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照相技術原理之一 光的原理
點擊次數：2483 發布時間：2017-9-5
大家在實驗過程中越來越多的需要用到光學系統，從一般的照相，到凝膠成相，分光光度儀，酶標儀，化學發光儀，熒光PCR，測序系統，流式細胞儀等等等等，都會涉及到光學系統，那么你到底了解多少光學系統呢。我們先從zui基本的開始，準備好，開始復習高中課程了。
光的原理
光波（Light Wave）
光由相互垂直的電場和磁場的振動并向空間傳播的一種電池波。其傳播速度在真空中，為每秒三十萬公里。光波相鄰的波峰或波谷間的距離，稱作波長。光波有各種波長，人眼所能見的光波波長為390MU 到 750MU這一范圍。只有單一波長的光，叫“單色光”；包含多種波長的光，叫“復色光”。
光譜（Light Spectrum）
可見的復色光通過分光儀色散系統分光后，所產生的按波長長短依次排列的圖案即為可見光光譜，其序列為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。 可見光（Visible Light） 根據實驗，人眼對具郵５５６ＭＵ波長的光<黃綠 色光>zui敏感，然后隨著波長的增加或減少而逐漸下降。當波長減少到３９０ＭＵ<青紫光>，或增加到７５０ＭＵ<紅光>時，就將*喪失感受能力。由此可見，可見光就是指７５０ＭＵ到３９０ＭＵ這一范圍內的光波。而這一范圍內的光波，由于波長的不同，則給人以不同的色感。一般攝影用的光，就是這部分的光。但是由于感光 材料的特性不同，它們對不同波長的可見光的感光特性也不一樣。
復色光（Compound colour light）
復色光亦稱“復合光”。指包含多種波長的光，如太陽，弧光等。
色光（Colour Light）
一般指那八種組成白光<復色光>，可由分光儀加以分析的，能引起人眼不同顏色感覺的可見光。它們的波長為-- 紅--７６０～６２０ＭＵ；橙--６２０～５９０ＭＵ；黃--５９０～５６０ＭＵ；黃綠－５６０～５３０ＭＵ；綠--５３０～５００ＭＵ；青--５００～４７０ＭＵ；藍--４７０～４３０ＭＵ；紫--４３０～３８０ＭＵ。另一種劃分為：紅--７７００～６２２０Ａ；橙--６２００－５９７０Ａ；黃--５９７０－５７７０Ａ；綠-- ５７７０－４９２０Ａ；藍－靛--５９２０－４５５０Ａ；紫--４５５０－３９００Ａ。由于他們在光譜中，只占一波段，故亦稱為“單色光”。色光還有另一種情況，則是由某兩個波長的單色光混合而成，如黃色光加藍色光，即成綠色光，這綠色光即非上面所講的單色光了。
反射（Reflection）
當光射到某種媒質的界面上時，將改變其傳播方向，有一部分返回到原媒質里繼續傳播，這種現象叫光的反射。
光的反射定律是：１反射光線跟入射光線和入射點法線在同一平面內；反射光線與入射光線分別位于法線的兩側。２反射角等于入射角。
一束平行光射到平滑的反射面上，由于入射點的法線方向一致，按照反射定律，其反射光線也是平行的，這種反射，叫“定向反射”。
如照射在粗糙不平的反射面上，由于各入射點的法線方向不同，其反射光就將不再是平行的，而是延著各個不同方向反射，即為“漫反射”。
也還有另一種情況，被照射物面兼有平滑和粗糙兩種性質，那麼其照射光必然既有定向反射，也由漫反射這種反射叫“混合反射”
我們平時所以能看見物體的形態和顏色，是因為它們都能反射可見光線的緣故。不同的反射方式，則能使我們感知被照物體的表面結構的特點“包括質感”。
反色光量的多少*根據物體表面結構反射能力的大小而定：鏡面和淡色物體比糙面和深色物體的反射光量多。物體在白光照明下的顏色，是由它所吸收和反射的光的波長決定的。如果全部吸收而不反射，即為黑色；反之全部反射，即為白色。
