光学基础知识.pptx

光学基础知识一、什么是光对于光的认识人们经历了一个漫长的认知过程：早在古希腊，人们认为光就像消防水龙中喷出的水柱一般，是一股由高速运动的微粒组成的流注，从而形成了流注说。流注说流注由人眼发出，如触须之辨物。可以解释为何只可看见眼前之物，并且闭上眼睛就不可见物。流注由光源发出，经物体反射后被人眼接收。可以解释为何黑暗无光处不可辨物。那么，流注究竟是什么流呢？到十六世纪逐渐形成了微粒说和波动说。微粒说认为：光是由发光体发出的粒子流，以极高的速度运动着。其的代表人物是英国的物理学家牛顿。对光的直线传播的解释：对反射的解释：反弹 对折射的解释：加速当V，m0时直线传播 mgv但微粒说无法解释光的独立传播。没有碰撞？波动说波动说认为：光是由发光体发出的光波，就像人耳听到铃铛的声波那样，人眼看到的是烛火发出的光波。波动说的代表人物是荷兰科学家惠更斯。波也遵从反射定律和折射定律，并且不会因相互碰撞而改变方向。但波并不完全按直线传播，它应能绕过障碍物，并能在相交处发生干涉。空间频率的干涉波动说的全面胜利由于微粒说和波动说都有各自无法解释的问题，因此经过了一百多年的争论，依然胜负难分。直到1801年，著名的杨氏实验打破了这种僵局。此后，菲涅尔著名的单缝衍射实验进一步证明了光的波动性。波长的测定揭示了光的直线传播和独立传播定律是在一定尺寸范围内的完美的近似。因为日常的尺度范围远大于光波波长。漂亮的黄绿色光，其波长为555纳米=0.555微米=0.000555丝，为通常的头发丝直径的千分之一倍。因此除非是针对非常小的尺度或者光源的单色性和方向性极其的好，否则光的波动特征并不能显著的表现出来。此后一系列的实验结果进一步证明了光的波动性：首先1850年，法国物理学家傅科证明了介质中的光速比空气中慢，这对微粒说又是一次致命的打击。此外，多谱勒效应和光的偏振效应都进一步证明了光的波动性。V麦克斯韦尔进一步在理论上证明了光是一种电磁波，它和无线电波是同一种东西。它们共同在空气中以每秒三十万公里的高速狂奔着，所不同的只是他们的频率（或者说是波长）而已。至此，光的波动说从实验到理论形成了完整的体系，占据了绝对的统治地位。就在波动说似乎成了无可辩驳的真理的时候，当对光电效应进行研究时人们发现：光电子的数目正比于入射光的强度。光电子的能量与入射光强无关，强光与弱光打出来的光电子的飞行速度都是一样的。光电子的能量正比与入射光的频率，并且对于每种金属材料都存在着一个截至频率，低于这个频率的入射光无论多强也的不到光电子。这些现象似乎表明：光束照射在物质上，其能量并非均匀的洒遍整个表面，而是有选择的集中在了某些电子上。这与波动说的预言大相径庭，却是微粒说所能预料的。波动说的权威地位终于受到了严峻的挑战。直到1900年，普朗克给出了辐射的基本能量单位h（能量子），进而爱因斯坦在1905年指出：光是一种粒子流，每个粒子（光子）的能量为h，才成功的解释了上述现象。随着光强的增大，击中电子的光子数目增多，因而激发出的光电子数量也随之增加。既然光子的能量仅与频率有关（h），被光子激发出来的光电子所获得的能量也为h，仅与频率有关。当入射光频率过低，其光子能量小于金属材料的表面势垒，则不能激发出电子，因而存在截至频率。粒子说在沉寂多年后终于再次复兴。但此时的粒子流已非从前的粒子流，因为每个粒子其实都被解释为一个能量包，其能量值为h，是以波动形式存在的，因为频率正是一切波动共同专有的特征。现代的研究表明：一切的微观粒子诸如电子、质子等均有这种既表现出波动性又表现出粒子性的波粒二相性。hhhhh光束对于光的本质的总结光是一种电磁辐射，它是一种可被人眼感知的具有波粒二相性的能量流。在宏观尺度，由于光（或其他一些短波辐射）的波长远远小于度量尺度，其波动特性难以显现或者说是微小的可以忽略，故表现出很强的粒子性，因而可用几何光学很好的进行近似描述。在微观尺度，当参照尺寸接近其波长或辐射源表现出很好的相干性时，其波动的特性就十分明显的表征出来，此时必须用波动光学进行描述。在量子尺度，当光（或辐射）与电子、质子这样的微观粒子发生作用时（如光电效应）则必须用量子理论加以描述了。二、实用光学知识光学可以说是一项实验的科学，它的每一点进展都伴随着实践的脚步。在中国古代就有过利用冰块来取火的记载：“削冰为球，举以向日，可以取火。”