(xiàn)這種分解：

（1）分波陣面法——將光源的波陣面分為兩部分，使之分別通過兩個光具組，經(jīng)反射、折射或衍射后交迭起來，在一定區(qū)域形成干涉。由于波陣面上任何一部

分都可以看成為新光源，而且同一波陣面的各個部分有相同的位相，所以這些被

分離出來的部分波陣面可作為初相位相同的光源，不論點光源的位相改變得如何

快，這些光源的初相位差卻是恒定的，楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡等都是

產(chǎn)生這類分波陣面的干涉裝置。（2）分振幅法——當一光束投射到兩種透明媒質(zhì)的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。之方法叫做分振幅法。最簡單 的分振幅干涉裝置是薄膜，它是利用薄膜的上下表面對入射光反復地反射，由這 些反射光波在空間相遇而形成的干涉現(xiàn)象。由于薄膜的上下表面的反射光來自同

一入射光的兩部分，只是經(jīng)歷不同的路徑而有恒定的相位差，因此它們是相干光。

另一種重要的分振幅干涉裝置，是萬克耳孫干涉儀。光的干涉現(xiàn)象是光的波動性 的最直接、最有力的實驗證據(jù)。光的干涉現(xiàn)象是牛頓微粒模型根本無法解釋的，只有用波動說才能圓滿地解釋這一現(xiàn)象。

楊格于1801年設法穩(wěn)定兩光源之相位差，首次做出可見光之干涉實驗，并由此求出可見光波之波長。其方法是，使太陽光通過一擋板上

之小孔使成單一光源，再使此單一光源射到另一擋板上，此板上有兩相隔很近的

小孔，且各與單光源等距離，則此兩同相位之兩光源在屏幕上形成干涉條紋。因

為通過第二擋板上兩小孔之光因來自同一光源，故其波長相等，并且維持一定的 相位關系（一般均維持同相），因而能在屏幕上形成固定不變的干涉條紋。若X 為屏幕上某一明（或暗）條紋與中心點O的距離，D為雙孔所在面與屏幕之間的，S間之距離（通常小于1毫米），λ為S光源及副光源距離，2a為兩針孔S12 S、S所發(fā)出的光之波長。兩光源發(fā)出的兩列光源必然在空間相迭加，在傳播中12 兩波各有各的波峰和波谷。當兩列波的波峰和波峰或波谷和波谷相重疊之點必為

亮點。這些亮點至S與S的光程差必為波長λ的整數(shù)倍。在兩列波的波峰與波12 谷相重疊之點必為暗點，這些暗點至S與 1

涉條紋如圖4-24所示，它是以P點為對稱點而明暗相間的條紋。P點處的00 中央條紋是明條紋。當用不同的單色光源作實驗時，各明暗條紋的間距并不相同。

波長較短的單色光如紫光，條紋較密；波長較長的單色光如紅光，條紋較稀。另

外，如果用白光作實驗，在屏幕上只有中央條紋是白色的。在中央白色條紋的兩

側，由于各單色光的明暗條紋的位置不同，形成由紫而紅的彩色條紋。干涉明暗

第二篇：光學鏡頭基礎知識

光學鏡頭基礎知識

這是很久以前系統(tǒng)集成時總結的一點心得體會與大家分享。光學鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件,直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實現(xiàn)和效果。另外爭取選折合適的鏡頭，降低機器視覺系統(tǒng)成本，才是產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)達的唯一出路。光學鏡頭規(guī)格繁多，有時不免頭暈。光學鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中焦鏡頭，長焦鏡頭；從視場大小分有廣角、標準，遠攝鏡頭；結構上分有固定光圈定焦鏡頭，手動光圈定焦鏡頭，自動光圈定焦鏡頭，手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭，自動光圈電動變焦鏡頭，電動三可變（光圈、焦距、聚焦均可變）鏡頭等。根據(jù)我們使用的經(jīng)驗，俄羅斯的光學鏡頭很便宜。分類

結構上分

固定光圈定焦鏡頭

簡單。鏡頭只有一個可以手動調(diào)整的對焦調(diào)整環(huán)，左右旋轉(zhuǎn)該環(huán)可使成像在CCD靶面上的圖像最清晰。沒有光圈調(diào)整環(huán)，光圈不能調(diào)整，進入鏡頭的光通量不能通過改變鏡頭因素而改變，只能通過改變視場的光照度來調(diào)整。結構簡單，價格便宜。手動光圈定焦鏡頭

