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光學原理淺談光學原理淺談看山是山看山是山六十年前，老衲看山是山，看水是水：六十年前，老衲看山是山，看水是水：三十年前，老衲看山不是山，看水不是水；三十年前，老衲看山不是山，看水不是水；現在老衲看山還是山，看水還是水。現在老衲看山還是山，看水還是水。”l一.光是什麼?什麼叫“看見”?l困惑人類 數千年l1.最早對光學有記載研究的書籍是中國的墨子最早對光學有記載研究的書籍是中國的墨子(西元前西元前400年年).l a.提出了影的關念提出了影的關念.b.和針孔成像的理論和針孔成像的理論.(圖一圖一)l2.希臘時代希臘時代:一個最古老的理論主張視覺是由眼睛發射出某種東西，落一個最古老的理論主張視覺是由眼睛發射出某種東西，落在被看到的物體上，和從物體所發射出的另一種東西混合在被看到的物體上，和從物體所發射出的另一種東西混合 l3.亞里斯多德則認為光是眼睛和物體之間的媒介干預所造成的亞里斯多德則認為光是眼睛和物體之間的媒介干預所造成的 二看光是粒子二看光是粒子?粒子說:牛頓Newton(16421727)認為光是一種流動的粒子.從光源（如太陽處)快速的飛向地球。當光粒子進入眼中時便刺激眼球形成視覺。支持理論:光的直進性、幾何光學、反射、透鏡成像.三三 看光是波看光是波?(不是粒子不是粒子)波動說:惠更斯(Huygens)(16291695)1.兩光束交錯時不會有影響，卻無法想像兩束流動的粒子交錯時如何能不至於互相碰撞 提出光的波動說.2.科學大怪物:“以太”在哪裡?3.Maxwell 在電磁理論裡証明光是電磁波的一種.1803年楊氏(Thomas Young)的干涉實驗真正推翻了粒子說崇高的地位。l楊氏楊氏干涉實驗干涉實驗.光的干涉現象是波動說的最有利證據。光的干涉現象是波動說的最有利證據。圖圖(二二)三.光是粒子又不是波?光電效應 普朗克普朗克(planck)假說假說.“量子量子(Photon)”(1900)四四 看光是粒子,也是波 1905年愛因斯坦年愛因斯坦(Einstein)提出光量子理論和光電方程。提出光量子理論和光電方程。他把光視為光子處理他把光視為光子處理,並和光波概念合併為光的二相性並和光波概念合併為光的二相性.(the dual nature of light).从看光是粒子,不是波，到看光是波,不是粒子，到看光是粒子,又不是波，最后再到看光又是粒子,又是波金刚经的凡所有相，皆是虚妄，若见诸相非相，即见如来。老衲三十年前看山是山，看水是水；后来看山不是山，看水不是水；如今看山又是山，看水又是水。l六 幾何光學的特性l 光的直線性光的直線性.光線光線(ray),光束光束(light beam)l光的速率光的速率 c=2.997x108m/sl折射率折射率(refractive indexl 折射率折射率n=真空中之光速真空中之光速c/介質中之光介質中之光速速vl色散色散(Dispersion)l光程光程(optical path)OP=ns.l反射定律(Laws of reflection)l1.入射光入射光,反射光和法線都在同一入射面上反射光和法線都在同一入射面上l2.入射光入射光,反射光在法線兩側反射光在法線兩側.l3.入射角入射角=反射角反射角l折射定理(Laws of refraction)l1入射光入射光,折射光和法線都在同一入射面上折射光和法線都在同一入射面上l2.入射光入射光,折射光在法線兩側折射光在法線兩側.l3.入射角與折射角的關係必遵循入射角與折射角的關係必遵循snell定律定律l nsini=nsin t 七 光學平面性質 臨界角和全反射l外反射外反射(external reflection)疏疏-密密l內反射內反射(internal reflection)密密-疏疏l全反射全反射(total reflection)應用應用-光纖光纖(fiber)棱鏡棱鏡(prism)取景器為什麼都有稜鏡取景器為什麼都有稜鏡?