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光学基础知识（三） 几何光学部分 光的电磁说 ⑴光的电磁说：麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波。 ⑵电磁波谱：波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 (3) 电磁波的产生机理：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。 光的电磁说 ⑶红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。 ⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λm·T = b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。 种类 产生 主要性质 应用举例 红外线 一切物体都能发出 热效应 遥感、遥控、加热 紫外线 一切高温物体能发出 化学效应 荧光、杀菌、合成VD2 X射线 阴极射线射到固体表面 穿透能力强 人体透视、金属探伤 光的波粒二象性 1.光的波粒二象性：干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。 2.正确理解波粒二象性： 波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。 光的波粒二象性 ⑴单个光子表现为粒子性，大量光子的运动表现为波动性； ⑵频率高的光子容易表现出粒子性，频率低的光子容易表现出波动性； ⑶光在传播过程中往往表现出波动性，在与物质发生作用时往往表现为粒子性； 像差 像差是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学的理想状况的偏差。 像差一般分两大类：色差和单色像差。 色散现象 白光中人眼可以感受到的可见光的波长为400nm(紫)~700nm(红色)。当白光通过三棱境时，我们可以观察到彩虹光谱。不同波长的光的折射率不同而引起的彩虹光谱称之为色散现象。 在光学镜头中，这种起因于不同波长的光造成的像差，我们称为色差。色像差分成轴向色像差和倍率色像差两种。 色差 轴向色像差：指的是光轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊。 倍率色像差：指由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，引起的映像倍率改变，画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。 色差 轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑； 倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边现象。 1）红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片 2）消除色差的常用办法之一是采用不同色散材料的光学元件来组成镜头，用其中的一种光学元件的正色散来抵消另一种光学元件所产生的负色差。 焦点 跟主轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。 球差 由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。 球差 球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。 球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起球差。 消除球差方法： 1、配曲（利用透镜形状与球差的关系消除单透镜的像差），采用非球面技术。 球差 1）研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这种制造工艺成本相对较高； 2）模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低； 3）复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两种工艺之间。 球差 2、组合（正负透镜的组合，组合方式：胶合或分离） 凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜，可使某个高度h上的球差完全抵消。 3、最简单的方法：在透镜前加一个光阑，只让近轴光线通过。在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像差。 慧差 由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。 慧差 产生彗形像差的原因是球面透镜各光区成像的放大率不一致，各光区的焦点不同。在边区一带光线形