根本光学原理

　　根本光学原理 榜首节 几许光学的根本原理 几许光学的含义及其领域，是以光的直线传达性质为根底，研讨光在通明介质中传达的光学。几许光学的 理论根底，便是建立在经过调查和试验得到的几个根本规则。因为光的直线传达性关于光的实践行为只需 近似的含义，所以，以它作为根底的几许光学，就只能使用于有限的规模和给出近似的成果。但这些关于 了解与拍摄有关的光学系统而言，已是满足的了。 一、光线 在几许光学中可用一条表明光传达的方向的几许线来代表光，并称这条线为光线。 二、光的传达规则 1.光的直线传达规则：光在均匀通明的介质中，光沿直线.光的反射和折射规则：当光线由一均匀 介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线。这两条光线的进行方向， 可别离由反射规则和折射规则来表述。 反射规则：反射线在入射线和法线所决议的平面上；反射线和入射线别离坐落法线的两头；反射角和入射 角持平。 在反射现象里光路是可逆的。 折射规则：折射线在入射线和法线所决议的平面内；折射线和入射线别离坐落法线的两头 入射角 i 的正弦与折射角 r 的正弦的比，关于给定的两种媒质来说，是一个常数，叫做第二媒质关于榜首 种媒质的折射率，在这里咱们用 n21 来表明。 前面所讲的 n21 是第二种媒质关于榜首种媒质的折射率，叫做这两种媒质的相对折射率，即某种媒质关于 真空的折射率叫做这种媒质的绝对折射率，简称媒质的折射率，用 n 表明。 因为光在空气中传达的速度与光在真空中传达的速度相差很小，所以一般用媒质对空气的折射率替代媒质 的折射率。n=1。 光在任何媒质中传达的速度都小于在真空中的速度，所以，任何媒质的折射率都大于 1。由此能够推论， 光在一种媒质中传达的速度越小，这种媒质的折射率越大。两种媒质相比较如榜首种媒质的折射率大于第 二种媒质的折射率，则光在榜首种媒质中的传达速度小于光在第二种媒质中的传达速度，相对而言榜首种 媒质称为光密媒质，第二种媒质称为光疏媒质。 当光线从光疏媒质射进光密媒质时 ∴Sini＞Sinr i＞r 这时，r＜i 阐明光线近法线折射。 当光从光密媒质射进光疏媒质时 ∴i＜r 这时 r＞i 阐明光线远法线折射。 在折射现象里，光路是可逆的。 光路的可逆性是几许光学中很重要的一条规则。 三、光的反射和折射 光线射到两种媒质的分界面上时，入射光线一般分为两部分，一部分回来原媒质发生反射；一部分进入第 二媒质发生折射。反射光的强度随入射角的增大而增大；折射光的强度随入射角的增大而减小。在这部分 里咱们主要以平面镜和球面镜这两种和拍摄直接相关的事物来剖析光的反射现象。 1.平面镜成象 （1）象的概念和含义。由物体上某一点宣布的光线，经过媒质界面的反射，反射光线如能交于一点，相交 之点叫做物体上这一点的实象。如反射光线是发散的，不能相交，而反射线的反方向延伸线交于一点，直 接调查光线好像是从这一点宣布的，这相交点就叫做物体上这一点的虚象。 一个物体是由许多个点组成的，这些点的象组成物体的象。实象能够直接用眼调查，也能够映在屏幕上显 示出来。虚象只能直接用眼调查而不能映在屏幕上。 （2）平面镜成像。依据光的反射规则，能够得出发光点或物体在平面镜里的象。 取物体的端点 A 宣布的恣意两条光线，反射后它们的延伸线交于一点，这一点便是物体端点 A 的象，如图 1—3 所示。相同，物体的任何一点，经过做图都能够得出它所对应的象。平面镜成的是直立的虚象，物体 和象别离在镜面的两头，并以镜面为对称，象和物巨细持平，左右相反。 2.球面镜成象 （1）球面镜的概念。镜子的反射面是球面的一部分时，叫做球面镜。 