《光学系统》课件光的传播与控制.ppt

*************************************光栅衍射原理光栅是具有周期性结构的光学元件，由大量等宽、等间距的平行狭缝或反射条纹组成。当光照射到光栅上时，每个缝都成为次波源，这些次波在特定方向上发生相长干涉，形成明亮的主极大，这就是光栅衍射。光栅衍射满足光栅方程：d·sinθ=mλ，其中d是光栅常数（相邻两缝的间距），θ是衍射角，m是衍射级次（整数），λ是光波长。当白光照射到光栅上时，不同波长的光在不同角度形成明亮的衍射极大，产生彩色光谱。应用光栅是光谱分析的重要工具，广泛应用于光谱仪、单色仪等仪器中。光栅具有很高的分光能力，能够区分波长非常接近的光。光栅的分辨本领R=mN，其中N是光栅上的总缝数。高阶衍射和多缝光栅具有更高的分辨率。衍射光栅还应用于激光技术（波长选择）、光通信（波分复用）、X射线天文学等领域。现代制造技术可以制作出各种高性能光栅，如全息光栅、啁啾光栅、体光栅等，满足不同应用需求。第六部分：光学系统中的色散与色度色散现象色散是不同波长的光在介质中折射率不同，导致传播方向或速度不同的现象。色散是彩虹、棱镜分光等自然现象的原因，也是光学系统中色差产生的根源。消色差设计为了减小色散带来的影响，光学设计师开发了各种消色差技术，如使用不同玻璃材料组合的消色差透镜组、衍射光学元件等，使不同波长的光能够在同一点聚焦。色度学基础色度学研究颜色的科学表示和测量方法。三原色理论、CIE色度图等提供了定量描述颜色的工具，为精确的色彩再现和管理奠定了基础。色彩管理色彩管理技术确保颜色在不同设备和媒介之间的准确转换和再现。它包括色彩空间转换、设备校准、色彩匹配等技术，在印刷、显示、摄影等领域有重要应用。色散现象色散原理色散是指不同波长（颜色）的光在介质中折射率不同，导致传播方向或速度不同的现象。大多数透明材料对短波长光（如蓝光、紫光）的折射率大于长波长光（如红光），这种规律称为正常色散。在某些特殊情况下，如在吸收带附近，也可能出现反常色散，即长波长光的折射率大于短波长光。棱镜色散棱镜是观察色散现象的典型装置。当白光（包含各种可见波长的光）通过棱镜时，不同波长的光折射角度不同，出射光呈现出彩虹般的光谱。棱镜的色散能力用色散率表示，定义为蓝光与红光折射率差与黄光折射率减1的比值：V=(nB-nR)/(nY-1)。V值越小，色散能力越强。色散公式材料的折射率与波长之间的关系可以用各种色散公式表示，如考西公式n2(λ)=A+B/λ2+C/λ?+...，塞尔迈尔公式n2(λ)=1+Σ[Ai·λ2/(λ2-Li2)]等。这些公式对于光学设计和材料选择非常重要，可以预测不同波长光在材料中的折射行为。消色差设计消色差设计是光学系统设计中的关键技术，目的是减少或消除由材料色散引起的色差。色差使不同波长的光在不同位置聚焦，导致图像边缘出现彩色条纹，降低图像质量和分辨率。主要的消色差技术包括：消色差透镜组，由不同折射率和色散特性的材料组合而成，如典型的正冕牌-负火石组合；消色差棱镜，如阿贝棱镜，利用直角棱镜组合消除色散；衍射消色差元件，利用衍射光学元件的负色散特性补偿折射元件的正色散。在高端光学系统中，通常组合使用多种消色差技术，以实现全光谱范围内的高质量成像。色度学基础3三原色理论人眼视网膜的三种锥状细胞分别对红、绿、蓝光敏感，构成了三原色视觉的生理基础。几乎所有颜色都可以通过调整三种原色光的比例来混合产生。1931CIE色度图国际照明委员会1931年建立的色度坐标系统，是定量描述颜色的标准工具。通过x、y色度坐标表示色相和饱和度，z坐标表示亮度。24位色彩深度数字图像每像素用24位表示颜色（RGB各8位），可显示约1670万种不同色彩，足以满足人眼对自然场景的色彩感知。色度学是研究颜色的定量描述和测量的科学。CIE色度图上的任何点代表一种特定的色度，图中外围曲线代表纯色谱轨迹，其内部区域包含所有可见颜色。白色点位于图的中心区域。两点之间的直线代表这两种颜色的所有可能混合结果。三个点形成的三角形内包含这三种颜色混合可得的所有颜色，这对显示设备的色域表示尤为重要。色彩管理色彩空间色彩空间是描述颜色的数学模型，常见的包括：RGB：加色模型，用于显示器、相机等CMYK：减色模型，用于印刷Lab：设备无关的色彩空间，覆盖人眼可见的所有颜色HSV/HSL：基于色相、饱和度和明度/亮度的直观模型色彩转换色彩转换是在不同色彩空间之间映射颜色的过程：使用色彩配置文件(ICC)定义设备色彩特性通过配置文件转换引擎(CMM)进行转换选择适当的渲染意图