几何光学原理

几何光学原理

  • 1. 光的反射、折射、衍射
    • (1)反射(reflection)
    • (2)折射(refraction)
    • (3)衍射(diffraction)
  • 2. 焦点、弥散圆、景深
    • (1)焦点(focus)
    • (2)弥散圆(circle of confusion, CoC)
    • (3)景深(depth of field, DOF)
  • 3、成像原理
    • (1)透镜成像原理
    • (2)小孔成像原理
    • (3)人眼成像原理

1. 光的反射、折射、衍射

光的传播可以归结为三个实验定律:直线传播定律、反射定律和折射定律
入射光线、反射光线和折射光线与界面法线在同一平面里,所形成的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。

光的直线传播定律:光在均匀介质中沿直线传播。
费马定律:当一束光线在真空或空气中传播时,由介质1投射到与介质2的分界面上时,在一般情况下将分解成两束光线:反射(reflection)光线和折射(refraction)光线。

(1)反射(reflection)

反射角等于入射角。i = i’(i和i’分别为入射角和反射角)
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(2)折射(refraction)

n1 sin i = n2 sin r(n1和n2分别表示两种介质的折射率)
任何介质相对于真空的折射率,称为该介质的绝对折射率,简称折射率(Index of refraction)。
当n1 = -n2时,折射定律就是变成反射定律了,所以反射定律可以看成是折射定律的特例。
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折射率:光在两种介质种的传播速度之比,即
n2/n1 = v1/v2
一种介质的 绝对折射率
n = c/v
式中c是真空中光的速度,v为该介质中光的速度。
可以看出:在折射率较大的介质中,光的速度比较低;在折射率较小的介质中,光的速度比较高。

附录:一些光学介质的折射率:
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(3)衍射(diffraction)

光在传播过程中,遇到障碍物或小孔(窄缝)时,它将偏离直线传播。 衍射时产生的明暗条纹或光环,叫衍射图样。
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2. 焦点、弥散圆、景深

(1)焦点(focus)

平行光线射入凸透镜时,所有的光线聚集在一点后,再以锥状的扩散开来,这个聚集点,就叫做焦点。
注:对于理想的镜头而言
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对于薄透镜系统而言,相当于物距u无穷远,像距v等于焦距f,成像为一个点。

(2)弥散圆(circle of confusion, CoC)

在焦点前后,光线开始聚集和扩散,点的影象变模糊,形成一个扩大的圆,这个圆就叫做弥散圆。
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(3)景深(depth of field, DOF)

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。
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景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄距离,使用光圈越小,景深越大。
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3、成像原理

相机成像原理分为透镜成像原理小孔成像原理。另外还有人眼成像原理

(1)透镜成像原理

凸透镜的成像规律是1/u+1/v=1/f(即:物距的倒数与像距的倒数之和等于焦距的倒数)
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规律1:当物距大于2倍焦距时,则像距在1倍焦距和2倍焦距之间,成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距,像比物小,物像异侧。
应用:相机。
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规律2:当物距等于2倍焦距时,则像距也在2倍焦距, 成倒立、等大的实像。此时物距等于像距,像与物大小相等,物像异侧。
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规律3:当物距大于1倍焦距且小于2倍焦距时,则像距大于2倍焦距, 成倒立、放大的实像。此时像距大于物距,像比物大,像位于物的异侧。
应用:投影仪、电影放映机。
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规律4:当物距等于1倍焦距时,则不成像,成平行光射出。
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规律5:当物距小于1倍焦距时,则成正立、放大的虚像。此时像距大于物距,像比物大,物像同侧。
应用:放大镜。
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(2)小孔成像原理

小孔成像只是一种光学现象,不能用于光学设计。
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(3)人眼成像原理

人在视网膜上成的是倒立缩小的实像,而视觉是正立的,这是人的视觉特点。视觉成像是物体的反射光通过晶状体折射成像于视网膜上。再由视觉神经感知传给大脑,这样人就看到了物体。
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