手動光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調(diào)整環(huán)，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關閉，能方便地適應被被攝現(xiàn)場地光照度，光圈調(diào)整是通過手動人為進行的。光照度比較均勻，價格較便宜。自動光圈定焦鏡頭

在手動光圈定焦鏡頭的光圈調(diào)整環(huán)上增加一個齒輪合傳動的微型電機，并從驅(qū)動電路引出3或4芯屏蔽線，接到攝像機自動光圈接口座上。當進入鏡頭的光通量變化時，攝像機CCD靶面產(chǎn)生的電荷發(fā)生相應的變化，從而使視頻信號電平發(fā)生變化，產(chǎn)生一個控制信號，傳給自動光圈鏡頭，從而使鏡頭內(nèi)的電機做相應的正向或反向轉(zhuǎn)動，完成調(diào)整大小的任務。

4手動光圈定焦鏡頭

焦距可變的，有一個焦距調(diào)整環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整鏡頭的焦距，其可變比一般為2～3倍，焦距一般為3.6~8mm。實際應用中，可通過手動調(diào)節(jié)鏡頭的變焦環(huán)，可以方便地選擇被監(jiān)視地市場的市場角。但是當攝像機安裝位置固定下以后，在頻繁地手動調(diào)整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動變焦鏡頭的焦距一般很少調(diào)整。僅起定焦鏡頭的作用。

5自動光圈電動變焦鏡頭

與自動光圈定焦鏡頭相比增加了兩個微型電機，其中一個電機與鏡頭的變焦環(huán)合，當其轉(zhuǎn)動時可以控制鏡頭的焦距；另一電機與鏡頭的對焦環(huán)合，當其受控轉(zhuǎn)動時可完成鏡頭的對焦。但是，由于增加了兩個電機且鏡片組數(shù)增多，鏡頭的體積也相應增大。6電動三可變鏡頭 與自動光圈電動變焦鏡頭相比，只是將對光圈調(diào)整電機的控制由自動控制改為由控制器來手動控制。

場合上分：

按視場大小分為：小視場鏡頭，普通鏡頭（約50度左右），廣角鏡頭和特廣角鏡頭（100－120度）標準鏡頭：視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉(zhuǎn)動的情況下所能看到的視角，所以又稱為標準鏡頭。5mm相機的標準鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機的標準鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標準鏡頭的焦距越長。

２、廣角鏡頭：視角90度以上，適用於拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現(xiàn)強烈遠近感即透視。35mm相機的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機的50，40mm的鏡頭便相當于35mm相機的35，28mm的鏡頭．

３、長焦距鏡頭：適于拍攝距離遠的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對動態(tài)主體對焦不易。35mm相機長焦距鏡頭通常分為三級，135mm以下稱中焦距，135－500mm稱長焦距，500mm 以上稱超長焦距。120相機的150mm的鏡頭相當于35mm相機的105mm鏡頭。由於長焦距的鏡頭過于笨重，所以有望遠鏡頭的設計，即在鏡頭后面加一負透鏡，把鏡頭的主平面前移，便可用較短的鏡體獲得鏡體獲得長焦距的效果。

４、反射式望遠鏡頭：是另一種超望遠鏡頭的設計，利用反射鏡面來構成影像，但因設計的關系無法裝設光圈，僅能以快門來調(diào)整曝光。

５、微距鏡頭（marco lens）：除作極近距離的微距攝影外，也可遠攝。接口類型來分C型鏡頭

法蘭焦距是安裝法蘭到入射鏡頭的平行光的匯聚點之間的距離。法蘭焦距為17.526mm 或0.690in。安裝羅紋為：直徑1in，32牙.in。鏡頭可以用在長度為0.512in(13mm)以內(nèi)的線陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場角特性，必須鑒別短焦鏡頭是否合用。如焦距為12.6mm的鏡頭不應該用長度大于6.5mm的線陣。如果利用法蘭焦距尺寸確定了鏡頭到列陣的距離，則對于物方放大倍數(shù)小于20倍時需增加鏡頭接圈。接圈加在鏡頭后面，以增加鏡頭到像的距離，以為多數(shù)鏡頭的聚焦范圍位5－10％。鏡頭接長距離為焦距/物方放大倍數(shù)。CS型鏡頭

With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera.U型鏡頭

一種可變焦距的鏡頭，其法蘭焦距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要設計作35mm照片應用（如國產(chǎn)和進口的各種135相機鏡頭），可用于任何長度小于1.25in(38.1mm)的列陣。建議不要用短焦距鏡頭。4 42mm 鏡頭 3 L型鏡頭 固定焦距寬視場鏡頭，最初設計作照相放大作用（如國產(chǎn)各種放大機鏡頭），且在2.25in(63.5mm)視場內(nèi)具有良好的特性。法蘭焦距是具體鏡頭的函數(shù)。安裝螺紋為M39×1.0?？捎糜陂L度為1.25in(35.1)以內(nèi)的列陣，且不受限制。