為什麼有的稜鏡要鍍反射膜為什麼有的稜鏡要鍍反射膜,而有的郤需要而有的郤需要?透鏡的種類透鏡的種類v凸透鏡凸透鏡中間厚邊緣薄中間厚邊緣薄(a)雙凸透鏡雙凸透鏡(b)平凸透鏡平凸透鏡(c)凹凸透鏡凹凸透鏡凸透鏡凸透鏡中間薄邊緣厚中間薄邊緣厚 (d)雙凹透鏡雙凹透鏡 (e)平凹透鏡平凹透鏡 (f)凸凹透鏡凸凹透鏡凸透鏡的聚光原理凸透鏡的聚光原理凸透鏡的折光路線凸透鏡的折光路線(1)l與主軸平行的入射光線，折射後必通過另一側的焦點。與主軸平行的入射光線，折射後必通過另一側的焦點。l通過鏡心的光不折射（直進不偏通過鏡心的光不折射（直進不偏。l通過焦點的入射光線，折射後必與主軸平行通過焦點的入射光線，折射後必與主軸平行。影影像像F2主主軸軸F1123物物體體透鏡的的折光性質與焦點透鏡的的折光性質與焦點凸透鏡的焦點為實焦點凹透鏡的焦點為虛焦點厚玻璃的折射厚玻璃的折射L1L2L2是否與L1平行?若此玻璃很薄，L2與L1的關係如何?經透鏡中心的光線不折射，為什麼?與主軸平行的入射光線，折射後必通過另一邊的焦點。F2主軸主軸F11影影像像23物物體體通過焦點的入射光線，折射後必與主軸平行。通過鏡心的光不折射（直進不偏。凸透鏡的折光路線凸透鏡的折光路線(2)縮小實像縮小實像物與像同大小物與像同大小放大實像放大實像凸凸透透鏡鏡造造成成的的實實像像（）DDD凸透鏡成像的性質歸納凸透鏡成像的性質歸納lD2f 縮小的實像縮小的實像 Df 實像實像 D=2f 物長物長=像長像長 D=f 無像無像 D2f 放大的實像放大的實像 Df 虛像虛像 【D:物距物距 f:焦距焦距】凹透鏡的折光路線凹透鏡的折光路線(1)l平行於主軸的入射光，折射後其折射線反向延長，必通過與入平行於主軸的入射光，折射後其折射線反向延長，必通過與入射光線同側的焦點。射光線同側的焦點。l通過鏡心的光不折射（直進不偏通過鏡心的光不折射（直進不偏。l向另一側焦點的前進的入射光，折射後必與主軸平行。向另一側焦點的前進的入射光，折射後必與主軸平行。物體影像1231透鏡生成的虛像比較透鏡生成的虛像比較凸透鏡的虛像比物體大凹透鏡的虛像比物體小l成像光學系統(鏡頭)的基本特性參數 l光欄(stop),如光圈(iris).限制系統光通量(ray flux).l 孔徑光欄(aperture stop)l 入瞳(entrance pupil)l 出瞳(exit pupil)l決定亮度的物理量l a 孔徑角l b F數值班室(F/no.)=f/D l c 數值孔徑(numerical aperture)N.A.l 物高,景深,像高,焦平面.焦深,放大率 造鏡者公式SoChart应放于何处？EFL放大率放大率Aperture StopF/NOChief ray and Marginal ray賽德像差的種類l球差球差 Spherical Aberrationl彗差彗差 Comal像散像散 Astigmatisml場曲場曲 Field Curvaturel畸變畸變 Distortion.主光線主光線(Chief Ray)與邊沿光線與邊沿光線(Marginal Ray)成像點不同導成像品質下降成像點不同導成像品質下降.增加鏡片數或引進非球面可降低球差增加鏡片數或引進非球面可降低球差.離軸光線離軸光線穿越鏡片時穿越鏡片時,隨鏡面環狀區域不同造成焦距及横向放大率的變化隨鏡面環狀區域不同造成焦距及横向放大率的變化.可藉由入射角的控制可藉由入射角的控制,aperture stop 的放置的放置及及鏡片正負曲率相互補償鏡片正負曲率相互補償進消除進消除.離軸光束在子午線向上之焦點位置不同離軸光束在子午線向上之焦點位置不同.誤差大小取決於光束人射角度誤差大小取決於光束人射角度.成像面是一彎曲面成像面是一彎曲面,而非平面而非平面.放大倍率隨高度或入角度不同而不同放大倍率隨高度或入角度不同而不同.照相機照相機Thank you