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[分享]攝影光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)－光的折射定律 [復(fù)制鏈接]

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只看樓主倒序閱讀樓主發(fā)表于: 2006-10-17

光的折射定律當(dāng)光傳播到兩種不同的介質(zhì)（如水、玻璃）的分界面上時(shí)，在產(chǎn)生光的反射的同時(shí)，將有一部分光線射入到另一介質(zhì)中，其傳播方向隨介質(zhì)的密度大小而發(fā)生改變，這種光的偏折現(xiàn)象稱為光的折射。我們稱這兩種介質(zhì)的分界面為折射面。從折射面進(jìn)入新的介質(zhì)，并且傳播方向發(fā)生改變的光線稱為折射光線。折射光線和法線所構(gòu)成的角稱為折射角，記為i’，如圖1-2-4所示。介質(zhì)所固有的并和其密度及所通過光線的波長有關(guān)的特征量稱為介質(zhì)的折射率，通常用n表示。它反映了光從真空射入某種媒質(zhì)發(fā)生折射的時(shí)候，入射用i的正弦跟折射角i’的正弦之比。折射率的大小表明媒質(zhì)的折光能力的大小，n值越大表明折光能力越大。光的折射定律指出：
   ①入射光線、折射光線及法線在同一平面內(nèi)。
   ②入射角i與折射角i’的正弦之比等于后介質(zhì)折射率n’與前介質(zhì)折射率n之比，即
                       sini/sini’=n’/n

由此可見，當(dāng)光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角 i’<入射角i，折射光線靠近法線；反之折射光線遠(yuǎn)離法線。在后一種情況下，當(dāng)入射光線以某一特定角度α入射時(shí)，折射角i’將等于90°，角α就稱為臨界角。當(dāng)入射光線以大于臨界角的方向射到界面上時(shí)，將全部被反射而不再發(fā)生折射，這種現(xiàn)象稱為全反射現(xiàn)象，如圖1-2-5所示。

    在熟悉了光線的傳播規(guī)律后，下面我們利用這些規(guī)律來講述成象理論。
    1841年德國數(shù)學(xué)家高斯建立了“理想光學(xué)系統(tǒng)成完善象”的理論。根據(jù)這一理論：物空間中的每一個(gè)點(diǎn)、一條線、一個(gè)面相應(yīng)在象空間里有一共軛的點(diǎn)、線、面與它對(duì)應(yīng)。這一理論又稱高斯光學(xué)。它確定并表征了光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)所必要的基點(diǎn)：焦點(diǎn)、焦平面、主點(diǎn)、主平面、焦距以及物與象之間共軛關(guān)系。
    物空間平行于系統(tǒng)光軸的平行光束，系統(tǒng)象空間與光軸的交點(diǎn)F'是與物空間光軸上無限遠(yuǎn)點(diǎn)共軛的點(diǎn)，稱為系統(tǒng)象空間的主焦點(diǎn)（或第二主焦點(diǎn)）；通過F'所作垂直于光軸的平面，稱為系統(tǒng)象空間的主焦平面（或第二主焦平面）。反之可得系統(tǒng)的物方主焦點(diǎn)F(或第一主焦點(diǎn))和物方主焦面(或第一主焦面)。
    作物空間焦點(diǎn)F發(fā)出光線的延長線（圖1-2-6），并且將象空間相應(yīng)的平行光線向反方向延長，于是此兩延長線（虛線）交于M點(diǎn)，通過M點(diǎn)作光軸的垂直平面MH，稱為系統(tǒng)物空間的主平面，主平面與光軸的交點(diǎn)H，稱為系統(tǒng)物空間的主點(diǎn)。反之可得系統(tǒng)象方主平面M'H'和象方主點(diǎn)H'。

    物方主點(diǎn)H與物方焦點(diǎn)F間的距離f稱為光學(xué)系統(tǒng)的物方焦距。同理H'與F'的距離f'稱為象方焦距。焦距的正負(fù)是以相應(yīng)的主點(diǎn)為原點(diǎn)來確定的，與光線傳播方向一致的則焦距為正。
    我們以象方焦距的正、負(fù)來定義系統(tǒng)或透鏡的正、負(fù)。
    在已知理想光學(xué)系統(tǒng)的焦距和主點(diǎn)位置后，對(duì)于任一位置已定的物體，均可通過作圖求出該系統(tǒng)所成象的大小和位置。
    物體AB到H的距離稱為物距，記作l。同樣，H'到A'點(diǎn)的距離稱為象距，記為l'。從圖1-2-7中我們用簡單的相似三角形關(guān)系，即可得出物距l(xiāng)、象距l(xiāng)'和焦距f'之間的關(guān)系為
                         1/l+1/l'=1/f'
上式稱為高斯公式。

    我們定義物體通過系統(tǒng)后所成象的高度η'和物體高度η之比稱為垂軸放大率，記作β。則
                    β=η'/η=l'/l=(l'-f')/f'
    從上式中可以看出，在物體位置及象的位置固定不變的情況下，象的放大率和光學(xué)系統(tǒng)的焦距有直接關(guān)系。通常l>>f'，故放大率β和焦距的大小成正比。因此，在小型照相機(jī)上裝配的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距比中型（如120照相機(jī)）的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距要短。在同樣畫幅的照相機(jī)上，裝上長焦距鏡頭，對(duì)同一被攝物體，我們可以在底片上得到較大的象。從使用角度來講為得到更細(xì)膩的象，一個(gè)好的照相機(jī)應(yīng)配有多個(gè)不同焦距的鏡頭。
    附帶說一下，在照相機(jī)調(diào)焦環(huán)上刻的均是攝影距離，是指照相機(jī)的膠平面至（垂直于照相鏡頭光軸的）被攝體表面的距離。與高斯光學(xué)定義下的物距（自鏡頭物方主點(diǎn)到光軸上物點(diǎn)的距離）l 略有區(qū)別。