凹面镜：用球的内外表做反射面。 凸面镜：用球的外外表做反射面。 极点：镜面的中心点。 曲率半径：球面镜所属球面的半径。 曲率中心：球面镜所属球面的中心。 主轴：经过极点和曲率中心的直线。 近轴光线：一般运用的球面镜，都是它所属球面的很小的一部分即图 1—4 中的 θ 角所对应的那部分球面， 而镜前的物体又都放在主轴邻近，这样射到镜面上的光线）球面镜的 焦点和焦距。凹面镜：平行于主轴的近轴光线，射到凹面镜上，反射线相交于主轴上的一点，这一点叫做 凹面镜的焦点，用 F 来表明，F 是实焦点。凹面镜有实焦点阐明它有集聚光线）。焦点 F 到极点 0 的间隔，叫做焦距，用 f 表明。 一个凹面镜的焦距到底有多大，用直接丈量的办法所得到的成果往往差错很大，可是，球面镜的曲率半径 却是很简略得知的，用简略的几许办法很简略计算出一个球面镜的曲半径。依据圆弧上恣意三点可确认圆 心的办法求出圆心地点的坐标，圆心到圆的外缘恣意一点便是这个圆的半径，而凹面镜的焦距等于它的曲 率半径的一半，因而很便利的就可得知凹面镜的焦距。 剖析图 1—6，光 AB 平行于主轴，作 B 点的法线 BC，依据光的反射规则∠CBD=∠ABC 作反射线 BD，BD 交主 轴于 F。 ∵∠FBC=∠CBA，∠BCF=∠CBA（平行线内错角持平） ∴∠FBC=∠BCF BF=CF（等腰三角形） 又∵AB 是近轴光线，BO 之间相距很近 ∴BF=OF OF=CF 凸面镜：平行于主轴的近轴光线射到凸面镜上，反射光线向外散开，这一现象阐明凸面镜有发散光线的作 用。反射光线的反向延伸线交在主轴的一点 F（如图 1—7 所示）。这一点也叫焦点，是虚焦点。OF 是它的 焦距，用 f 表明。 当光从光密媒质进入光疏媒质时 Sini＜Sinr r＞i 所以光线远离法线折射。入射角增大，折射角也随之增大。 当入射角添加到某一值时，折射角添加到 90°。入射角再添加，就没有折射现象发生了。在这种状况下， 入射光线悉数反射回到原媒质。这便是全反射现象。 使全反射现象发生的入射光线的入射角叫做临界角， 用字母 A 表明。 SinA=Sin90·n21 SinA=n21 由此可见，临界角是由两种媒质决议的。 反射现象和折射现象是拍摄实践中经常会遇到和运用的状况，只需咱们对这一现象有必定的了解，就能在 实践中防止它或运用它。 四、透镜 折射面是两个球面（或一个球面，一个平面）的通明体，叫透镜。 1.透镜的品种 （1）凸透镜。中心部分比边际厚的透镜叫凸透镜。凸透镜能集聚光线）凹透镜。中心部分比边际薄的透镜叫凹透镜。凹透镜能发散光线.关于透镜的一 些根底概念 薄透镜假如一片透镜的厚度，比该透镜两折射面所属球面半径小得许多，这片透镜叫做薄透镜。咱们一般 见到和运用的透镜都是薄透镜。以下所介绍的也只限于薄透镜。 主光轴两个折射面球心的连线叫做透镜的主光轴。 光心：在主光轴上有一个特别点叫光心，射入透镜的光线经过光心，光进行的方向不改动，即射出透镜的 光线和射入透镜的光线坚持平行。 副光轴：经过光心的其它直线叫副光轴。 凸透镜的焦点和焦距：跟凸透镜主轴平行的平行光束经凸透镜折射后集聚在主轴上的一点 F，叫凸透镜的 主焦点，主焦点到光心的间隔叫焦距，用 f 表明。平行光能够从凸透镜的两方入射，所以在它的两方各有 一个主焦点 F1 和 F2， 因而有相对应的两个焦距 f1 和 f2。 只需透镜两头是相同的媒质， f1=f2=f （如图 1—8） 。 跟主轴成必定视点与某一副轴平行的平行光束，经凸透镜折射后集聚在副轴上的一点，叫副焦点。很明显 副焦点有许多。关于近轴光线，副焦点都在经过主焦点与主轴笔直的平面内，这个平面叫做焦平面（如图 1—8）。每个凸透镜都有两个焦平面。 