中学物理校本教材《光学》Word文档下载推荐.docx

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近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。

这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。

在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。

平板显示技术与器件

平板显示是采用平板显示器件辅以逻辑电路来实现显示的。

由于其电压低、重量轻、体积小、显示质量优异，无论在民用领域还是在军用领域都将获得广泛应用。

该方向主要从事发光与信息显示前沿科学问题。

既包括发光显示材料（有机材料、无机材料及其相关复合等材料），又包括诸多（场发射、等离子体、发光二极管、液晶及电致发光等）显示器件等方面的研究。

全光信号处理及网络应用技术

主要研究光通信网络、光纤传感及生物医学光子学领域的前沿课题——光分组交换全光网的网络技术及支撑光分组交换的全光信号处理技术，如光弹性分组环光纤通信网、全光缓存技术、光开关、光逻辑、光信头识别、分布式光纤传感系统、光纤性能在线检测、光纤技术在生物医学光子学中的应用等。

光电检测技术

主要研究先进制造技术、轨道交通等工程领域内各种几何及物理量的光电检测机理、方法、技术与实现途径，并采用各种信息与信号处理方法与技术来获得各种评价参数，最终实现对重要零部件与设备关键参数及缺陷的实时检测与故障诊断，确保其运行安全。

生物分子光探测技术

采用先进光电子学技术，以朊病毒、HIV等重要病毒为模型，开展病毒与细胞的相互作用机制、免疫保护机制研究，开展生物大分子的探测、分子相互作用识别等先进技术研究，发展快速检测技术。

开展新型病毒载体、真核表达载体技术的研究。

开发新型疫苗和药物。

光电子材料与器件

太阳能电池技术，主要研究先进的晶硅太阳电池工艺，以及单晶硅/非晶硅

异质结（HIT）太阳电池技术、非晶硅薄膜太阳电池技术、有机薄膜太阳电池技术、染料敏化太阳电池技术、宽带吸收增强太阳电池技术等。

研究稀土发光、半导体发光、白光LED照明、无汞荧光灯、光学薄膜基本设计、光存储、光电探测等材料及光电器件，研究这些材料和器件的新技术和新工艺以及它们的应用。

1.3光学研究内容

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学

是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。

它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学

是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。

它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。

波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。

波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；

也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。

1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。

他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。

在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。

它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。

后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：

非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；

由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。

例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；

以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；

以及众多的技术光学：

光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；

还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

第二章数码相机的光学系统

2.1数码相机与传统相机的差别

数码相机的光学成像系统与传统照相机有许多相同和不同之处，相同之处是两者均需要将被摄客观景物清晰地成像在光学系统焦平面后的平面上，并能通过足够的光通量达到曝光目的;

不同之处在于数码相机由CCD或CMOS取代了传统照相机的光化学乳胶片。

因此，CCD或CMOS的成像特性给数码相机的光学系统提出了一些新的结构和性能的要求。

1、数码单反相机和传统单反相机的快门是故障率很高的部件,因为在拍摄的时候首先是面镜要翻上去,然后再暴光,这一系列动作都是非常快的,而且都是机械装置。

有些朋友问我为什么我在用闪光灯时候，在取景器内看不见闪光，通过以上讲解大家应该知道了为什么（反光面镜相当于一个光路的切换开关）。

2、单反相机在更换镜头的时候内部很容易进灰，特别是数码单反，如果CCD上面脏了就只能请专业部门维修清理！

所以在更换镜头的时候尽量找干净无尘的地方进行。

2.2数码光学系统基本结构

图2-1为一种最基本的数码相机成像光学系统，由位于前部的成像物镜和后部的低通滤波器所组成。

成像物镜由若干光学透镜组成，达到校正光学像差并在CCD/CMOS器件表面成像目的;

低通滤波器由两片双折射方向相互垂直的石英晶体薄板和红外滤光片组成，石英晶体的作用是过滤掉成像光束中的高频部分，防止图像产生低频干扰条纹，红外滤光片是为了拦截波长大于0.76μm的光束，使参与成像的光束在人眼视觉光谱范围之内。

图2-1数码相机基本的成像光学系统

和传统35mm照相机一样，数码相机镜头的设计中需要校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和放大色差。

