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基本光學原理 第一節(jié) 幾何光學的基本原理幾何光學的含義及其范疇，是以光的直線傳播性質(zhì)為基礎，研究光在透明介質(zhì)中傳播的光學。幾何光學的理論基礎，就是建立在通過觀察和實驗得到的幾個基本定律。由于光的直線傳播性對于光的實際行為只有近似的意義，所以，以它作為基礎的幾何光學，就只能應用于有限的范圍和給出近似的結果。但這些對于了解與攝影有關的光學系統(tǒng)而言，已是足夠的了。一、光線在幾何光學中可用一條表示光傳播的方向的幾何線來代表光，并稱這條線為光線。二、光的傳播定律1.光的直線傳播定律：光在均勻透明的介質(zhì)中，光沿直線傳播。 2.光的反射和折射定律：當光線由一均勻介質(zhì)進入另一介質(zhì)時，光線在兩個介質(zhì)的分界面上被分為反射光線和折射光線。這兩條光線的進行方向，可分別由反射定律和折射定律來表述。反射定律：反射線在入射線和法線所決定的平面上；反射線和入射線分別位于法線的兩側；反射角和入射角相等。在反射現(xiàn)象里光路是可逆的。折射定律：折射線在入射線和法線所決定的平面內(nèi)；折射線和入射線分別位于法線的兩側入射角i的正弦與折射角r的正弦的比，對于給定的兩種媒質(zhì)來說，是一個常數(shù)，叫做第二媒質(zhì)對于第一種媒質(zhì)的折射率，在這里我們用n21來表示。前面所講的n21是第二種媒質(zhì)對于第一種媒質(zhì)的折射率，叫做這兩種媒質(zhì)的相對折射率，即某種媒質(zhì)對于真空的折射率叫做這種媒質(zhì)的絕對折射率，簡稱媒質(zhì)的折射率，用n表示。因為光在空氣中傳播的速度與光在真空中傳播的速度相差很小，所以通常用媒質(zhì)對空氣的折射率代替媒質(zhì)的折射率。n=1。光在任何媒質(zhì)中傳播的速度都小于在真空中的速度，所以，任何媒質(zhì)的折射率都大于1。由此可以推論，光在一種媒質(zhì)中傳播的速度越小，這種媒質(zhì)的折射率越大。兩種媒質(zhì)相比較如第一種媒質(zhì)的折射率大于第二種媒質(zhì)的折射率，則光在第一種媒質(zhì)中的傳播速度小于光在第二種媒質(zhì)中的傳播速度，相對而言第一種媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，第二種媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)。 當光線從光疏媒質(zhì)射進光密媒質(zhì)時SiniSinr ir這時，ri說明光線近法線折射。當光從光密媒質(zhì)射進光疏媒質(zhì)時ir這時ri 說明光線遠法線折射。在折射現(xiàn)象里，光路是可逆的。光路的可逆性是幾何光學中很重要的一條規(guī)律。三、光的反射和折射光線射到兩種媒質(zhì)的分界面上時，入射光線一般分為兩部分，一部分返回原媒質(zhì)產(chǎn)生反射；一部分進入第二媒質(zhì)產(chǎn)生折射。反射光的強度隨入射角的增大而增大；折射光的強度隨入射角的增大而減小。在這部分里我們主要以平面鏡和球面鏡這兩種和攝影直接相關的事物來分析光的反射現(xiàn)象。 1.平面鏡成象（1）象的概念和意義。由物體上某一點發(fā)出的光線，經(jīng)過媒質(zhì)界面的反射，反射光線如能交于一點，相交之點叫做物體上這一點的實象。