光学理论分析.PDF

第一章 光學理論分析 光學系統是由透鏡組合而成 ，本章主要敘述光的基本原理 ，透 鏡的幾何光學成像理論 ，以及像差的問題 ，當中並以光學廠實際生產 的鏡頭為例子 ，輔以印證理論 。 1-1 基本原理 光是自然界的產物 ，以下就光的特性以及物理量加以說明 。 1-1.1 可見光 可見光是電磁波譜之一部份 ，人的眼睛可視為是電磁波接收器 ， 工作於此波段並依此定義出可見光 。 紫 藍 綠 黃 橙 紅 度 敏 靈 對 相 wavelength (nano meter) 圖 1-1 在溫和的照明下 ，眼睛對不同波長之光的相對視力靈敏度 。 6 -9 在光學中常用奈米(nanometer ；1nm=1×10 m)為波長單位，圖 1-1 顯示可見光中心區域波長約為 550nm ，顏色為黃綠色 。視力靈敏曲線 在長波長及短波長處漸趨近於軸 。一般定視力靈敏度降至其最大值的 1%處為極限 ，兩極限的波長值分別約為 430nm 和 690nm 。在此限度 外之輻射若強度夠的話 ，眼睛仍能探測到 ；若強度弱時 ，在許多物理 實驗中可用照相底片或感光靈敏之電子探測器代替人眼 。 因光同時具有波和粒子的特性，一般物理現象的解釋則採用適性 策略 ：對於光的行進以電磁波解釋 ，對於光的吸收與輻射 ，則以粒子 特性來處理 。 一般基礎光學依光的性質和實驗結果分為三類 ： 1.幾何光學 ：將光視為粒子處理 ，但考慮的是整體特性表現 ，亦即對 光的描述是用光線 （ray ）的集合－光束 （light beam ），以及物點 、 像點等概念 。 2.量子光學 ：將光視為粒子處理 ，但探討的是各別粒子本質 。 3.波動光學 ：將光視為電磁波處理 ，本領域又稱物理光學 。 本論文研究的對象是精密光學元件 ，因此以幾何光學為應用基 礎 。 1-1.1 光源和光速 物體本身能發光的 ，如太陽、火焰、電燈、雷射稱為光源（luminous source ）。藉由光源照射物體而反射光線 ，方能使我們感覺物體的存 7 在 。光線可看做是由許多光子 （photon ）所組成 ，至於光束則是由許 多光線匯集而成的光束線 。 光在真空中 ，具有最大的速度 ，用符號 c 代表光在真空中的速 度 ，是自然界的常數 ：c=299,792.5km/s ≒30 萬公里/秒 。 1-1.2 光度與照度 光源的發光強度稱為光度 （luminous intensity ）。以鯨油脂製成的 蠟燭 ，每小時燃燒 120格冷 （1grain≒0.0648 克），所發出的光度 ，定 為一國際燭光 。 光源每單位時間所輻射出來的能量 ，為此光源之輻射通量 ，只有 某小部份 （波長從 400nm 到 700nm）的輻射通量能使人眼感覺其存 在 ，此部份的輻射通量稱之為光通量 （luminous flux），單位為流明 （lumen ）。一標準燭光的光源 ，在一立體弧度角內所通過的光通量 ， 稱為一流明 。 物體被照射時 ，在與光線垂直的表面上 ，單位面積所受到的光通 2 量稱為照度 （illuminance），單位為流明/公尺 。 1-1.3 光的直線傳播 在均勻的介質中 ，光前進的方式是以直線的方式而行 ，早期的針 孔像機 （pinhole camera ）利用針孔成像的原理裝成 ，足以證明光是直 線前進的 ，觀察像面上所成的像 ，是上下顛倒並且左右相反 ，像高與