攝影上利用的光，除直接拍攝發光體外大都為反射光。我們研究光的反射，目的是更好的掌握其規律和特點，使之能動的為攝影照明和攝影造型服務。
折射（refraction）
光坡在傳播過程中，有一種媒質進入另一種媒質時，傳播方向產生偏折現象就稱為折射。同一媒質如由于本身不均勻，而使光波的傳播方向改變的現象，亦稱折射。
折射都服從折射定律。折射定律是：
1.折射光線ＡＢ位于入射光線ＳＡ和入射點法線ＡＮ所決定平面內，折射線和入射線分別在法線兩側；
2.入射角ｉ的正弦和折射角ｒ的正弦的比值，對于一定的兩種媒質來說是一個常數，這個常數稱為“第二媒質對*媒質的相對折射率”。一般講，介質密度愈大，其折射率愈高。制造光學器件用的玻力，其折射在1.5～1.9之間。
此外，不同波長的光在同一媒質中的折射率也不相同。波長愈長，折射愈大；反之折射愈小。故測定某種媒質的折射率，應以同一的波長的單色光為準。
繞射（Diffraction）
幾何光學認為，發光體作為一個光點，它發出的光 按球形方式向四方直線傳播，便是光線。光線的體質應是無限小的，如它通過一個極小小孔，光線將在小孔邊緣改變方向，失去直線傳播的性能，發生回繞于光孔邊緣前進的特性，這種現象就叫作光的繞射。
在攝影時它的表現為：1.拍攝時，如將光圈縮得過小時，結象反而不清晰，這就是繞射的結果。2.小光點光源照明，物體不能形成銳利的黑影，且邊緣上有明暗的條紋出現，此亦光之繞射所產生的現象，是光繞過障礙物的曲折。
色散（Dispersion）
復色光通過某種媒質被分解成單一波長的色光的現象，就叫作色散。原理是--當復色光（白光）進入某種媒質時，它要產生入射面和出色面兩次折射，在媒質中的折射線的方向與入射線的方向是不一致的。假如該質的入射面出射面是平行的，那么，光線的入射角和出射角一定相等，光線的出射線雖因折射與入色線的位置有所偏離，但傳播方向則是一致的。如媒質的入射面和出射面不平行，所通過的光線的出射線和入射線的傳播方向就不再一致。這樣，復色光中的各種不同波長的色光就因各自的不同的折射率而產生不同的折射方向，出射時再一次被折射后，其傳播方向偏移的差距就更大了，這就是色散現象。由上所述，也可對色散作這樣的理解；同一媒質對不同波長的光線有不同的折射率。基于這一點，鏡頭如果存在著色散，不同顏色的被攝體，因折射出來的色光波長不一致，就會聚結不成清晰的影象。不同的媒質，對色光散開的程度也不一樣。
吸收（Absorption）
當光線透過某種透明媒質時，有三種情況：1.一部分被反射；2.一部分折射后通過；3.被媒質所吸收；對攝影說這三種情況都屬于光線的損失。其損失程度取絕它所通過這媒質的厚度、透明度和顏色。以一般無色透鏡而言，每個空氣面因反射將損失光線約為4％，兩個空氣面為8％。如透鏡厚度為1厘米，被吸收光線約2％，這樣共計損失為10％；如該復式透鏡組為4片，光的損失當達40％。為了減少這種損失，提高鏡頭的透光能力，增加光 通量，一般采取技術措施是：1.膠合透鏡片，以減少其空氣面；2.鏡頭球面涂以氟化物薄膜（俗稱涂膜）。
光強度（Luminous Intensity）
光是一種輻射能，故各種光源所發出的光能都有一定的強度。這種光能的強度，就叫作“光強度”。它一般以燭光為計算單位。即以點然一種特制的鯨油蠟燭，依它沿水平方向的發光強度作為基數--1燭光。現在所用的以電源發光的光源，其光強度的計算單位仍以燭光為標準，稱作燭光。在習慣上我們稱瓦特。２５瓦特的電燈，其光強度等于２５燭光。自然光照明中，其光強度不是一成不變的，在不同 季節、不同時間、不同氣象條件、不同拍攝高度時，光強度都將發生變化。
光通量（Luminous flux）