与传统的照相机物镜相比，数码相机的镜头结构比较复杂。

传统35mm的基本柯克型三片物镜系统即可比较好地校正7种光学像差，为35mm普及型平视取景照相机所广泛采用。

而数码相机由于需要较大的相对孔径、较短的焦距和较长的后截距，给像差的校正带来了一定的困难。

镜头中的第一片负透镜的作用是使像方光学主面靠向光电成像器件表面，从而能够使镜头的后截距等于甚至大于镜头焦距，在空间上保证低通滤波器结构的存在。

采用图1所示的结构，对用于1/3英寸成像器件的镜头，焦距范围在2.9一S.Smm之间，后截距均可大于4.5mm，最大相对口径可以达到F1.8一F2.0，最近的成像物距可达200mm。

对用于1/2英寸的成像器件的镜头，焦距范围在4.8一8mm之间，后截距就更可以得到保证。

2.3低通滤波原理

由于数码相机是成像在二维光电阵列上，图像信息由离散的光电探测器获取。

根据奈奎斯特定理，一个光电成像器件能够分辨的最高空间频率等于它的采样频率f。

的一半。

这个频率称为奈奎斯特频率fN（=fN/2）。

光电阵列的分辨能力一般要小于成像物镜的分辨率，因此通常是成像光电阵列中像素的几何尺寸限制了整个系统的空间分辨率。

过高的光学物镜分辨能力不仅不会增加系统的整体分辨能力，而且其中所产生的超过奈奎斯特空间频率极限的高频部分将被反射到基本频带中，与CCD/CMOS像素列阵的空间频率发生莫尔干涉效应。

此时，图像将发生周期频谱交迭混淆，产生意想不到的低频干扰条纹，反而影响了图像质量。

低通滤波片的作用是将对提高系统成像整体分辨率无贡献的高频部分过滤掉，使光学系统的调制传递函数曲线（MTF）呈现出如图2-2所示的状态。

图2-2传统相机与数码相机光学系统MTF的比较

石英晶体具有双折射效应，带有同一目标图像信息的光束以一定的方向通过石英晶体后将被分成寻常光束（o光）和异常光束（e光）。

。

光和e光相对错开一定的距离，可以达到降低空间频率的作用。

如图3所示，设人射光和晶体光轴之间的夹角为B，寻常光速的折射率为nO，异常光束的折射率为ne，寻常光束和异常光束分开的距离为d，石英晶体的厚度为T,则存在如下的关系式:

（2.1）

当tgθ=ne/no时，就可以得到最大的分开距离。

近似地，当ne≈nO时，θ=45°

，公式（2-1）可简化为：

d=

（2.2）

图2-3光线通过石英晶体后的传播方向

低通滤波器通常用两片石英晶体制成、第一块晶体的上表面镀有光学增透膜用于降低人射光能量的损耗，第二块晶体表面镀有红外滤光膜或加有红外滤光片，以减小红外辐射对光电探测器件的影响。

两块晶体的光轴均与成像光轴成450，同时两块晶体的光轴分别处于两个相互垂直的平面中。

每条成像光线通过第一片晶体后在一个方向上发生双折射产生o1光和e1光。

当通过第二片晶体后，o1光和e1，光又在垂直于原先扩展的方向上，分别产生oo2光、oe2光、eo2光、ee2光，d的目的。

由于d的数值很小（μm级）因此双折射效应不会对低频的成像信号产生很大的影响。

但双折射效应对于无助于提高系统分辨率并有可能产生莫尔干涉的高频部分具有过滤的作用。

2.4焦距与视场

镜头焦距是数码相机镜头的首要参数，通常用f'

表示。

焦距的大小直接关系到视场角的大小。

如图2-4所示，我们分别用H,V和h,，分别表示数码相机物方和像方视场的大小，则光学系统视场角2ω可表示为:

2ω=2

=2

（2.3）

ω为半视场角；

l为物距。

目前常用的CCD/CMOS面阵器件的尺寸有1英寸、2l3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。

对于一定大小的光电成像器件来说，焦距的增大意味着视场角的减小。

图2-4镜头焦距与视场的关系

与传统照相机相同，数码镜头也有标准镜头、广角镜头、长焦望远镜头和变焦镜头之分。

标准镜头的视场与人眼在正常情况下能看到的清晰范围视场相仿，在数值上，当镜头焦距与像方视场对角线近似相等时，则称该镜头为标准镜头。

表i列出了35mm胶卷与各类光电成像器件标准镜头焦距的范围。

当焦距大于标准镜头时，视场角减