凹透镜的焦点和焦距：凹透镜和凸透镜类似，也有主焦点、副焦点和焦平面。所不同的是凹透镜发散光线， 平行光束经过它的折射散开的光线不能交于一点，而在光线的反向延伸线上交于一点 F，这一点也叫焦点， 是虚焦点，从焦点到光心的间隔叫焦距 f（如图 1—9）。一般为差异焦点的实虚，凸透镜的焦距取正值， 凹透镜的焦距取负值。 3.透镜成象规则（1）凸透镜成象。凸透镜成象可运用几条特别光线来描绘： 经过光心的光线不改动方向；平行于主轴的近轴光线折射后经过焦点。 经过焦点的光线折射后平行于主轴。 求一发光点 S 的象 S’。 求一物体 AB 的象 A’B’。 u 和 f 是正值，假如 v 是正值，象便是实象，v 是负值，象便是虚象。 凸透镜成象公式是运用类似三角形对应边成份额的联系得出的。同理也可得出放大率公式。 放大率公式： 结合上图可知式中： U=OB 叫物距， V=OB’叫象距， f=OF 是焦距。 当 K＞1 时，阐明象比物长； 当 K＜1 时，阐明象比物短。 （2）凹透镜成象。凹透镜成象可用以下几条特别光线来描绘： 经过光心的光线不改动方向。 平行于主轴的近轴光线折射后，它的反方向延伸线交于虚焦点。 经过虚焦点的光线折射后平行于主轴。 凹透镜成象作图法如图 1—13、1—14。 （因透镜有两个焦点，作图时有必要留意什么状况要用哪一侧的焦点，所以凹透镜应特别留意） 求一发光点 S 的象 S’； 求一物体 AB 的象 A’B’。 凹透镜成象公式： 式中 u 是正值，v 和 f 是负值放大率公式： 凸透镜的成象公式和凹透镜的成象公式以及放大率公式是彻底相同的。因而，这两个公式只需在不同的情 况下 u、v、f 取不同的符号即能习气两种透镜各种状况。 一般将什物放在镜前，因而 u 取正值。 f 的正负，决议于焦点的实虚。 凸透镜：f＞0； 凹透镜：f＜0。 V 的正负，决议象的实虚。 V＞0：成实象。 V＜0；成虚象。 （3）透镜象的各种状况 凸透镜：凸透镜的成象状况可用表 1—1 阐明： 表 1-1 在第 5 种状况中，u=f，v=∞，能够说在无限远成象。u=f 是凸透镜成实象和成虚象的分界点。 凹透镜：什物放在凹透镜前不管什么地方都成正立缩小的虚象。 第二节 色度学原理 色度学切当的讲它是研讨人眼对色彩感觉规则的一门科学。 每个人的视觉并不是彻底相同的。在正常视觉的集体中心，也有必定的不同。现在在色度学上为世界所引 用的数据，是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的均匀成果。就技能使用理论上来说，已具 备满足的代表性和牢靠的准确性。 一、色彩的切当含义 在日常日子中，人们习气把色彩归归于某一物体的本身，把它作为某一物体所具有的归于本身的根本性质。 比方人们所常讲的那是一块红布，那是一张白纸等等。但在实践上，人们在眼中所看到的色彩，除了物体 本身的光谱反射特性之外，主要和照明条件所构成的现象有关。假如一个物体关于不同波长的可视光波具 有相同的反射特性，咱们则称这个物体是白色的。而这物体是白色的定论是在悉数可见光一起照耀下得出 的。相同是这个物体，假如只用单色光照耀，那这个物体的色彩就不再是白色的了。相同的道理，一块红 布假如是咱们在白日日光下得出的定论，那相同是这块布在红光的照耀下，在人们眼中反映出的色彩就不 再是赤色的而是白色的。 这些现象阐明，在人们眼中所反映出的色彩，不单取决于物体本身的特性，并且还与照明光源的光谱成分 有着直接的联系。所以说在人们眼中反映出的色彩是物体本身的天然特点与照明条件的归纳效果。咱们用 色度学来点评的定论便是这种归纳效果。 