由發光體發出的光能，在單位時間內通過某一截面的光能數量，叫光通量。光通量的數量越大，即表示該發光體所發出的可見光就越強。通光量的計數單位以流明表示。流明數與發光體的類別和功率有關，某一種類的發光體的功率越大，它的流明數就越高。*明為一個標準蠟燭發出的光能，距光源一呎遠，在一平方呎弧形面積的舊孔所通過的光能量。但是該弧形面積的舊孔的每一點距離發光體必須相等。用時間來計算發光流明的數量是秒數*流明數=流明秒。攝影用的閃光燈的閃光度即以流明秒為單位表示的。
照度（Illumination）
照度是被照物表面在在單位面積上受到的光通量。一般用“呎燭光”來表示照度。1呎燭光，是指發光強度為1燭光的光源，在距離光源一呎、面積為一平方呎的垂直面上所產生的光照度。呎燭光平均的光照度就是每平方呎1流明，故可寫作1流明/平方呎。光照度也有用“米燭光”為單位，稱作“勒克司”， 即一平方公尺的面積上受距離一米的燭光的照射。同樣強度的光源，在物體上的照度和其與光源的距離有關，所以呎燭光的光照度大于米燭光的光照度。1呎燭光的光照度=10.76米燭光；1米燭光的光照度=0.093呎燭光。
亮度（Brightness）
物體受光照后，不但與光源的強度以及它們之間的距離有關，而且還與其本身的反射能力有更密切的關系。例如一張白紙和一張灰紙，放在同一光源前，其照度*相等，但白紙亮度大，灰紙亮度小。攝影作品上的明暗階調，就是被攝物亮度等級的反映。計算物面亮度的算式如下：反射率*入射光照度=亮度。例如，一張白紙，它的反射率為9/10，其入色光照度為100呎燭光，這時紙面的亮度是100*9/10=90呎燭光。
平方反比律（Law of inverse square）
一個物面上的照度，不但和光源的發光強度有關，而且與光源到物面的距離也有關。這樣，當物面到光源的距離不變時，物面的照度與光源的發光強度成正比，如光源距物面的距離相同，都是一呎，則發光強度為100燭光的光源在物面上的照度要比1燭光的光源大100倍。
相反，當光源的發光強度不變，但與物面距離發生變化時，物面上的照度將與距離的平方成反比。此定律只適用于一般點狀光源，如電燈、閃光燈。對長管狀光源和經過會聚后的光束不*適用。
平方反比定律在攝影中，常用于人工光攝影時，光源強度不變，被攝物與之距離改變后，計算物面光照度改變的倍數。這個倍數亦為爆光組合需要改變的倍數。此外，它還適用于近攝時由于象距增加后所引起的曝光增加倍數。
透鏡（Lens）
一種用廣學介質如玻璃、水晶等制成的光學器件，是兩面為球面或一面為球面的透明體。由于它具有會聚成象的能力，所以是照相機鏡頭的主要元件。
根據其形狀的或成象要求的不同，透鏡可分為三類：
1.凸透鏡--是中間厚、周邊薄的一種透鏡。它具有會聚光的能力，所以又叫作“會聚透鏡”、“正透鏡” 。此類透鏡又可分為：
a.雙凸鏡--兩面都磨制成凸球面的透鏡；b平凸透鏡--為一面凸、一面平的透鏡；c.凹凸透鏡--為一面凸、一面凹的透鏡。
2.凹透鏡--為中間薄周邊厚的透鏡，它有發散光的能力，故又稱“發散透鏡”、“負透鏡”。此類透鏡又可分為：
a.雙凹透鏡--是兩面的透鏡；b.平凹透鏡--是一面凹、一面平的透鏡；c.凸凹透鏡--為一面凸、一面凹的透鏡。
3.薄透鏡--為一種中央部分的厚度和其兩面的曲率半徑相比為很大的透鏡。初期，照相機只裝有一個凸透鏡的鏡頭，故稱為“單透鏡”。隨著科技日益發展，現代鏡頭均有若干不同形式和功能的凸凹透鏡組成一個會聚的透鏡，稱為“復式透鏡”。復式透鏡中之凹透鏡起校正各種象差的作用。
光學玻璃具有透明度高、純潔、無色、質地均勻，且有良好的折光能力，故為鏡頭生產的主要原料。由于化學成分和折射率不同光學玻璃有：