第三篇：杜呵呵光學基礎知識總結

杜呵呵光學基礎知識總結

光學基本定律：

– 光學三大定律：折射、反射、直線傳播

–光圈 景深 數(shù)值孔徑NA 色散 EFL、FNO.、BFL、FFL、光闌、FOV、相對照度、MTF 阿貝爾數(shù) MTF、空間頻率 子午平面(meridional)弧失平面 – MTF曲線、離焦曲線，理解空間頻率 – MTF、空間頻率、TV分辨率三者關系

–費馬原理 斯涅爾定律 惠更斯定律 惠更斯-菲涅耳原理 夫瑯禾費衍射 – 光通量 光強 光照度 輝度

–球差，慧差 像散 場曲 畸變 垂軸色差 軸向色差 –對焦 調(diào)焦 成像公式 物像公式 幾何公式

光學(optics)是研究 光（電磁波）的 行為 和 性質(zhì)，以及 光和物質(zhì)相互作用 的物理學科

光圈：是照相機上用來控制鏡頭孔徑大小的部件，以控制景深、鏡頭成像質(zhì)素、以及和快門協(xié)同控制進光量，在快門不變的情況下，光圈越大，進光量越多，畫面比較亮；光圈越小，畫面比較暗。

景深：是指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。

(1)、鏡頭光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、鏡頭焦距越長，景深越??；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。

數(shù)值孔徑(NA)：NA = n * sin α，其中 n 是被觀察物體與物鏡之間介質(zhì)的折射率;α 是物鏡孔徑角(2α)的一半。數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術參數(shù)，是判斷兩者(尤其對物鏡而言)性能高低(即消位置色差的能力。

色散：材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增大）而減小的性質(zhì)。七色光。對于一枚鏡頭而言，不同色光的焦點位置實際上是不一樣。

阿貝數(shù)：用以表示透明物質(zhì)色散能力的反比例指數(shù)，數(shù)值越小色散現(xiàn)象越厲害。材料的折射率越大，色散越厲害，即阿貝數(shù)越低。

費馬原理：光在任意介質(zhì)中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。又稱最小時間原理或極短光程原理。

斯涅爾定律 Snell's Law(光的折射定律）:光入射到不同介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射。n1sinθ1 = n2sinθ2叫斯涅爾公式?；莞乖恚呵蛐尾嫔系拿恳稽c（面源）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡就是該時刻總的波動的波面。其核心思想是：介質(zhì)中任一處的波動狀態(tài)是由各處的波動決定的。

惠更斯-菲涅耳原理 Huggens-Fresnel principle：行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發(fā)出的許多次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內(nèi)所傳播到的新波面。

夫瑯禾費衍射 ：把單色點光源放在透鏡的焦點上，經(jīng)過透鏡后的單色平行光垂直照射衍射屏時，在屏后面不同距離上會觀察到一些衍射現(xiàn)象，其中當屏遠離到足夠大的距離后，光斑中心出現(xiàn)一個較大的亮斑，外圍是一些較弱的明暗相間的同心圓環(huán)，此后再往外移動，衍射花樣出現(xiàn)穩(wěn)定分布，中心處總是亮的，只是半徑不斷擴大而已，這種衍射稱為夫瑯禾費衍射，又稱遠場衍射。

光通量Φ： 單位：流明[lm]，光源發(fā)射并被人的眼睛接收的能量之總和即為光通量（Φ）。光強；單位：坎德拉[cd]：一般來講，光線都是向不同方向發(fā)射的，并且強度各異?？梢姽庠谀骋惶囟ǚ较蚪莾?nèi)所發(fā)射的強度就叫做光強（l）。

照度E:單位：勒克司[lx],照度（E）是光通量與被照射面積之間的比例系數(shù)。1 lx即指1 lm的光通量平均分布在面積lm2平面上的明亮度。

輝度L：單位：坎德拉/平方米[cd/m2]：輝度（L）是表示眼睛從某一方向所看到物體反射光的強度

色溫:單位開爾文[K]:,當光源所發(fā)出的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時，“黑體”的溫度就稱為該光源的色溫。“黑體”的溫度越高，EFL 與FOV 焦距越短，視場角越大，放大倍率越小，監(jiān)控范圍越大，反之視場角越小，放大倍率越大，監(jiān)控畫面中人越大。

