第一章光学基础知识.docx

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第一章光学基础知识

第一章　光学基础知识

肉眼能感觉到的光称为可见光，它来自各种自然光源和人造光源。

光实质是电磁波，可见光的电磁波波长在380nm～760nm之间。

研究可见光的物理现象有：

1、光是直线传播的：

人影、小孔成像、木工观察平面直不直时都是该现象的验证；

2、光是独立传播的；

3、光路是可逆的；

4、光到达两个介质的介面时，光要产生反射和折射。

第一节　光的反射和球面镜成像

一、光的反射

当光线投射到两种介质的分界面上时，一部分光线改变了传播方向，返回第一媒质里继续传播，这种现象称为光的反射。

自然界的反射分为：

漫反射（不规则反射）

镜面反射（规则反射）

当介质的分界面（反射面）粗糙凹凸不平时，即使入射光线是平行的，反射光线并不平行，这种反射称为漫反射（不规则反射）。

当介质的分界面（反射面）光滑平整时，入射光是平行的，反射光仍然平行的反射，称为镜面反射（规则反射）。

二、反射定律

1、反射光线在入射光线与法线所决定的平面内，反射光与入射光线分居在法线两侧；

2、反射角等于入射角：

i1＝i2　。

三、平面镜成像

像的性质：

①虚像

②正立

③等大

根据等大的性质，可以证明AO＝A′O

当验光室长度尺寸达不到国家规定的5米－6米的距离时，可以利用反射镜成像的原理，将长度尺寸压缩一半。

四、球面镜成像

镜的反射面为球面的一部分称做球面镜

反射面为球形的凹面——凹面镜

反射面为球形有凸面——凸面镜

1、凹面镜的成像：

镜面的几何中心点O，称镜面的顶点。

镜面的曲率中心C，称镜面的球心。

过球心与顶点的连线——称为主光轴，简称为主轴。

当一束平行于主轴的光线入射，经凹面镜反射后相交于镜前主轴上的一点F，F点称为焦点。

r

2

焦距到顶点的距离FO称为焦距，用f表示。

可以证明：

f=r为曲率半径

求凹面镜的成像问题（已知物体位置，求像的位置），可以用二种办法解决。

①公式计算法

1

f

1

S

1

S′

如图，假设物体AB，离凹面镜距离（物距）S；像A′B′，离凹面镜距离（像距）S′；则有如下等式：

－＋　　　＝

符号规则：

a、入射光线自左向右为正，反之为负；反射光线自右向左为正，反之为负；

b、物坐标以球面镜顶点为原点，向右为正，向左为负；

c、像、曲率中心和焦点的坐标也以球面镜顶点为原点，向左为正，向右为负；

d、物点和像点在主轴上方时，其坐标为正，反之为负；

e、图中要表示长度字母时，若要表示负数，应在其前加以负号。

②作图法：

利用三条特殊光线

a、与主轴平行的入射光线，反射光线过焦点；

b、过焦点的入射光线，反射光线平行主轴；

c、过球心的入射光线，反射光线沿原路反射。

2、凸面镜的成像：

留给学员自己完成。

第二节　光的折射

一、光的折射　

光线到达两个介质的界面时，一部分光线在界面上反射，另一部分光线改变传播方向，进入到另一种介质里继续传播，这种现象称为光的折射。

光的折射是普遍存在的物理现象，如插入水中的筷子，浸入水中的部分与　气中的部分有弯折现象；观察位于池底的物体有变浅现象。

二、折射定律

如右图

折射定律：

Sini

Sini′

1、折射光线在入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧；

＝常数

2、

三、折射率

1、光在真空中的传播速度C＝30万公里/秒，光在其它介质里传播速度要下降，如在水中，V水＝3/4C，玻璃中，V玻＝2/3C等等。

这种引起光的传播速度发生变化的原因，反映出介质的一种光学特性，称作介质的绝对折射率，简称折射率。

n＝

C＞V　　　n＞1

C

V