如反射光線是發(fā)散的，不能相交，而反射線的反方向延長線交于一點，直接觀察光線好像是從這一點發(fā)出的，這相交點就叫做物體上這一點的虛象。一個物體是由很多個點組成的，這些點的象組成物體的象。實象可以直接用眼觀察，也可以映在屏幕上顯示出來。虛象只能直接用眼觀察而不能映在屏幕上。（2）平面鏡成像。根據(jù)光的反射定律，可以得出發(fā)光點或物體在平面鏡里的象。取物體的端點A發(fā)出的任意兩條光線，反射后它們的延長線交于一點，這一點就是物體端點A的象，如圖13所示。同樣，物體的任何一點，通過做圖都可以得出它所對應的象。平面鏡成的是直立的虛象，物體和象分別在鏡面的兩側，并以鏡面為對稱，象和物大小相等，左右相反。2.球面鏡成象（1）球面鏡的概念。鏡子的反射面是球面的一部分時，叫做球面鏡。凹面鏡：用球的內(nèi)表面做反射面。凸面鏡：用球的外表面做反射面。頂點：鏡面的中心點。曲率半徑：球面鏡所屬球面的半徑。曲率中心：球面鏡所屬球面的中心。主軸：通過頂點和曲率中心的直線。近軸光線：一般使用的球面鏡，都是它所屬球面的很小的一部分即圖14中的角所對應的那部分球面，而鏡前的物體又都放在主軸附近，這樣射到鏡面上的光線叫近軸光線。（2）球面鏡的焦點和焦距。凹面鏡：平行于主軸的近軸光線，射到凹面鏡上，反射線相交于主軸上的一點，這一點叫做凹面鏡的焦點，用F來表示，F(xiàn)是實焦點。凹面鏡有實焦點說明它有會聚光線的作用（如圖15）。焦點F到頂點0的距離，叫做焦距，用f表示。一個凹面鏡的焦距到底有多大，用直接測量的辦法所得到的結果往往誤差很大，但是，球面鏡的曲率半徑卻是很容易得知的，用簡單的幾何方法很容易計算出一個球面鏡的曲半徑。根據(jù)圓弧上任意三點可確定圓心的方法求出圓心所在的坐標，圓心到圓的外緣任意一點就是這個圓的半徑，而凹面鏡的焦距等于它的曲率半徑的一半，因此很方便的就可得知凹面鏡的焦距。分析圖16，光AB平行于主軸，作B點的法線BC，根據(jù)光的反射定律CBD=ABC作反射線BD，BD交主軸于F。FBC=CBA，BCF=CBA（平行線內(nèi)錯角相等） FBC=BCF BF=CF（等腰三角形）又AB是近軸光線，BO之間相距很近BF=OF OF=CF凸面鏡：平行于主軸的近軸光線射到凸面鏡上，反射光線向外散開，這一現(xiàn)象說明凸面鏡有發(fā)散光線的作用。反射光線的反向延長線交在主軸的一點F（如圖17所示）。這一點也叫焦點，是虛焦點。OF是它的焦距，用f表示。當光從光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時SiniSinr ri所以光線遠離法線折射。入射角增大，折射角也隨之增大。當入射角增加到某一值時，折射角增加到90。入射角再增加，就沒有折射現(xiàn)象發(fā)生了。在這種情況下，入射光線全部反射回到原媒質(zhì)。這就是全反射現(xiàn)象。 使全反射現(xiàn)象發(fā)生的入射光線的入射角叫做臨界角，用字母A表示。SinA=Sin90n21SinA=n21由此可見，臨界角是由兩種媒質(zhì)決定的。反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象是攝影實踐中經(jīng)常會遇到和利用的情況，只要我們對這一現(xiàn)象有一定的了解，就能在實踐中避免它或利用它。四、透鏡折射面是兩個球面（或一個球面，一個平面）的透明體，叫透鏡。