照相技术原理之一 光的原理

 

大家在实验过程中越来越多的需要用到光学系统，从一般的照相，到凝胶成相，分光光度仪，酶标仪，化学发光仪，荧光PCR，测序系统，流式细胞仪等等等等，都会涉及到光学系统，那么你到底了解多少光学系统呢。我们先从最基本的开始，准备好，开始复习高中课程了。

光的原理�

光波 （Light Wave）��

光由相互垂直的电场和磁场的振动并向空间传播的一种电池波。其传播速度在真空中，为每秒三十万公里。光波相邻的波峰或波谷间的距离，称作波长。光波有各种波长，人眼所能见的光波波长为390MU 到 750MU这一范围。只有单一波长的光，叫“单色光”；包含多种波长的光，叫“复色光”。

光谱 （Light Spectrum）��

可见的复色光通过分光仪色散系统分光后，所产生的按波长长短依次排列的图案即为可见光光谱，其序列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。 可见光（Visible Light）��根据实验，人眼对具邮５５６ＭＵ波长的光〈黄绿 色光〉最敏感，然后随着波长的增加或减少而逐渐下降。当波长减少到３９０ＭＵ〈青紫光〉，或增加到７５０ＭＵ〈红光〉时，就将完全丧失感受能力。由此可见，可见光就是指７５０ＭＵ到３９０ＭＵ这一范围内的光波。而这一范围内的光波，由于波长的不同，则给人以不同的色感。一般摄影用的光，就是这部分的光。但是由于感光 材料的特性不同，它们对不同波长的可见光的感光特性也不一样。

复色光 （Compound colour light）��

复色光亦称“复合光”。指包含多种波长的光，如太阳，弧光等。

色光 （Colour Light）��

一般指那八种组成白光〈复色光〉，可由分光仪加以分析的，能引起人眼不同颜色感觉的可见光。它们的波长为－－ 红－－７６０～６２０ＭＵ；橙－－６２０～５９０ＭＵ；黄－－５９０～５６０ＭＵ；黄绿－５６０～５３０ＭＵ；绿－－５３０～５００ＭＵ；青－－５００～４７０ＭＵ；蓝－－４７０～４３０ＭＵ；紫－－４３０～３８０ＭＵ。另一种划分为：红－－７７００～６２２０Ａ；橙－－６２００－５９７０Ａ；黄－－５９７０－５７７０Ａ；绿－－ ５７７０－４９２０Ａ；蓝－靛－－５９２０－４５５０Ａ；紫－－４５５０－３９００Ａ。由于他们在光谱中，只占一波段，故亦称为“单色光”。色光还有另一种情况，则是由某两个波长的单色光混合而成，如黄色光加蓝色光，即成绿色光，这绿色光即非上面所讲的单色光了。

反射 （Reflection）

��当光射到某种媒质的界面上时，将改变其传播方向，有一部分返回到原媒质里继续传播，这种现象叫光的反射。

    光的反射定律是：１反射光线跟入射光线和入射点法线在同一平面内；反射光线与入射光线分别位于法线的两侧。２反射角等于入射角。

��一束平行光射到平滑的反射面上，由于入射点的法线方向一致，按照反射定律，其反射光线也是平行的，这种反射，叫“定向反射”。

��如照射在粗糙不平的反射面上，由于各入射点的法线方向不同，其反射光就将不再是平行的，而是延着各个不同方向反射，即为“漫反射”。

��也还有另一种情况，被照射物面兼有平滑和粗糙两种性质，那麽其照射光必然既有定向反射，也由漫反射这种反射叫“混合反射”

��我们平时所以能看见物体的形态和颜色，是因为它们都能反射可见光线的缘故。不同的反射方式，则能使我们感知被照物体的表面结构的特点“包括质感”。

��反色光量的多少完全根据物体表面结构反射能力的大小而定：镜面和淡色物体比糙面和深色物体的反射光量多。物体在白光照明下的颜色，是由它所吸收和反射的光的波长决定的。如果全部吸收而不反射，即为黑色；反之全部反射，即为白色。

