中學(xué)物理校本教材《光學(xué)》

1、第一章 光學(xué)簡(jiǎn)介1.1簡(jiǎn)介在早期，主要是基于幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)拓寬人的視覺(jué)能力，建立了以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、光譜儀和干涉儀等為典型產(chǎn)品的光學(xué)儀器工業(yè)。這些技術(shù)和工業(yè)至今仍然發(fā)揮著重要作用。本世紀(jì)中葉，產(chǎn)生了全息術(shù)和以傅里葉光學(xué)為基礎(chǔ)的光學(xué)信息處理的理論和技術(shù)。特別是六十年代初第一臺(tái)激光器的問(wèn)世，實(shí)現(xiàn)了高亮度和高時(shí)一空相干度的光源，使光子不僅成為了信息的相干載體而且成為了能量的有效載體，隨著激光技，本和光電子技術(shù)的崛起，光學(xué)工程已發(fā)展為光學(xué)為主的，并與信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)。生命科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)及微電子技術(shù)等學(xué)科緊密交叉和相互滲透的學(xué)科。它包含了許多重要的新興

2、學(xué)科分支，如激光技術(shù)、光通信、光存儲(chǔ)與記錄、光學(xué)信息處理、光電顯示、全息和三維成像薄膜和集成光學(xué)、光電子和光子技術(shù)、激光材料處理和加工、弱光與紅外熱成像技術(shù)、光電測(cè)量、光纖光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)和光電子儀器及器件、光學(xué)遙感技術(shù)以及綜合光學(xué)工程技術(shù)等。這些分支不僅使光學(xué)工程產(chǎn)生了質(zhì)上的躍變，而且推動(dòng)建立了一個(gè)規(guī)模迅速擴(kuò)大的前所未有的現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)和光電子產(chǎn)業(yè)。 1.2發(fā)展近些年來(lái)，在一些重要的領(lǐng)域，信息載體正在由電磁波段擴(kuò)展到光波段，從而使現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)的主體集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲(chǔ)、顯示和傳感等的光電信息產(chǎn)業(yè)上。這些產(chǎn)業(yè)一般具有數(shù)字化、集成化和微結(jié)構(gòu)化等技術(shù)特征。在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)不斷地智

3、能化和自動(dòng)化，從而仍然能夠發(fā)揮重要作用的同時(shí)，對(duì)集傳感、處理和執(zhí)行功能于一體的微光學(xué)系統(tǒng)的研究和開(kāi)拓光子在信息科學(xué)中作用的研究，將成為今后光學(xué)工程學(xué)科的重要發(fā)展方向。平板顯示技術(shù)與器件平板顯示是采用平板顯示器件輔以邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的。由于其電壓低、重量輕、體積小、顯示質(zhì)量?jī)?yōu)異，無(wú)論在民用領(lǐng)域還是在軍用領(lǐng)域都將獲得廣泛應(yīng)用。該方向主要從事發(fā)光與信息顯示前沿科學(xué)問(wèn)題。既包括發(fā)光顯示材料（有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料及其相關(guān)復(fù)合等材料），又包括諸多（場(chǎng)發(fā)射、等離子體、發(fā)光二極管、液晶及電致發(fā)光等）顯示器件等方面的研究。全光信號(hào)處理及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)主要研究光通信網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感及生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域的前沿課題光分組

4、交換全光網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及支撐光分組交換的全光信號(hào)處理技術(shù)，如光彈性分組環(huán)光纖通信網(wǎng)、全光緩存技術(shù)、光開(kāi)關(guān)、光邏輯、光信頭識(shí)別、分布式光纖傳感系統(tǒng)、光纖性能在線(xiàn)檢測(cè)、光纖技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中的應(yīng)用等。 光電檢測(cè)技術(shù)主要研究先進(jìn)制造技術(shù)、軌道交通等工程領(lǐng)域內(nèi)各種幾何及物理量的光電檢測(cè)機(jī)理、方法、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)途徑，并采用各種信息與信號(hào)處理方法與技術(shù)來(lái)獲得各種評(píng)價(jià)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)重要零部件與設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)及缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)與故障診斷，確保其運(yùn)行安全。生物分子光探測(cè)技術(shù)采用先進(jìn)光電子學(xué)技術(shù)，以朊病毒、hiv等重要病毒為模型，開(kāi)展病毒與細(xì)胞的相互作用機(jī)制、免疫保護(hù)機(jī)制研究，開(kāi)展生物大分子的探測(cè)、分子相互作用識(shí)別