1.透鏡的種類（1）凸透鏡。中央部分比邊緣厚的透鏡叫凸透鏡。凸透鏡能會聚光線，也叫會聚透鏡。（2）凹透鏡。中央部分比邊緣薄的透鏡叫凹透鏡。凹透鏡能發(fā)散光線，也叫發(fā)散透鏡。 2.關于透鏡的一些基礎概念薄透鏡如果一片透鏡的厚度，比該透鏡兩折射面所屬球面半徑小得很多，這片透鏡叫做薄透鏡。我們一般見到和使用的透鏡都是薄透鏡。以下所介紹的也只限于薄透鏡。主光軸兩個折射面球心的連線叫做透鏡的主光軸。光心：在主光軸上有一個特殊點叫光心，射入透鏡的光線通過光心，光進行的方向不改變，即射出透鏡的光線和射入透鏡的光線保持平行。副光軸：通過光心的其它直線叫副光軸。凸透鏡的焦點和焦距：跟凸透鏡主軸平行的平行光束經(jīng)凸透鏡折射后會聚在主軸上的一點F，叫凸透鏡的主焦點，主焦點到光心的距離叫焦距，用f表示。平行光可以從凸透鏡的兩方入射，所以在它的兩方各有一個主焦點F1和F2，因此有相對應的兩個焦距f1和f2。只要透鏡兩邊是相同的媒質(zhì)，f1=f2=f（如圖18）。跟主軸成一定角度與某一副軸平行的平行光束，經(jīng)凸透鏡折射后會聚在副軸上的一點，叫副焦點。很明顯副焦點有很多。對于近軸光線，副焦點都在通過主焦點與主軸垂直的平面內(nèi)，這個平面叫做焦平面（如圖18）。每個凸透鏡都有兩個焦平面。凹透鏡的焦點和焦距：凹透鏡和凸透鏡相似，也有主焦點、副焦點和焦平面。所不同的是凹透鏡發(fā)散光線，平行光束經(jīng)過它的折射散開的光線不能交于一點，而在光線的反向延長線上交于一點F，這一點也叫焦點，是虛焦點，從焦點到光心的距離叫焦距f（如圖19）。一般為區(qū)別焦點的實虛，凸透鏡的焦距取正值，凹透鏡的焦距取負值。3.透鏡成象規(guī)律（1）凸透鏡成象。凸透鏡成象可運用幾條特殊光線來描述：經(jīng)過光心的光線不改變方向；平行于主軸的近軸光線折射后通過焦點。通過焦點的光線折射后平行于主軸。求一發(fā)光點S的象S。求一物體AB的象 AB。u和f是正值，如果v是正值，象就是實象，v是負值，象就是虛象。凸透鏡成象公式是利用相似三角形對應邊成比例的關系得出的。同理也可得出放大率公式。放大率公式：結合上圖可知式中：U=OB 叫物距，V=OB叫象距，f=OF是焦距。當K1時，說明象比物長；當K1時，說明象比物短。（2）凹透鏡成象。凹透鏡成象可用以下幾條特殊光線來描述：經(jīng)過光心的光線不改變方向。平行于主軸的近軸光線折射后，它的反方向延長線交于虛焦點。通過虛焦點的光線折射后平行于主軸。凹透鏡成象作圖法如圖113、114。（因透鏡有兩個焦點，作圖時必須注意什么情況要用哪一側的焦點，所以凹透鏡應特別注意）求一發(fā)光點S的象S；求一物體AB的象AB。凹透鏡成象公式：式中u是正值，v和f是負值放大率公式：凸透鏡的成象公式和凹透鏡的成象公式以及放大率公式是完全相同的。因此，這兩個公式只要在不同的情況下u、v、f取不同的符號即能適應兩種透鏡各種情況。一般將實物放在鏡前，因此u取正值。f的正負，決定于焦點的實虛。凸透鏡：f0；凹透鏡：f0。V的正負，決定象的實虛。V0：成實象。V0；成虛象。（3）透鏡象的各種情況凸透鏡：凸透鏡的成象情況可用表11說明：表1-1在第5種情況中，u=f，v=，可以說在無限遠成象。u=f是凸透鏡成實象和成虛象的分界點。凹透鏡：實物放在凹透鏡前無論什么地方都成正立縮小的虛象。第二節(jié) 色度學原理色度學確切的講它是研究人眼對顏色感覺規(guī)律的一門科學。