1.火石玻璃--在玻璃成分中加入氧化鉛，以增加折射率（1.8804）；2.冕牌玻璃--在玻璃成分中加入氧化鈉和氧化鈣制成，以減低其折射率（鋇冕玻璃的折射率為1.7055）；3.鑭冕玻璃--為近年來所發現的品種，它具有折射率高，色散率低的優良特性，為創造大口徑的鏡頭提供了條件。
主軸（Axis）
主軸亦稱‘主光軸’。通過透鏡兩個球面中心的直線稱之。單球面鏡的光軸是通過球面中心，并與鏡面垂直的直線；透鏡或共軸光具組的光軸是各透鏡球面中心的連線。應該說明，通過光心的任何直線都可稱作透鏡的光軸，一般稱它們為副光軸。
節點（Node）
節點為透鏡主面和主軸相交的那個點，常用來作量度鏡頭物距、象距和焦距的長度的起點。每個透鏡都有前后兩個主面，因而每個透鏡也有前后兩個節點。當光線通過透鏡時，有兩種情況：一種是入射線不與主軸平行，折射后其出射線平行于主軸。這時，如將入射線繼續延長，出射線向后延長，那么兩線必然交于一點。從這一點做一垂直于主軸的平面，這平面即為前主面。前主面與主軸相交之點，就叫‘前節點’也稱‘*節點’。另一種是入射線平行于主軸，經折射后不平行于主軸，這時將入射線向前繼續延長，出射線向后延長，那么兩線也必然相交于一點，從這一點引一個垂直于主軸平面，該平面即為后主面，后主面與主軸相交之點，就是‘后節點’，亦稱‘第 二節點’。前后節點之間的距離視透鏡的厚度和組織而定。一般說，雙凸厚透鏡的兩節點距每鏡弧面的頂點，是透鏡厚度的三分之一。有時，則可能在透鏡的外邊，或前節點在后節點的后面。
視野（Field of view）
視野又稱作“視場”。原指人眼平視時所能看的見的那部分空間。現在借用過來指照相機能拍攝的景物范圍。也可以解釋作指照相機鏡頭所能涵蓋的景物空間范圍。它是該鏡頭視角大小的反映，故亦可理解為視角范圍。
可用視野（Field of sharpness）
可用視野也叫作“清晰視野”。照相機鏡頭的視野，也象人眼看東西那樣，中心部分清晰向外逐漸模糊，直至消失，并無明顯的界限。所謂可用視野，即指視野內清晰的那部分。
視角（Angle of vision）
視角指視野邊緣到鏡頭主點之間直線所形成的夾角，也可解釋為鏡頭視野的開度。由此，反過來可以作如下表述：鏡頭視角的大小，決定了它視野范圍的大小；鏡頭視角大，其視野范圍也大，鏡頭視角小，其視野范圍也小。視野是呈圓形的，因而視角是一個圓錐角。
象場（Image field）
物方視野內的景物，通過收縮光圈后的鏡頭之會聚作用后，在焦平面上所呈現出來的一塊圓形范圍的明亮而清晰影象的幅面，即是象場。它與視場相對應。
象差（Aberration）
又叫作‘光行差’。由于制造鏡頭的光學材料的特征、曲率半徑、厚度、間距等因素，致使光線進入鏡頭后，行程發生改變，造成形象和被攝體原貌之間的差異，這種差異，就叫作‘象差’。象差的大小，反映了鏡頭成象質量的優劣和品質的好壞。造成原因是由于光點發出的光線與透鏡主軸成角太大，離軸較遠或透鏡材料的折射率隨光的波長而變所造成。透鏡的象差分：
一、單色光
1.球面象差。它是由于透鏡本身球面形狀造成的。透鏡邊緣薄而中間厚，因而聚光能力不一樣，當某種波長的單色光通過時，這兩部分所會聚的焦點不能在主光軸上匯集成一點，所以影象不清晰，且常出現暈光現象，如圖示：使用此種缺陷的照相機，不宜用大光圈，否則會出現或中央清晰、四周模糊，或中央模糊、四周清晰等現象。這種象差，對單透鏡說是不能*消除的。復式透鏡都已采用不同折射率的光學玻璃和選擇恰當的曲率半徑的比值，使透鏡組中正透鏡與負透鏡兩者的球面象差相等的方法予以消除。
2.象場彎曲——又稱‘曲狀境’、‘場曲’。即平面物體與透鏡主軸成直角時，在象平面上會聚成的不是平直的影象，而具凹形的彎曲狀態，這種光學的缺點，即稱為‘象場彎曲’。造成的原因是由于象平面中央部分離透鏡近，四周離透鏡近，四周離透鏡遠，因而聚焦時呈現弧形。