5、等先進(jìn)技術(shù)研究，發(fā)展快速檢測(cè)技術(shù)。開(kāi)展新型病毒載體、真核表達(dá)載體技術(shù)的研究。開(kāi)發(fā)新型疫苗和藥物。光電子材料與器件太陽(yáng)能電池技術(shù)，主要研究先進(jìn)的晶硅太陽(yáng)電池工藝，以及單晶硅/非晶硅 異質(zhì)結(jié)（hit）太陽(yáng)電池技術(shù)、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)、有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)、染料敏化太陽(yáng)電池技術(shù)、寬帶吸收增強(qiáng)太陽(yáng)電池技術(shù)等。研究稀土發(fā)光、半導(dǎo)體發(fā)光、白光led照明、無(wú)汞熒光燈、光學(xué)薄膜基本設(shè)計(jì)、光存儲(chǔ)、光電探測(cè)等材料及光電器件，研究這些材料和器件的新技術(shù)和新工藝以及它們的應(yīng)用。1.3光學(xué)研究?jī)?nèi)容我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。幾何光學(xué)是從幾個(gè)由實(shí)驗(yàn)得來(lái)的基本原理出發(fā)，來(lái)研究光的傳播問(wèn)題的學(xué)科。它利

6、用光線(xiàn)的概念、折射、反射定律來(lái)描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通?？偸遣▌?dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限。物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱(chēng)為波動(dòng)光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動(dòng)光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時(shí)現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)光的現(xiàn)象的影響。 量子光學(xué)量子光學(xué)是以

7、輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實(shí)際相符甚好的經(jīng)驗(yàn)公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。1905年，愛(ài)因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸收，而無(wú)需電磁理論所預(yù)計(jì)的那種累積能量的時(shí)間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對(duì)它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離

8、開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能。這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來(lái)研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。光的這種既表現(xiàn)出波動(dòng)性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來(lái)的研究從理論和實(shí)驗(yàn)上無(wú)可爭(zhēng)辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動(dòng)的特性。應(yīng)用光學(xué)光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來(lái)研究電磁輻射所引起的彩色視覺(jué)，及其心理物理量的測(cè)

9、量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測(cè)試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等；還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。第二章 數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)2.1數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的差別數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)照相機(jī)有許多相同和不同之處，相同之處是兩者均需要將被攝客觀景物清晰地成像在光學(xué)系統(tǒng)焦平面后的平面上，并能通過(guò)足夠的光通量達(dá)到曝光目的;不同之處在于數(shù)碼相機(jī)由ccd或cmos取代了傳統(tǒng)照相機(jī)的光化學(xué)乳膠片。因此，ccd或cmos的成像特性給數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)提出了一些新的結(jié)構(gòu)和性能的要求。1、數(shù)碼單反相