FNO=EFL(焦距)/D(光圈直徑)： 對于定焦鏡頭（光圈直徑）越大，通光量就越大； MB---機械后焦，指鏡頭最后的機械面到像面的距離，BF---光學后焦，指鏡頭最后一片鏡片最后一面中心點 到像面的距離。

FB---法蘭后焦，鏡頭法蘭面到像面的距離。MTF可以近似理解為黑白線條的對比度，最大值為1； 芯片的極限分辨率=2倍的pixel size分之一，單位為lp/mm 焦深越大，鏡頭聚焦越容易。

子午平面(meridional)： 軸外物點與光軸所確定的平面 弧矢平面(sagittal)：過 主光線 且與子午面垂直

像差：

球差，慧差，像散，場曲，畸變，軸向色差，垂軸色差。產(chǎn)生的原因： 1.球面折射系統(tǒng)的特性

2.不同孔徑入射光線像的位置不同 3.不同視場的成像倍率不同 4.子午、弧矢面成像性質(zhì)不同 5.相同光學介質(zhì)對不同波長的色光折射率不同

只考慮球差展開式前 2項的系統(tǒng)，當邊緣球差為零時，在0.707 位置殘余球差最大 為高級球差的-1/4。

球差：是高度 或者孔徑角 的函數(shù) 1.球差的對稱性－函數(shù)不含奇次項 2.孔徑?。跫壡虿顬橹饕绊?3.孔徑大－高級球差為主要影響

4.正單透鏡產(chǎn)生負球差，負單透鏡產(chǎn)生正球差 三對不產(chǎn)生像差的共軛點稱為 不暈點 或者 齊明點

彗差（coma）：彗差是孔徑和視場的函數(shù)

1.在子午面和弧矢面內(nèi)用不同孔徑的光線對在像空間的交點到主光線的垂直距離。子午彗差：子午面內(nèi)的光線對交點到主光線的垂直距離 弧矢彗差：弧矢面內(nèi)的光線對交點到主光線的垂直距離

在實際光學設計中，一般物點所成像偏離對稱光斑的情況都是光學系統(tǒng)的彗差（正弦差）造成 像散：

由于軸外物點偏離軸對稱位置，細光束中也會表現(xiàn)出子午和弧矢的成像差別，使得子午像點與弧矢像點不重合。即一個物點的成像將被聚焦為子午和弧矢兩個焦線，這種像差我們稱為——像散。

場曲：像場彎曲的簡稱，是平面物形成曲面像的一種像差

畸變（distortion）:垂軸放大率隨視場增大而變化, 枕形畸變（pincushion）－正畸變,桶形畸變（barrel）－負畸變, 畸變僅由主光線光路決定，引起像的變形，不影響成像清晰度,光闌位置影響畸變,透鏡之前產(chǎn)生負畸變,透鏡之后產(chǎn)生正畸變。

色差－軸向色差:沿光軸度量的色差

色差同時存在于近軸和遠軸區(qū)域，一般情況下，正透鏡產(chǎn)生負色差，負透鏡產(chǎn)生正 色差，所以，光學系統(tǒng)校正色差須用正負透鏡組合。

色差－垂軸色差:波長 → 折射率 → 焦距 → 放大倍數(shù) → 垂軸色差（倍率色差）兩種色光的主光線在高斯面上的交點高度之差。

變焦（zoom）：改變焦距f也改變了鏡頭的視場，原理是在鏡頭中加一組活動的透鏡。調(diào)焦（Focus）改變像距v，即改變鏡頭光心到sensor平面的距離。變焦鏡頭原理圖：

成像公式：1/u+1/v=1/f, 其中u是物距，v是像距，f是焦距。物像計算公式：f=h D/H，D：物距 h：象高 H：物高。

電視線：TV Line = lp/mm x 2 x 傳感器的靶面高度 = lp/mm x 2 x 傳感器垂直分辨率 x 像素點尺寸 幾何光學公式：

幾何光學公式.pdf

第四篇：光學知識

光學知識：

1.色溫

定義：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。

色溫度以絕對溫度 K 來表示，是將一標準黑體（例如鉑）加熱，溫度升高至某一程度時顏色開始由紅、橙、黃、綠、藍、靛（藍紫）、紫，逐漸改變，利用這種光色變化的特性，其光源的光色與黑體的光色相同時，我們將黑體當時的溫度稱之為該光源的色溫度。以絕對溫K(Kelvin，或稱開氏溫度)為單位(K=℃+273.15)。因此，黑體加熱至呈紅色時溫度約527℃即800K，其溫度影響光色變化。