任何介质都有折射率的数值，空气的折射率n≈1

折射定律可表示成：

＝

n2

n1

Sini

Sini′

即

n1·Sini＝n2·Sini′

四、光的全反射

光的传播速度大的介质，也即折射率小的介质称为光疏媒质。

光的传播速度小的介质，也即折射率大的介质称为光密媒质。

当光线从光密介质进入光疏介质时，折射角将大于入射角，随着入射角的增大，折射角也增大。

若折射角为90°时，折射光线沿界面折射，入射角再s增大，折射光线将变成反射光线，遵循反射定律。

对应于折射角为90°时的入射角A称为临界角。

根据折射定律，介质的临界角对于真空或空气有：

n1·SinA＝n2·Sin90°

1

n

设n1＝n　　　n2=1

所以SinA=

全反射是自然界中常见的现象，如玻璃中的气泡特别明亮是全反射的关系；近视眼镜片的涡旋现象，就是因为射入镜片光线在周边发生折射和全反射的结果。

折射棱镜根据全反射的原理，反射面可以不镀反射膜。

第三节　透镜和透镜成像

一、透镜

两个包容面所包容的透明体——透镜。

包容面可以是球面或一球面一平面或一非球面一平面或一非球面一球面。

透明体可以是玻璃，可以是高分子聚合物，也可以是动物的活体。

透镜的分类如下：

透镜两球面的球心的连线称为透镜的主光轴，简称主轴，主轴与透镜的交点称为光学中心，简称为光心。

如果透镜的厚度比起两球面的曲率半径小得多，或者透镜的厚度对透镜的屈光度影响可以忽略不计，这种透镜称为薄透镜。

它可用下面简图表示：

负镜片都可作为薄透镜处理，度数不高的正镜片（＜＋5.00D）也可作为薄透镜处理。

在薄透镜条件下，问题的讨论和计算可以大大简化。

二、透镜的焦点、焦距和焦平面

一束平行于主轴的光线入射到正透镜上，经过透镜的折射光线将会聚到主轴上某点，这点称为焦点。

透镜的焦点有两个，物方焦点和像方焦点。

用F和F′表示。

物方焦点到透镜的距离称为物方焦距，用f表示。

像方焦点到透镜的距离称为像方焦距，用f′表示。

透镜焦距的大小可用下式计算：

1

r1

1

r2

＝（n－1）（　　－　　）

1

f′

三、透镜的成像

1、正透镜的成像：

①公式计算法：

1

S′

1

f′

1

S

＝

＋

－

符号规则：

a、以透镜为准，向左为负，向右为正；

　　　　　b、以主轴为准，向上为正，向下为负；

　　　　　c、要表示长度字母时，若要表示负数，应在其前加上负号。

②作图法：

利用三条特殊光线

a、平行主轴的入射光线折射后过像方焦距F′；

b、过物方焦点F的入射光线折射后平行于主轴；

c、过光心的入射光线，折射后方向不变。

利用焦平面性质作图

透镜成像放大率计算公式：

当　K＞0时　正立、虚像

K＜0时　倒立、实像

｜K｜＞1时　放大像

｜K｜＝1时　等大像

｜K｜＜1时　缩小像

2、负透镜的成像：

留给自己学习。

第四节　棱镜（略）

第二章　　眼镜片概论

第一节　眼镜片的分类

眼镜片按材料和规格用途进行讨论。

一、按材料分类

晶石片

玻璃片

塑胶片

1、晶石片：

为天然晶体　　n＝1.54　　　比重2.65克/cm3

无色：

水晶片

　　　　浅茶晶片

有色：

　茶晶片

（茶晶）　墨晶片

分成五档，市净、市行、小棉、中棉、大棉（棉：

是指晶石片中的石棉效果）。

鉴别方法：

①目测：

看颜色、水纹、石性。

②手感：

感觉光滑、湿润的程度。

从摩氏硬度看，天然金钢石10，红宝石、兰宝石9

晶石片>7，玻璃片>5～5.5（塑胶片<4）

愈硬的东西，愈能加工光滑。

温：

温度，水晶片的传导系数的关系要比玻璃片感觉冰一些。

润：

湿润感。

③仪器检查：

检查成份、双折射。

现在市场上假冒的水晶主要为人造水晶，又分为：

熔炼水晶：

水晶矿石经过熔炼而成。

生成水晶：

石英粉末在高温高压下生长而成。