每個人的視覺并不是完全一樣的。在正常視覺的群體中間，也有一定的差別。目前在色度學上為國際所引用的數(shù)據(jù)，是由在許多正常視黨人群中觀測得來的數(shù)據(jù)而得出的平均結果。就技術應用理論上來說，已具備足夠的代表性和可靠的準確性。一、顏色的確切含意在日常生活中，人們習慣把顏色歸屬于某一物體的本身，把它作為某一物體所具有的屬于自身的基本性質(zhì)。比如人們所常講的那是一塊紅布，那是一張白紙等等。但在實際上，人們在眼中所看到的顏色，除了物體本身的光譜反射特性之外，主要和照明條件所造成的現(xiàn)象有關。如果一個物體對于不同波長的可視光波具有相同的反射特性，我們則稱這個物體是白色的。而這物體是白色的結論是在全部可見光同時照射下得出的。同樣是這個物體，如果只用單色光照射，那這個物體的顏色就不再是白色的了。同樣的道理，一塊紅布如果是我們在白天日光下得出的結論，那同樣是這塊布在紅光的照射下，在人們眼中反映出的顏色就不再是紅色的而是白色的。這些現(xiàn)象說明，在人們眼中所反映出的顏色，不單取決于物體本身的特性，而且還與照明光源的光譜成分有著直接的關系。所以說在人們眼中反映出的顏色是物體本身的自然屬性與照明條件的綜合效果。我們用色度學來評價的結論就是這種綜合效果。二、色彩三要素任何色彩的顯示，實際上都是色光刺激人們的視覺神經(jīng)而產(chǎn)生感覺，我們把這種感覺稱之為色覺。色別、明度和飽合度是色彩的三個特征，也是色覺的三個屬性，通常將色別、色彩明度和色飽合度稱為“色彩三要素”。1.色別色彩所具有的最顯著特征就是色別，也稱色相。它是指各種顏色之間的差別。從表面現(xiàn)象來講，例如一束平行的白光透過一個三棱鏡時，這束白光因折射而被分散成一條彩色的光帶，形成這條光帶的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色，就是不同的色別。從物理光學的角度上來講，各種色別是由射入人眼中光線的光譜成分所決定的，色別即色相的形成取決于該光譜成分的波長。 我們所講的光是電磁波譜中的一小部分，波長范圍大約為400700毫微米，在這個范圍內(nèi)各種波長的光呈現(xiàn)出各種不同的色彩。在自然界中所呈現(xiàn)出的各種色彩大都是由不同波長和強度的光波混合在一起而顯示出來的，有的則是某個單一波長的固有特性色彩?？傊珓e就是指不同顏色之間質(zhì)的差別，它們是可見光譜中不同波長的電磁波在視覺上的特有標志。2.明度明度是指色彩的明暗程度。每一種顏色在不同強弱的照明光線下都會產(chǎn)生明暗差別，我們知道，物體的各種顏色，必須在光線的照射下，才能顯示出來。這是因為物體所呈現(xiàn)的顏色，取決于物體表面對光線中各種色光的吸收和反射性能。前面提到的紅布之所以呈現(xiàn)紅色，是由于它只反射紅光，吸收了紅光之外的其余色光。白色的紙之所以呈現(xiàn)白光，是由于它將照射在它表面上的光的全部成分完全反射出來。如果物體表面將光線中各色光等量的吸收或全部吸收，物體的表現(xiàn)將呈現(xiàn)出灰色或黑色。同一物體由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就產(chǎn)生了同一顏色的物體在不同能量光線的照射下呈現(xiàn)出明暗的差別。 白顏料屬于高反射率物質(zhì)，無什么顏色摻入白顏料，可以提高自身的明度。