光色愈偏藍，色溫愈高；偏紅則色溫愈低。一天當中光的光色亦隨時間變化：日出后40分鐘光色較黃，色溫約3000K；正午陽光雪白，上升至4800-5800K，陰天正午時分則約6500K；日落前光色偏紅，色溫又降至約2200K。因相關色溫度事實上是以黑體輻射接近光源光色時，對該光源光色表現(xiàn)的評價值，并非一種精確的顏色對比，故具有相同色溫值的兩種光源，可能在光色外觀上仍有些許差異。僅憑色溫無法了解光源對物體的顯色能力，或在該光源下物體顏色的再現(xiàn)程度如何。

黑體的溫度越高，光譜中藍色的成份則越多，而紅色的成份則越少。例如，白熾燈的光色是暖白色，其色溫表示為2700K，而日光色熒光燈的色溫表示方法則是6000K。北方晴空 8000-8500k

陰天 6500-7500k

夏日正午陽光 5500k

金屬鹵化物燈4000-4600k

下午日光 4000k

冷色熒光燈 4000-5000k

高壓汞燈 3450-3750k

暖色熒光燈 2500-3000k

鹵素燈 3000k

鎢絲燈 2700k

高壓鈉燈 1950-2250k

蠟燭光 2000k

一些常用光源的色溫為：標準燭光為1930K（開爾文溫度單位）；鎢絲燈為2760-2900K；熒光燈為3000K；閃光燈為3800K；中午陽光為5600K；電子閃光燈為6000K；藍天為12000-18000K。

光源色溫不同，光色也不同，色溫在3300K以下有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的感覺；色溫在3000--5000K為中間色溫,有爽快的感覺；色溫在5000K以上有冷的感覺，不同光源的不同光色組成最佳環(huán)境。

<3300K 溫暖（帶紅的白色）穩(wěn)重、溫暖

3000－5000K 中間（白色）爽快

>5000K 清涼型（帶藍的白色）冷

色溫與亮度：高色溫光源照射下，如亮度不高則給人們有一種陰冷的氣氛；低色溫光源照射下，亮度過高會給人們有一種悶熱感覺。

光色的對比：在同一空間使用兩種光色差很大的光源，其對比將會出現(xiàn)層次效果，光色對比大時，在獲得亮度層次的同時，又可獲得光色的層次。

亮度：指的是人在看到光源時，眼睛感覺到的光亮度。亮度高低決定于光源產(chǎn)生光的能力。亮度符號 L，單位nite（cd/m2），其中cd為光強的單位，1cd代表1燭光，即一根標準蠟燭的發(fā)光能力。單位面積上的燭光越多，則代表發(fā)光能力越強，亮度越高

照度：指的是光源照射到周圍空間或地面上，單位被照射面積上的光通量。照度符號 E，單位LUX(lm/m2)，其中l(wèi)m是光通量的單位，1lm代表1cd的光源在一個單位立體角內(nèi)的光通量。單位被照射面積上的光通量多，照度就高。

亮度與照度：

關聯(lián)點是：影響光源照度和亮度高低的物理量是相同的，即光通量

不同點一：影響光源亮度的光通量，是光源表面輻射出來的總光通量的多少，光源的發(fā)光能力越強，輻射出的總光通量越多；

不同點二：影響光源照度的光通量，是光源被輻射到被照面（如墻壁、地面、作業(yè)平臺）上的光通量的多少。

不同點三：兩者位置不同，受外界影響因素也不同。同一只光源，光源表面輻射出來的光通量被輻射到被照面（如墻壁、地面、作業(yè)平臺）的光通量，在數(shù)量關系上是不等的。

物理意義

亮度形容的是光源的發(fā)光能力

照度形容的是被照物體所受到的光通量的大小 即，同一個光源的亮度是固定的，但是對同一個物體在不同距離產(chǎn)生的照度是不一樣的光強度(luminous intensity)

是光源在單位立體角內(nèi)輻射的光通量，以I表示，單位為坎德拉(candela，簡稱cd)。1坎德拉表示在單位立體角內(nèi)輻射出1流明的光通量。

光通量φ流明Lumen(lm)