而古希腊也有过在海战中利用镜面反射日光焚毁敌船的传说。古人的这些实践用今天的光学理论来说就是聚焦或成像。几何光学的基本定律与基本概念直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。独立传播定律：从不同光源发出的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响。反射定律：入射到光滑反射界面的光线经界面反射后，入射角与反射角大小相等方向相反。I=I折射定律：入射光线、折射光线和界面法线三者在同一平面内且入射角与出射角满足公式 n sinI=n sinI焦点：平行于光轴入射光线的汇聚点，也就是无限远轴上点的像点。通过焦点且垂直于光轴的平面称为焦面。焦距：对于薄透镜，近似的等于焦点到透镜顶点的距离。其中在入射方的称为物方焦距，用小写字母 f 表示。其中在出射方的称为像方焦距，用 f 表示。对于物点、物面、物距 l;像点、像面、像距 l 有着类似的描述。共轭距：物像之间的关系称为公轭，物像之间的距离称为共轭距常见光学零件的基本形式透镜及其基本类型双凸平凸正弯月双凹平凹负弯月 正 负平面零件的常见类型 反射镜滤色镜分光镜棱镜 折射棱镜反射棱镜成像公式与图解对于透镜的成像关系可用下述牛顿公式进行计算：1f=1l -1l并可用下列原则作图求解平行于光轴入射的光线经过透镜后通过焦点。通过焦点的光线经过透镜后平行于光轴出射。通过主点（透镜中心）的光线方向不变。物面物方焦面像方焦面像面波动光学方面涉及的主要内容干涉：等厚干涉牛顿环可理解为等高线，每个圈光程差为2。面型误差形势判断偏振：光是电磁波，是振动方向垂直于传播方向的横波。但由于光是由无数光子集合而成，每个光子的振动方向随机分布、机会均等，因而自然光并不表现出偏振特性。但在某些特定情况下会产生偏振光，而某些器件会对光产生特殊的偏振效果。偏振片：只允许特定方向偏振的光通过1/2波片：使偏振光转过2角液晶显示原理液晶材料具有波片的特性，能使偏振光的偏振方向发生旋转，并且随着对其施加的电场而发生改变。起偏器LCD检偏器起偏线偏光液晶电场偏转潜像检偏显像三、颜色的常识什么是颜色？牛顿色散实验白光白光七色光带单色光单色光白光七色光白光颜色的实质是人眼对不同波长的光的不同的刺激反应。波长与辐射特性：红橙黄绿青蓝紫颜色的生理学机理为什么白天五彩缤纷，夜晚灰暗阴森？视网膜：杆体细胞感光灰蓝色 锥体细胞感色感红、感绿、感蓝彩色的特征：明度：人眼对物体明亮程度的感觉。彩色光的亮度越高，则明度就越高。色调：区分各种不同色彩的特征，是可见光谱不同波长的辐射在视觉上的表现。饱和度：彩色的纯洁性。可见光谱中的各种单色光饱和度最高。彩色的描述：随着工业化的发展，迫切需要一种客观科学的描述颜色的方法。色品图和色坐标x=1,y=1和原点z为假象的三原色，且x+y+z=1。马蹄线上为光谱色，是饱和度（纯度）最高的颜色，自然界内任何色彩（物理上能够实现的）均包含在马蹄线内。y=0为无亮度线，y值同时也表示亮度。因此在视觉上蓝色与红色感觉较暗，绿色则较为明亮中心点E为等能白，色坐标为x=y=z=0.3333C点为正午日光色，很接近等能白，其色坐标为：x=0.3101,y=0.3162,z=0.3737。混色原理：加色混色人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度，色调，饱和度。由两组分组成的混合色中，如其中一个组分连续的变化，则混合色的外貌也将连续的变化。外貌相同的光不管其光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。混合色的总亮度等于组成混合色各色光亮度的总和。混色作图法：k：比例因子C1：色光1比重C2：色光2比重P1：色光1 P2：色光2 P：混合色P1PP2kC2kC1四、投影机原理及其对零部件的要求投影机中综合了现代光学的各种技术投影与成像幻灯机投影物镜的指标F数与相对孔径D/f视场角2放大倍率鉴别率倍率色差畸变彩色像的合成逐点混色三枪网纹XQXQ组件的校正：合像与公焦XQ零件的要求：光谱透过率和光谱反射率几何特征要求TR像源起偏LCD检偏偏振片的光谱与偏振特性：P光与S光的光谱透过率清洁要求：像素尺寸181024=0.017mm照明积分起偏分色