10、機(jī)和傳統(tǒng)單反相機(jī)的快門(mén)是故障率很高的部件,因?yàn)樵谂臄z的時(shí)候首先是面鏡要翻上去,然后再暴光,這一系列動(dòng)作都是非?？斓?而且都是機(jī)械裝置。有些朋友問(wèn)我為什么我在用閃光燈時(shí)候，在取景器內(nèi)看不見(jiàn)閃光，通過(guò)以上講解大家應(yīng)該知道了為什么（反光面鏡相當(dāng)于一個(gè)光路的切換開(kāi)關(guān)）。2、單反相機(jī)在更換鏡頭的時(shí)候內(nèi)部很容易進(jìn)灰，特別是數(shù)碼單反，如果ccd上面臟了就只能請(qǐng)專(zhuān)業(yè)部門(mén)維修清理！所以在更換鏡頭的時(shí)候盡量找干凈無(wú)塵的地方進(jìn)行。2.2數(shù)碼光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖2-1為一種最基本的數(shù)碼相機(jī)成像光學(xué)系統(tǒng)，由位于前部的成像物鏡和后部的低通濾波器所組成。成像物鏡由若干光學(xué)透鏡組成，達(dá)到校正光學(xué)像差并在ccd/cmos器件表面

11、成像目的;低通濾波器由兩片雙折射方向相互垂直的石英晶體薄板和紅外濾光片組成，石英晶體的作用是過(guò)濾掉成像光束中的高頻部分，防止圖像產(chǎn)生低頻干擾條紋，紅外濾光片是為了攔截波長(zhǎng)大于0.76m的光束，使參與成像的光束在人眼視覺(jué)光譜范圍之內(nèi)。 圖2-1數(shù)碼相機(jī)基本的成像光學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)35mm照相機(jī)一樣，數(shù)碼相機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)中需要校正球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、位置色差和放大色差。與傳統(tǒng)的照相機(jī)物鏡相比，數(shù)碼相機(jī)的鏡頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。傳統(tǒng)35mm的基本柯克型三片物鏡系統(tǒng)即可比較好地校正7種光學(xué)像差，為35mm普及型平視取景照相機(jī)所廣泛采用。而數(shù)碼相機(jī)由于需要較大的相對(duì)孔徑、較短的焦距和較長(zhǎng)的后截距，給像差的

12、校正帶來(lái)了一定的困難。鏡頭中的第一片負(fù)透鏡的作用是使像方光學(xué)主面靠向光電成像器件表面，從而能夠使鏡頭的后截距等于甚至大于鏡頭焦距，在空間上保證低通濾波器結(jié)構(gòu)的存在。采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，對(duì)用于1/3英寸成像器件的鏡頭，焦距范圍在2.9一s . smm之間，后截距均可大于 4.5mm，最大相對(duì)口徑可以達(dá)到f1.8一f2.0，最近的成像物距可達(dá)200mm。對(duì)用于1/2英寸的成像器件的鏡頭，焦距范圍在4.8一8mm之間，后截距就更可以得到保證。2.3低通濾波原理 由于數(shù)碼相機(jī)是成像在二維光電陣列上，圖像信息由離散的光電探測(cè)器獲取。根據(jù)奈奎斯特定理，一個(gè)光電成像器件能夠分辨的最高空間頻率等于它的采樣頻率

13、f。的一半。這個(gè)頻率稱(chēng)為奈奎斯特頻率fn(=fn/2)。光電陣列的分辨能力一般要小于成像物鏡的分辨率，因此通常是成像光電陣列中像素的幾何尺寸限制了整個(gè)系統(tǒng)的空間分辨率。過(guò)高的光學(xué)物鏡分辨能力不僅不會(huì)增加系統(tǒng)的整體分辨能力，而且其中所產(chǎn)生的超過(guò)奈奎斯特空間頻率極限的高頻部分將被反射到基本頻帶中，與ccd/cmos像素列陣的空間頻率發(fā)生莫爾干涉效應(yīng)。此時(shí)，圖像將發(fā)生周期頻譜交迭混淆，產(chǎn)生意想不到的低頻干擾條紋，反而影響了圖像質(zhì)量。低通濾波片的作用是將對(duì)提高系統(tǒng)成像整體分辨率無(wú)貢獻(xiàn)的高頻部分過(guò)濾掉，使光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線(xiàn)(mtf )呈現(xiàn)出如圖2-2所示的狀態(tài)。 圖2-2傳統(tǒng)相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)光學(xué)系