是由光源向各個方向射出的光功率,也即每一單位時間射出的光能量

色彩：

色彩深度又叫色彩位數(shù)，即位圖中要用多少個二進制位來表示每個點的顏色，是分辨率的一個重要指標。常用有1位（單色），2位（4色，CGA），4位（16色，VGA），8位（256色），16位（增強色），24位和32位（真彩色）等。色深16位以上的位圖還可以根據(jù)其中分別表示RGB三原色或CMYK四原色（有的還包括Alpha通道）的位數(shù)進一步分類，如16位位圖圖片還可分為RGB565，RGB555X1（有1位不攜帶信息），RGB555A1，RGB444A4等等。

色彩空間：（YUV、YIQ、YCbCr）

YUV模型用于PAL和SECAM制式的電視系統(tǒng)；YIQ模型與YUV模型類似，用于NTSC制式的電視系統(tǒng)。YIQ顏色空間中的I和Q分量相當于將YUV空間中的UV分量做了一個33度的旋轉(zhuǎn)；YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中；

這三者與RGB轉(zhuǎn)化公式：

RGB-> YUV：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B,U =-0.147R0.515G0.275G0.523G + 0.311B

RGB-> YCbCr：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, Cb =-0.169R0.419B-0.103B 從公式中，我們關鍵要理解的一點是，UV/CbCr信號實際上就是藍色差信號和紅色差信號。我們在數(shù)字電子多媒體領域所談到的YUV格式，實際上準確的說，是以 YCbCr色彩空間模型為基礎的具有多種存儲格式的一類顏色模型的家族（包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等）。在Camera Sensor中，最常用的YUV模型是 YUV422格式，因為它采用4個字節(jié)描述兩個像素，能和RGB565模型比較好的兼容。有利于Camera Sensor和Camera controller的軟硬件接口設計。

人造光源：

1.D65 國際標準人工日光(Artificial Daylight)色溫：6500K 功率：20W

2.TL84 歐洲、日本、中國商店光源色溫：4000K 功率：18W

3.F 家庭酒店用燈、比色參考光源色溫：2700K 功率：40W

4.UV 紫外燈光源(Ultra-Violet)波長：365nm 功率：20W

5.CWF 美國冷白商店光源(Cool White Fluorescent)色溫：4150K 功率：20W

6.U30 美國暖白商店光源(Warm White Fluorescent)色溫：3000K 功率：18W

7.TL83標準光源，歐洲廚窗燈、部份客戶指定用商店光源色溫:3000K，算法：.白平衡算法：

在相機拍攝過程中，很多初學者會發(fā)現(xiàn)熒光燈的光在人看起來是白色的，但用數(shù)碼相機拍攝出來卻有點偏綠。同樣，如果是在白熾燈下，拍出圖像的色彩就會明顯偏紅。人類的眼睛之所以把它們都看成白色的，是因為人眼進行了修正。如果能夠使相機拍攝出的圖像色彩和人眼所看到的色彩完全一樣就好了。但是，由于 CCD/CMOS傳感器本身沒有這種功能，因此就有必要對它輸出的信號進行一定的修正，這種修正就叫做白平衡。

色溫對于相機而言就是白平衡的問題。在各種不同的光線狀況下，目標物的色彩會產(chǎn)生變化。在這方面，白色物體變化得最為明顯：在室內(nèi)鎢絲燈光下，白色物體看起來會帶有橘黃色色調(diào)，在這樣的光照條件下拍攝出來的景物就會偏黃；但如果是在蔚藍天空下，則會帶有藍色色調(diào)。在這樣的光照條件下拍攝出來的景物會偏藍。為了盡可能減少外來光線對目標顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標本來的色彩，就需要相機進行色彩校正，以達成正確的色彩平衡，這就稱為白平衡調(diào)整。

白平衡調(diào)整就是試圖把白色制成純白色。如果這個最亮的部分是黃色，它會加強藍色來減少畫面中的黃色色彩，以求得更為自然的色彩。相機只要在拍攝白色物體時正確還原物體的白色，就可以在同樣的照明條件下正確還原物體的其他色彩。

2.ISO：

ISO感光度的高低代表了在相同EV曝光值時，選擇更高的ISO感光度，在光圈不變的情況下能夠使用更快的快門速度獲得同樣的曝光量。反之，在快門不變的情況下能夠使用更小的光圈而保持獲得正確的曝光量。因此，在光線比較暗淡的情況下進行拍攝，往往可以選擇較高的ISO感光度。當然，對于單反相機而言還可以選擇使用較大口徑的鏡頭，提高光通量。而對于一般數(shù)碼相機因為采用的是固定鏡頭，惟有通過提高ISO感光度來適應暗淡光線情況下的拍攝，特別是在無法使用輔助光線的情況下。