3.慧形象差---又名慧差、側面球差。它是由和主光軸不平行的光線造成的，其結象和慧星發光狀相用。如發光點的位置不和鏡頭主光軸在一條直線上，光線從側面射入，通過透鏡各部分后，在象平面邊角部分成象，它不是重合成一點，而是一些從小到大彼此重疊的園圈，使點光源的結象呈梨狀，所以稱作慧星象差。
造成的原因是透鏡對側面來的光線，由透鏡邊區至中心部位的各 部分光線所聚成之象點位置和影象大小不一致---邊區一帶光線 形成虛散、亮度也低的大環形，主光軸一帶光線形成高亮度清晰的小環形。重疊后即呈梨狀圓形。如縮小光圈，情況稍可得到改善。
4.畸變---又稱影相畸變。凡拍攝有橫直線條的方形物體，而成象時直線彎曲，這種現象就叫作畸變。新月形、平凸形單透鏡這種現象更為嚴重。若凹面或平面向外，光圈在前時，則所會聚成的影象呈凸出之狀，愈接進邊緣，彎曲現象與顯著，這種崎變叫“桶狀變形”。若透鏡的凸面向外，光圈在后，則結象呈凹狀，縱橫線都向內彎曲，叫“針墊式變形”。
5.象散性--又名“象散”、“縱橫差”。由兩個互相垂直截面中的光線構成，與主軸光線無關。其現象皆發生在象平面周邊部分。如被攝物體有成直角交叉的豎線和橫線，在象平面周邊成象時，橫線、直線不能同時會聚成清晰的影象：直線清晰時，橫線必模糊；橫線清晰時，直線必模糊。自從產生正光鏡頭后，象散現象已基本克服。
二、復色光（白光）：
由于由于透鏡對各種波長的色光的折射率的不同，冰面物體上的各種顏色的光線，通過透鏡，不能在同一平面上聚焦。如紅、黃、藍三色，蘭色光聚焦在前，黃光在中間。紅光在后面。藍色光部分清晰時，紅色光部分就模糊了。這種色光聚焦的差異，即稱色差。色差有兩種：
1.縱向色差--即各色光通過透鏡時，不能在象平面上會聚成一個象點，這種色差，有叫作‘位置色差’。
2.橫向色差--由于各色光所會聚成象點的位置有前有后，因而 影象的大小也就有了區別，這種影象尺寸的差異，如紅色影象要 比藍色影象大，故又稱“放大色差”。目前糾正的方法是用折射系數較小的冕牌玻璃的凸鏡和折射系數較大的火石玻璃的凹鏡相合，相互校正，使色差降到zui小程度。
有效口徑（Effective aperture）
有效口徑也叫作“口徑”、“zui大口徑”。指每只鏡頭開足光圈時前鏡的光束直徑（亦可視作透鏡直徑）與 焦距的比數。它表示該鏡頭zui大光圈的納光能力。如某個鏡頭焦距是4，前鏡光束直徑是1時，這就是說焦距比光束直徑長4倍，一般稱它為f系數，f代表焦距。
求有效口徑F系數的公式如下：F系數=焦距/光束直徑。根據焦點平面的照度與鏡頭焦距成平方反比，一個鏡頭的F系數越小表示該鏡頭的納光能力越大。由于每個鏡頭只有一個有效口徑，故我們講有效口徑的比較時，都是在講兩個以上不同鏡頭。
有效口徑另外一個含義是指“T”制口徑，全稱為“T制有效口徑。由于過去F制口徑給出的數值只有一個鏡頭焦距與入瞳直徑的比值，而沒有考慮到不同廠家制造的各類鏡頭組結構上的差異、組成鏡頭組的鏡片數量的多寡、磨制鏡片所用的光學材料的區別，以及涂布增透膜技術質量的高低等等因素所造成鏡頭透光率比值的大小，對照平面照度E的影響，導至拍攝同一照度下的影物，雖然使用相同F系數的口徑，但由于換了鏡頭，畫面曝光量不一致， 影響了作品的質量。T制有效口徑在鏡頭上所示數值和刻度方法、和F制沒有什么不同。
相對口徑（Relative aperture）
相對口徑就是指由有效口徑縮小光圈后的光束直徑和該鏡頭焦距的比值。由于它也是焦距的比值，因此同樣是F系數。相對口徑的F系數，在每個鏡頭上都有若干個數值，明顯的在該鏡頭上標志出來。如3.5、5.6、8、11、16、22。F3.5是表示該鏡頭的有效口徑、F4以后各數值才是相對口徑的數值。相對口徑的比值數愈大，表示其納光能力愈小。它們以幾何級數排列，通光量以二倍遞減或遞進。