14、統(tǒng)mtf的比較石英晶體具有雙折射效應(yīng)，帶有同一目標(biāo)圖像信息的光束以一定的方向通過(guò)石英晶體后將被分成尋常光束(o光)和異常光束(e光)。光和e光相對(duì)錯(cuò)開(kāi)一定的距離，可以達(dá)到降低空間頻率的作用。如圖3所示，設(shè)人射光和晶體光軸之間的夾角為b，尋常光速的折射率為no，異常光束的折射率為ne，尋常光束和異常光束分開(kāi)的距離為d，石英晶體的厚度為t,則存在如下的關(guān)系式: （2.1）當(dāng)tg=ne/no 時(shí)，就可以得到最大的分開(kāi)距離。近似地，當(dāng)neno時(shí)，=45，公式（2-1）可簡(jiǎn)化為： d= (2.2) 圖2-3光線(xiàn)通過(guò)石英晶體后的傳播方向低通濾波器通常用兩片石英晶體制成、第一塊晶體的上表面鍍有光學(xué)增透膜用于

15、降低人射光能量的損耗，第二塊晶體表面鍍有紅外濾光膜或加有紅外濾光片，以減小紅外輻射對(duì)光電探測(cè)器件的影響。兩塊晶體的光軸均與成像光軸成450，同時(shí)兩塊晶體的光軸分別處于兩個(gè)相互垂直的平面中。每條成像光線(xiàn)通過(guò)第一片晶體后在一個(gè)方向上發(fā)生雙折射產(chǎn)生o1光和e1光。當(dāng)通過(guò)第二片晶體后，o1光和e1，光又在垂直于原先擴(kuò)展的方向上，分別產(chǎn)生oo2光、oe2光、eo2光、ee2光，d的目的。由于d的數(shù)值很小(m級(jí))因此雙折射效應(yīng)不會(huì)對(duì)低頻的成像信號(hào)產(chǎn)生很大的影響。但雙折射效應(yīng)對(duì)于無(wú)助于提高系統(tǒng)分辨率并有可能產(chǎn)生莫爾干涉的高頻部分具有過(guò)濾的作用。2.4焦距與視場(chǎng)鏡頭焦距是數(shù)碼相機(jī)鏡頭的首要參數(shù)，通常用f表示。

16、焦距的大小直接關(guān)系到視場(chǎng)角的大小。如圖2-4所示，我們分別用h, v和h,，分別表示數(shù)碼相機(jī)物方和像方視場(chǎng)的大小，則光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角2可表示為: 2=2=2 （2.3）為半視場(chǎng)角；l為物距。目前常用的ccd/ cmos面陣器件的尺寸有1英寸、2l3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。對(duì)于一定大小的光電成像器件來(lái)說(shuō)，焦距的增大意味著視場(chǎng)角的減小。 圖2-4鏡頭焦距與視場(chǎng)的關(guān)系與傳統(tǒng)照相機(jī)相同，數(shù)碼鏡頭也有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭、長(zhǎng)焦望遠(yuǎn)鏡頭和變焦鏡頭之分。標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視場(chǎng)與人眼在正常情況下能看到的清晰范圍視場(chǎng)相仿，在數(shù)值上，當(dāng)鏡頭焦距與像方視場(chǎng)對(duì)角線(xiàn)近似相等時(shí)，則稱(chēng)該鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。表i列出了35