夜景拍攝常常使用較小的光圈和較長的曝光時間，假如選擇較高的ISO感光度必將不可

避免的產(chǎn)生噪點和雜色。這時可以使用三腳架，有可能的再使用快門線，選擇較低的ISO感光度就可以避免噪點和雜色的產(chǎn)生。

Lux

照度是反映光照強度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位是每平方米的流明（Lm）數(shù)，也叫做勒克斯（Lux）： 1 lx=1 Lm/㎡上式中，Lm是光通量的單位

第五篇：光學論文材料

簡介

在早期，主要是基于幾何光學和波動光學拓寬人的視覺能力，建立了以望遠鏡、顯微鏡、照相機、光譜儀和干涉儀等為典型產(chǎn)品的光學儀器工業(yè)。這些技術和工業(yè)至今仍然發(fā)揮著重要作用。本世紀中葉，產(chǎn)生了全息術和以傅里葉光學為基礎的光學信息處理的理論和技術。特別是六十年代初第一臺激光器的問世，實現(xiàn)了高亮度和高時一空相干度的光源，使光子不僅成為了信息的相干載體而且成為了能量的有效載體，隨著激光技，本和光電子技術的崛起，光學工程已發(fā)展為光學為主的，并與信息科學、能源科學、材料科學。生命科學、空間科學、精密機械與制造、計算機科學及微電子技術等學科緊密交叉和相互滲透的學科。它包含了許多重要的新興學科分支，如激光技術、光通信、光存儲與記錄、光學信息處理、光電顯示、全息和三維成像薄膜和集成光學、光電子和光子技術、激光材料處理和加工、弱光與紅外熱成像技術、光電測量、光纖光學、現(xiàn)代光學和光電子儀器及器件、光學遙感技術以及綜合光學工程技術等。這些分支不僅使光學工程產(chǎn)生了質(zhì)上的躍變，而且推動建立了一個規(guī)模迅速擴大的前所未有的現(xiàn)代光學產(chǎn)業(yè)和光電子產(chǎn)業(yè)。編輯本段發(fā)展

近些年來，在一些重要的領域，信息載體正在由電磁波段擴展到光波段，從而使現(xiàn)代光學產(chǎn)業(yè)的主體集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲、顯示和傳感等的光電信息產(chǎn)業(yè)上。這些產(chǎn)業(yè)一般具有數(shù)字化、集成化和微結構化等技術特征。在傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)經(jīng)不斷地智能化和自動化，從而仍然能夠發(fā)揮重要作用的同時，對集傳感、處理和執(zhí)行功能于一體的微光學系統(tǒng)的研究和開拓光子在信息科學中作用的研究，將成為今后光學工程學科的重要發(fā)展方向。平板顯示技術與器件

平板顯示是采用平板顯示器件輔以邏輯電路來實現(xiàn)顯示的。由于其電壓低、重量輕、體積小、顯示質(zhì)量優(yōu)異，無論在民用領域還是在軍用領域都將獲得廣泛應用。該方向主要從事發(fā)光與信息顯示前沿科學問題。既包括發(fā)光顯示材料（有機材料、無機材料及其相關復合等材料），又包括諸多（場發(fā)射、等離子體、發(fā)光二極管、液晶及電致發(fā)光等）顯示器件等方面的研究。全光信號處理及網(wǎng)絡應用技術

主要研究光通信網(wǎng)絡、光纖傳感及生物醫(yī)學光子學領域的前沿課題——光分組交換全光網(wǎng)的網(wǎng)絡技術及支撐光分組交換的全光信號處理技術，如光彈性分組環(huán)光纖通信網(wǎng)、全光緩存技術、光開關、光邏輯、光信頭識別、分布式光纖傳感系統(tǒng)、光纖性能在線檢測、光纖技術在生物醫(yī)學光子學中的應用等。光電檢測技術

主要研究先進制造技術、軌道交通等工程領域內(nèi)各種幾何及物理量的光電檢測機理、方法、技術與實現(xiàn)途徑，并采用各種信息與信號處理方法與技術來獲得各種評價參數(shù)，最終實現(xiàn)對重要零部件與設備關鍵參數(shù)及缺陷的實時檢測與故障診斷，確保其運行安全。生物分子光探測技術

采用先進光電子學技術，以朊病毒、HIV等重要病毒為模型，開展病毒與細胞的相互作用機制、免疫保護機制研究，開展生物大分子的探測、分子相互作用識別等先進技術研究，發(fā)展快速檢測技術。開展新型病毒載體、真核表達載體技術的研究。開發(fā)新型疫苗和藥物。光電子材料與器件