水晶重量较大，加工困难，对红外、紫外不能吸收，而且存在双折射，价格昂贵，所以作为眼镜镜片的加工已被玻璃或塑胶片所代替。

2、玻璃片：

光白片

无色

高折射率片

克斯片

有色克塞片

变色片

光白片

UV光白片

①光白片：

光白片：

n=1.53V=60.5透光率≥91%比重2.54克/cm3

UV光白片：

n=1.523V=58.6透光率≥91%可吸收380nm波长以下的紫外线。

一般用作平光、近视、远视、散光和双光镜片的制作加工。

②高折射率片：

n=1.65～1.90V=31～41比重2.99～4.80克/cm3

由于n高，在相同屈光度情况下，眼镜片弯度可做得浅一些，所以镜片边缘较薄、重量变轻，适合高度数眼镜片的制作加工。

高折射率镜片的缺点：

a、色差大，由于V较低，经过眼镜片边缘的物体成的像带有色边。

b、像散大，由于眼镜片弯度问题，眼镜片边缘视场成像不清晰。

c、透光率低，含氧化铅较多的缘故。

③克斯片：

眼镜片材料中添加氧化铈、氧化钕等物质。

n=1.523V≥56透光率≥84%可吸收340nm以下波长的紫外线。

在日光下呈浅兰色，白炽灯下呈浅紫黄色。

其用途同光白片。

④克塞片：

眼镜片材料中添加氧化硒、氧化锰、氧化铈等物质。

n=1.523V≥56透光率≥86%可吸收350nm以下波长的紫外线。

镜片呈浅粉红色。

其用途同光白片。

⑤变色片：

又称光致变色片。

是在玻璃材料中添加卤化物的缘故。

如

AgIAg+＋I－

国内有灰变和茶变。

添加AgCl添加AgBr

若再添加钕或镨，眼镜片就会引起兰灰变化或粉红茶色变化。

变色片的饱和度（最高浓度时的状态）和变色时间取决于以下四个因素：

饱和度高、变色快

饱和度低、变色慢

A、光源种类

短波光线

长波光线

B、照度

照度大

照度小

C、眼镜片温度

温度低

温度高

D、眼镜片厚度

镜片厚

镜片薄

配变色片注意事项：

A、损坏一片，应两片同时换；工厂是按锅号配对的。

B、屈光度数较高的镜片（大于±5.00DS）不宜配变色片。

C、眼镜片退色不完全时，眼镜片已老化应及时更换。

3、塑胶片：

有机玻璃PMMA（亚克力）

CR—39

PC片

①有机玻璃片（亚克力）

n=1.491V=57.6透光率92%比重1.19克/cm3耐磨性2H

一般用于太阳眼镜片的制作。

②CR—39：

n=1.498V=57.8透光率89～92%比重1.32克/cm3耐磨性4H

现在已开发出n=1.56～1.74的眼镜片

优点：

a、不易破碎，破碎后破口不锋利。

b、重量轻。

c、可以方便地染色。

d、对紫外吸收优于普遍玻璃眼镜片。

特别适合学生、野外工作人员、体育工作者使用。

缺点：

a、表面硬度低：

必须镀硬膜，镀硬膜后硬度可提高到6H～8H。

眼镜片请擦时必须先用水冲洗。

b、透光率低：

透光率为89～92%，最好镀增透膜。

c、最小厚度厚：

玻璃片最小厚度0.6～0.8nm，CR—39最小厚度1.2～1.5nm。

③PC片：

又称太空片、宇宙片。

n=1.584V=29.9透光率85～91%比重1.20克/cm3耐磨性B

优点：

a、强度高：

强度很高，为玻璃片的60倍，传统树脂片的10倍，厚度为2.5公分时成为防弹玻璃。

b、重量特轻：

比玻璃片轻57%，比传统树脂片轻37%，可以做得象超薄片一样薄。

c、能100%吸收紫外线。

缺点：

a、耐磨性差：

级别为B，所以PC片一般要镀增硬膜（作为汽车防弹玻璃要镀防刮膜）。

b、色差大：

v=29.9现在小框架流行时期，色差的矛盾并不突出。

c、透光率低：

86～91%，最好镀增透膜。

二、按镜片规格用途分类

1、镜片规格：

直径规格（略）

厚度规格（略）

2、按用途分类：

近视

远视

平光

球面