17、mm膠卷與各類(lèi)光電成像器件標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距的范圍。當(dāng)焦距大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭時(shí)，視場(chǎng)角減小，成像放大倍數(shù)增加，產(chǎn)生遠(yuǎn)方的物體被拉近的效果，因此常被稱(chēng)為望遠(yuǎn)鏡頭。當(dāng)焦距小于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭時(shí)，攝影視場(chǎng)角增大，因此常被稱(chēng)為廣角鏡頭。一般，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視角范圍在40 - 53之間接近于人眼正常的視角范圍;廣角鏡頭的視角范圍在60一84之間;超廣角鏡頭的視角范圍在94一118之間。許多數(shù)碼相機(jī)的鏡頭標(biāo)識(shí)中常采用等效焦距方法，即在攝影視場(chǎng)角相當(dāng)?shù)臈l件下，數(shù)碼鏡頭等效于35mm傳統(tǒng)照相機(jī)鏡頭的焦距。數(shù)碼變焦相機(jī)有光學(xué)變焦和電子變焦之分。電子變焦是對(duì)己獲得的數(shù)字圖像信息通過(guò)數(shù)字圖像處理，對(duì)其中的局部放大而獲得。電子變焦可以放大圖

18、像，但不能夠增加被放大部分的細(xì)節(jié)信息。圖像細(xì)節(jié)的客觀信息量被成像系統(tǒng)的等效分辨率所限定。光學(xué)變焦是真正能夠改變成像系統(tǒng)的焦距，并在變焦過(guò)程中能夠保證系統(tǒng)的等效分辨率水平。圖2-5為一種用于1/4英寸ccd的變焦鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由兩組透鏡組成，前級(jí) 圖2-5一種數(shù)碼相機(jī)的變焦鏡頭為負(fù)透鏡組，后組為正透鏡組。變焦過(guò)程中，兩組透鏡均按一定的相對(duì)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，有效焦距可以從3 . 37mm(圖2-5a)連續(xù)變焦到9.44mm(圖2-5b)，視場(chǎng)角2m從短焦時(shí)的69.00變化到長(zhǎng)焦時(shí)的26.80，最大相對(duì)孔徑相應(yīng)地從f2.4變到f3.3。該類(lèi)鏡頭的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是在變焦的過(guò)程中，將成像像面漂移控制在不影響系統(tǒng)

19、等效分辨率的很小的范圍之中。為達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果，變焦鏡頭中常有一片或數(shù)片非球面誘鏡以校千像姜并減少球面透鏡的數(shù)量。2.5光學(xué)變焦與數(shù)碼變焦要解釋光學(xué)變焦和數(shù)碼變焦，就要先了解一下“鏡頭焦距”的概念?！扮R頭焦距”是相機(jī)鏡頭最重要的特性之一，為了讓傳統(tǒng)攝影者很容易地了解消費(fèi)級(jí)數(shù)位相機(jī)的鏡頭焦距之意義，我們常常將其轉(zhuǎn)換成 135 相機(jī)的等值焦距?！扮R頭焦距”指的是平行的光線(xiàn)穿過(guò)鏡片后，所匯集的焦點(diǎn)至鏡片間之距離。（鏡頭焦距請(qǐng)參考2.4焦距與視場(chǎng)） 基本上，若是被攝體的位置不變，鏡頭的焦距與物體的放大率會(huì)呈現(xiàn)正比的關(guān)系。即： 放大率影像尺寸 / 被攝體尺寸 (2.4)2.5.1光學(xué)變焦例如 niko

20、n coolpix 990 數(shù)碼相機(jī)的鏡頭，焦距為 38 mm - 115mm ( 相當(dāng)于 135 相機(jī) )，我們便說(shuō)它是 3x 的光學(xué)變焦，意謂原始的鏡頭焦距為 38 mm，經(jīng)過(guò)鏡頭系統(tǒng)的伸縮改變，最大可以將鏡頭焦距調(diào)整到 115mm。在相同的拍攝距離下，可以將被攝體放大三倍。2.5.2 數(shù)碼變焦 今日的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)演進(jìn)成小型的計(jì)算機(jī)一般，內(nèi)部含有操作系統(tǒng)，可以執(zhí)行既定的程序。透過(guò)韌體上程序的演算及光學(xué)系統(tǒng)的配合，我們可以將被攝體再做局部放大，以插補(bǔ)的方式仿真出光學(xué)變焦的效果。 “數(shù)碼變焦”必然會(huì)損耗掉影像的品質(zhì)，在一般的拍攝狀況下，我們都不建議使用“數(shù)碼變焦”的功能。但我們也知道“較差的相