太陽能電池技術，主要研究先進的晶硅太陽電池工藝，以及單晶硅/非晶硅 異質(zhì)結（HIT）太陽電池技術、非晶硅薄膜太陽電池技術、有機薄膜太陽電池技術、染料敏化太陽電池技術、寬帶吸收增強太陽電池技術等。

研究稀土發(fā)光、半導體發(fā)光、白光LED照明、無汞熒光燈、光學薄膜基本設計、光存儲、光電探測等材料及光電器件，研究這些材料和器件的新技術和新工藝以及它們的應用。光學

研究內(nèi)容

我們通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。幾何光學

是從幾個由實驗得來的基本原理出發(fā)，來研究光的傳播問題的學科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結果通?？偸遣▌庸鈱W在某些條件下的近似或極限。物理光學

是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學科，所以也稱為波動光學。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。波動光學 的基礎就是經(jīng)典電動力學的麥克斯韋方程組。波動光學不詳論介電常數(shù)和磁導率與物質(zhì)結構的關系，而側重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動光學可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現(xiàn)象的影響。量子光學

英文名稱：quantum optics

量子光學是以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測及光與物質(zhì)相互作用的學科。1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導出得到的與實際相符甚好的經(jīng)驗公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。

1905年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開金屬表面后的動能。

這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來研究光與物質(zhì)相互作用的學科即為量子光學。它的基礎主要是量子力學和量子電動力學。

光的這種既表現(xiàn)出波動性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性。應用光學

光學是由許多與物理學緊密聯(lián)系的分支學科組成；由于它有廣泛的應用，所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬于光學范圍。例如，有關電磁輻射的物理量的測量的光度學、輻射度學；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺，及其心理物理量的測量的色度學；以及眾多的技術光學：光 學系統(tǒng)設計及光學儀器理論，光學制造和光學測試，干涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等；還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等。學科發(fā)現(xiàn)

光學的起源在西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得(Euclid，公元前約330～260)的<反射光學>(Catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯學者阿勒·哈增(AI-Hazen，965～1038)寫過一部<光學全書>，討論了許多光學的現(xiàn)象。

光學真正形成一門科學，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎。17世紀，望遠鏡和顯微鏡的應用大大促進了幾何光學的發(fā)展。

光的本性（物理光學）也是光學研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認為這些微粒按力學規(guī)律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質(zhì)。19世紀以前，微粒說比較盛行。但是，隨著光學研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了許多不能用直進性解釋的現(xiàn)象，例如干涉、衍射等，用光的波動性就很容易解釋。於是光學的波動說又占了上風。兩種學說的爭論構成了光學發(fā)展史上的一根紅線。

狹義來說，光學是關于光和視見的科學，optics(光學)這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學。光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。編輯本段歷史發(fā)展

光學是一門有悠久歷史的學科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。

人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識。它有八條關于光

學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系。

自《墨經(jīng)》開始，公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。

1665年，牛頓進行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。

牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。

牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學定律作等速直線運動。牛頓用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋。

惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?。并且指出光振動所達到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀中，光的微粒流 理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。

19世紀初，波動光學初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫乾涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏乾涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。

在進一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復雜的假設。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。

1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學現(xiàn)象與磁學、電學現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關系。

1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(zhì)中光振動具有一定的傳播速度。

對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認為洛倫茲關于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運動。而事實上，1887年邁克耳遜用乾涉儀測“以太風”，得到否定的結果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。

1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結構理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。

量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學的起點。

1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。

1905年9月，德國《物理學年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的“關于運動媒質(zhì)的電動力學”一文。第一次提出了狹義相對論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學，其應用范圍只限于速度遠遠小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學現(xiàn)象。

這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。

1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應，以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們都表明光學的發(fā)展是與量子物理緊密相關 的。光學的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在關于光的研究中誕生和發(fā)展的。

此后，光學開始進入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦于1916年預言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術。

愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強的輻射，即激光。1960年，西奧多·梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發(fā)現(xiàn)以來，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應用，引起了科學技術的重大變化。

光學的另一個重要的分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學獎；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學獎。

自20世紀50年代以來，人們開始把數(shù)學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經(jīng)典成像光學，形成了所謂“博里葉光學”。再加上由于激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進了的全息術，形成了一個新的學科領域——光學信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術。

在現(xiàn)代光學本身，由強激光產(chǎn)生的非線性光學現(xiàn)象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學，包括激光喇曼光譜學、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結構、運動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學、分子生物學和化學的動態(tài)過程的研究提供了前所未有的技術。

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