二、色彩三要素 任何色彩的显现，实践上都是色光影响人们的视觉神经而发生感觉，咱们把这种感觉称之为色觉。 色别、明度和饱合度是色彩的三个特征，也是色觉的三个特点，一般将色别、色彩明度和色饱合度称为“色 彩三要素”。 1.色别 色彩所具有的最明显特征便是色别，也称色相。它是指各种色彩之间的不同。从外表现象来讲，例如一束 平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被涣散成一条五颜六色的光带，构成这条光带的红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫等色彩，便是不同的色别。从物理光学的视点上来讲，各种色别是由射入人眼中光线的光 谱成分所决议的，色别即色相的构成取决于该光谱成分的波长。 咱们所讲的光是电磁波谱中的一小部分， 波长规模大约为 400～700 毫微米，在这个规模内各种波长的光出现出各种不同的色彩。在天然界中所出现 出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显现出来的，有的则是某个单一波长的固有特 性色彩。 总归，色别便是指不同色彩之间质的不同，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。 2.明度 明度是指色彩的明暗程度。每一种色彩在不同强弱的照明光线下都会发生明暗不同，咱们知道，物体的各 种色彩，有必要在光线的照耀下，才干显现出来。这是因为物体所出现的色彩，取决于物体外表对光线中各 种色光的吸收和反射功能。前面说到的红布之所以出现赤色，是因为它只反射红光，吸收了红光之外的其 余色光。白色的纸之所以出现白光，是因为它将照耀在它外表上的光的悉数成分彻底反射出来。假如物体 外表将光线中各色光等量的吸收或悉数吸收，物体的表现将出现出灰色或黑色。同一物体因为照耀在它表 面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因而就发生了同一色彩的物体在不同能量光线的照耀下出现 出明暗的不同。 白颜料归于高反射率物质，无什么色彩掺入白颜料，能够进步本身的明度。黑颜料归于反 射率极低的物质，因而在各种色彩的同一色彩中（黑在外）掺黑越多明度越低。 在拍摄中，正确处理色彩的明度很重要，假如只需色别而没有明度的改变，就没有纵深感和节奏感，也就 是咱们常说的没层次。 3.饱满度 饱满度是指构成色彩的纯度，它表明色彩中所含五颜六色成分的份额。五颜六色份额越大，该色彩的饱满度越高， 反之则饱满度越低。从实质上讲，饱满度的程度便是色彩与相同明度有消色的相差程度，所包括消色成分 越多，色彩越不饱满。色彩饱满度与被摄物体的外表结构和光线照耀状况有着直接的联系。同一色彩的物 体，外表润滑的物体比外表粗糙的物体饱满度大；强光下比昏暗的光线下饱满度高。 不同的色别在视觉上 也有不同的饱满度，赤色的饱满度最高，绿色的饱满度最低，其他的色彩饱满度适中。在照片中，高饱满 度的色彩能使人发生激烈、美丽亲热的感觉；饱满度低的色彩则易使人感到浓艳中包括着丰厚。 三、三原色和三补色之间的联系 天然界中各种物体所表现出的不同色彩，都是由蓝色、绿色和赤色光线按恰当份额混合起来即效果不同的 吸收或反射而出现在人们眼中的。所以，蓝色、绿色和赤色便是组成各种色彩的根本成分。因而咱们把这 三个感色单元称为三原色。 三原色的光谱波长如下： 435.8Nm 波长约 400～500 毫微米的规模属蓝光规模； 546.1Nm 波长约 500～600 毫微米的规模属绿光规模； 700Nm 波长约 600～700 毫微米的规模属红光规模。 