21、片”勝過(guò)“沒(méi)有相片”，在某些特殊狀況下，我們還是會(huì)動(dòng)用“數(shù)碼變焦”的功能。第三章 光學(xué)的發(fā)展過(guò)程3.1學(xué)科發(fā)現(xiàn)光學(xué)的起源在西方很早就有光學(xué)知識(shí)的記載，歐幾里得(euclid，公元前約330260)的(catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯學(xué)者阿勒哈增(ai-hazen，9651038)寫(xiě)過(guò)一部，討論了許多光學(xué)的現(xiàn)象。光學(xué)真正形成一門(mén)科學(xué)，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律的時(shí)代算起，這兩個(gè)定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的應(yīng)用大大促進(jìn)了幾何光學(xué)的發(fā)展。光的本性（物理光學(xué)）也是光學(xué)研究的重要課題。微粒說(shuō)把光看成是由微粒組成，認(rèn)為這些微粒按力學(xué)規(guī)律沿直線(xiàn)飛行，因此光具有直線(xiàn)傳播的

22、性質(zhì)。19世紀(jì)以前，微粒說(shuō)比較盛行。但是，隨著光學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了許多不能用直進(jìn)性解釋的現(xiàn)象，例如干涉、衍射等，用光的波動(dòng)性就很容易解釋。於是光學(xué)的波動(dòng)說(shuō)又占了上風(fēng)。兩種學(xué)說(shuō)的爭(zhēng)論構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展史上的一根紅線(xiàn)。 狹義來(lái)說(shuō)，光學(xué)是關(guān)于光和視見(jiàn)的科學(xué)，optics(光學(xué))這個(gè)詞，早期只用于跟眼睛和視見(jiàn)相聯(lián)系的事物。而今天，常說(shuō)的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)直到x射線(xiàn)的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。3.2歷史發(fā)展光學(xué)是一門(mén)有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯

23、到2000多年前。人類(lèi)對(duì)光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見(jiàn)周?chē)奈矬w？”之類(lèi)問(wèn)題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國(guó)的墨經(jīng)中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線(xiàn)傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。自墨經(jīng)開(kāi)始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。1665年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單的組成部分，這些成分形

24、成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分布光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。 牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時(shí)，則見(jiàn)透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照射時(shí)，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱(chēng)牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來(lái)定量地表征相應(yīng)的單色光。牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)光的直線(xiàn)傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來(lái)，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。牛頓用這種觀點(diǎn)對(duì)折射和反射現(xiàn)象作了解釋?；莞故枪獾奈⒘Ｕf(shuō)的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的

25、波動(dòng)說(shuō)。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?。并且指出光振?dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個(gè)18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來(lái)，但都不很完整。19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯楊圓滿(mǎn)地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫乾涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏乾涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿(mǎn)地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線(xiàn)傳播。在進(jìn)一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說(shuō)明光在各不同媒質(zhì)中

26、的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。1860年前后，麥克斯韋的指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論在1888年為赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。然而，這樣的理論還不能說(shuō)明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率

27、的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無(wú)限的不動(dòng)的媒質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。對(duì)于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長(zhǎng)分布這樣重要的問(wèn)題，洛倫茲理論還不能給出令人滿(mǎn)意的解釋。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話(huà)，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1887年邁克耳遜用乾涉儀測(cè)“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時(shí)期，人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)仍然有不少片面性。1900年，普朗克從

28、物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱(chēng)為量子，光的量子稱(chēng)為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。 1905年9月，德國(guó)物理學(xué)年鑒發(fā)表了愛(ài)因斯坦的“關(guān)于運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時(shí)代以來(lái)占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過(guò)程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿(mǎn)地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無(wú)可懷疑地證明了光的量子性微粒性。1922