黑顏料屬于反射率極低的物質(zhì)，因此在各種顏色的同一顏色中（黑除外）摻黑越多明度越低。在攝影中，正確處理色彩的明度很重要，如果只有色別而沒有明度的變化，就沒有縱深感和節(jié)奏感，也就是我們常說的沒層次。3.飽和度飽和度是指構成顏色的純度，它表示顏色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，該色彩的飽和度越高，反之則飽和度越低。從實質(zhì)上講，飽和度的程度就是顏色與相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，顏色越不飽和。色彩飽和度與被攝物體的表面結構和光線照射情況有著直接的關系。同一顏色的物體，表面光滑的物體比表面粗糙的物體飽和度大；強光下比陰暗的光線下飽和度高。 不同的色別在視覺上也有不同的飽和度，紅色的飽和度最高，綠色的飽和度最低，其余的顏色飽和度適中。在照片中，高飽和度的色彩能使人產(chǎn)生強烈、艷麗親切的感覺；飽和度低的色彩則易使人感到淡雅中包含著豐富。三、三原色和三補色之間的關系自然界中各種物體所表現(xiàn)出的不同色彩，都是由藍色、綠色和紅色光線按適當比例混合起來即作用不同的吸收或反射而呈現(xiàn)在人們眼中的。所以，藍色、綠色和紅色就是組成各種色彩的基本成分。因此我們把這三個感色單元稱為三原色。三原色的光譜波長如下：435.8Nm波長約400500毫微米的范圍屬藍光范圍；546.1Nm波長約500600毫微米的范圍屬綠光范圍；700Nm波長約600700毫微米的范圍屬紅光范圍。這三個原色的光波在可見光光譜中各占三分之一。三個原色中的一個與另外兩個原色或其中一個原色等量相加，就可得到其它的色彩，其規(guī)律可用下式表示：由此可見，三原色的構成和疊加可以概括為以下四點：1.自然界的色彩是由三原色為基本色構成的，三原色按不同的比例相混合可以合成出自然界中的任何顏色。2.藍、綠、紅這三種原色是互相獨立的，它們中的任何一種顏都不能用另外兩種顏色混合得到。3.三種原色的混合比例決定色別。4.混合色光的亮度等于各原色光的亮度和。根據(jù)上述色光疊加的規(guī)律，我們分別將（1）（2）（3）式代入到（4）式中?？傻糜蒖+G=Y得 R=Y-G（5）（5）代入（4）得Y-G+G+B=WY+B=W 黃光+藍光=白光由R+B=M得 R=M-B（6）（6）代入（4）得M-B+G=B=WM+G=W 品紅光+綠光=白光由 G+B=C得G=C-B（7）（7）代入（4）得R+C-B+B=WR+C=W 紅光+青光=白光兩種色光相加后如果得到白光，則該兩色光互為補色。與藍光、綠光和紅光互為補色的三色光分別為黃色、品紅光和青光。我們通常稱這三色光為“三補色”。這三個補色，在可見光譜中，各約占三分之二。第三節(jié) 亮度與照度攝影離不開光線，光的本質(zhì)實際上就是以光源發(fā)射出的能被人眼看到的輻射能。攝影鏡頭實際上是一個收集光能并把景物清晰的成象在感光膠片上的工具。而真正需要在光能量的作用下發(fā)生化學變化的是感光膠片，照相機只不過是一臺控制光通量的閥門。怎樣才能控制好這臺起閥門作用的機器，使得感光膠片上所得到的光能恰到好處的使感光乳劑發(fā)生變化呢？光講要正確的曝光，這個概念實際上是很模糊的。要科學的解答這個問題，就應從光的本質(zhì)和表示光能強度等方面有一個了解。通過對色度學原理的介紹，我們知道光的本質(zhì)是在整個電磁頻譜中的一小部分，波長范圍約為400700毫