这三个原色的光波在可见光光谱中各占三分之一。三个原色中的一个与别的两个原色或其间一个原色等量 相加，就可得到其它的色彩，其规则可用下式表明： 由此可见，三原色的构成和叠加能够归纳为以下四点： 1.天然界的色彩是由三原色为根本性构成的， 三原色按不同的份额相混合能够组成出天然界中的任何色彩。 2.蓝、绿、红这三种原色是相互独立的，它们中的任何一种颜都不能用别的两种色彩混合得到。 3.三种原色的混合份额决议色别。 4.混合色光的亮度等于各原色光的亮度和。 依据上述色光叠加的规则，咱们别离将（1）（2）（3）式代入到（4）式中。可得 由 R+G=Y 得 R=Y-G（5） （5）代入（4）得 Y-G+G+B=W Y+B=W 黄光+蓝光=白光 由 R+B=M 得 R=M-B（6） （6）代入（4）得 M-B+G=B=W M+G=W 品红光+绿光=白光 由 G+B=C 得 G=C-B（7） （7）代入（4）得 R+C-B+B=W R+C=W 红光+青光=白光 两种色光相加后假如得到白光，则该两色光互为补色。与蓝光、绿光和红光互为补色的三色光别离为黄色、 品红光和青光。咱们一般称这三色光为“三补色”。这三个补色，在可见光谱中，各约占三分之二。 第三节 亮度与照度 拍摄离不开光线，光的实质实践上便是以光源发射出的能被人眼看到的辐射能。拍摄镜头实践上是一个收 集光能并把景象明晰的成象在感光胶片上的东西。而真实需要在光能量的效果下发生化学改变的是感光胶 片，照相机只不过是一台操控光通量的阀门。怎样才干操控好这台起阀门效果的机器，使得感光胶片上所 得到的光能适可而止的使感光乳剂发生改变呢？光讲要正确的曝光，这个概念实践上是很含糊的。要科学 的回答这个问题，就应从光的实质和表明光能强度等方面有一个了解。 经过对色度学原理的介绍，咱们知道光的实质是在整个电磁频谱中的一小部分，波长规模约为 400～700 毫 微米。咱们知道电磁波是同热能、电能相同也是能量的一种表现形式，所以，光具有光能也是不容置疑的 了。有一个小试验能够证明光是具有能量的。将一片硅光电池的南北极接上一只电流表，当没有光照在硅光 电池上时，电流表指针指示为零；当把一束光照在硅光电池上时，电流表的指针偏移。依据试验和能量守 恒规则能够阐明，当电流表的指针发生偏移时，阐明有电流经过电流表，这个电流从哪里来，无疑是从光 电转化元件硅光电池中来，硅光电池中的电流从何发生，那便是光能使硅电池内部的电子发生了活动。所 以说光也是能量的一种表现方式。 光既是一种能量的表现形式，就必定有衡量它强弱的规范，这个规范就 是咱们所要讲的亮度和照度以及它们之间的联系。 一、亮度与照度的概念 在讲亮度与照度前，咱们先引入几个相关的物理量。 1.光通量：光通量是在单位时间内经过的辐射能量，用符号 Ω 表明。在光度学中它是按强弱来衡量的一种 辐射能，以“流明”为单位。 2.立体角：立体角是球面就任一面积相对球心所张的视点，用符号 Ω 表明。 S：球面就任一球面积 R：球的半径 单位：立弧（立体弧度） 3.发光强度：发光强度是光源宣布的光能量在调查方向上的强弱程度，用单位立体角规模内宣布的光通量 来衡量，用符号 I 表明。 发光强度的单位称为“烛光”。 下面咱们就介绍一下什么叫亮度，什么叫照度以及它们之间的联系（如图 1—18）。 亮度是发光物体外表或被照耀物体的反光外表，在人眼调查方向所看到的亮暗程度。用符号 B 表明。 在这里 S 表明发光外表的面积，α 代表调查方向与发光外表垂线的夹角。 面积上接收到的光通量来衡量。用符号 E 表明。 S：表明被照明面积的巨细照度的单位称为“勒克斯”（流明/米 2） LX。 二、常见物体照度和亮度表 三、常见的光源亮度表