��摄影上利用的光，除直接拍摄发光体外大都为反射光。我们研究光的反射，目的是更好的掌握其规律和特点，使之能动的为摄影照明和摄影造型服务。

折射 （refraction）

��光坡在传播过程中，有一种媒质进入另一种媒质时，传播方向产生偏折现象就称为折射。同一媒质如由于本身不均匀，而使光波的传播方向改变的现象，亦称折射。

��折射都服从折射定律。折射定律是：

��1.折射光线ＡＢ位于入射光线ＳＡ和入射点法线ＡＮ所决定平面内，折射线和入射线分别在法线两侧；

��2.入射角ｉ的正弦和折射角ｒ的正弦的比值，对于一定的两种媒质来说是一个常数，这个常数称为“第二媒质对第一媒质的相对折射率”。一般讲，介质密度愈大，其折射率愈高。制造光学器件用的玻力，其折射在1.5～1.9之间。

��此外，不同波长的光在同一媒质中的折射率也不相同。波长愈长，折射愈大；反之折射愈小。故测定某种媒质的折射率，应以同一的波长的单色光为准。

绕射 （Diffraction）

��几何光学认为，发光体作为一个光点，它发出的光 按球形方式向四方直线传播，便是光线。光线的体质应是无限小的，如它通过一个极小小孔，光线将在小孔边缘改变方向，失去直线传播的性能，发生回绕于光孔边缘前进的特性，这种现象就叫作光的绕射。

��在摄影时它的表现为：1.拍摄时，如将光圈缩得过小时，结象反而不清晰，这就是绕射的结果。2.小光点光源照明，物体不能形成锐利的黑影，且边缘上有明暗的条纹出现，此亦光之绕射所产生的现象，是光绕过障碍物的曲折。

色散 （Dispersion）

��复色光通过某种媒质被分解成单一波长的色光的现象，就叫作色散。原理是－－当复色光（白光）进入某种媒质时，它要产生入射面和出色面两次折射，在媒质中的折射线的方向与入射线的方向是不一致的。假如该质的入射面出射面是平行的，那么，光线的入射角和出射角一定相等，光线的出射线虽因折射与入色线的位置有所偏离，但传播方向则是一致的。如媒质的入射面和出射面不平行，所通过的光线的出射线和入射线的传播方向就不再一致。这样，复色光中的各种不同波长的色光就因各自的不同的折射率而产生不同的折射方向，出射时再一次被折射后，其传播方向偏移的差距就更大了，这就是色散现象。由上所述，也可对色散作这样的理解；同一媒质对不同波长的光线有不同的折射率。基于这一点，镜头如果存在着色散，不同颜色的被摄体，因折射出来的色光波长不一致，就会聚结不成清晰的影象。不同的媒质，对色光散开的程度也不一样。

吸收 （Absorption）

��当光线透过某种透明媒质时，有三种情况：1.一部分被反射；2.一部分折射后通过；3.被媒质所吸收；对摄影说这三种情况都属于光线的损失。其损失程度取绝它所通过这媒质的厚度、透明度和颜色。以一般无色透镜而言，每个空气面因反射将损失光线约为4％，两个空气面为8％。如透镜厚度为1厘米，被吸收光线约2％，这样共计损失为10％；如该复式透镜组为4片，光的损失当达40％。为了减少这种损失，提高镜头的透光能力，增加光 通量，一般采取技术措施是：1.胶合透镜片，以减少其空气面；2.镜头球面涂以氟化物薄膜（俗称涂膜）。

光强度 （Luminous Intensity）

��光是一种辐射能，故各种光源所发出的光能都有一定的强度。这种光能的强度，就叫作“光强度”。它一般以烛光为计算单位。即以点然一种特制的鲸油蜡烛，依它沿水平方向的发光强度作为基数－－1烛光。现在所用的以电源发光的光源，其光强度的计算单位仍以烛光为标准，称作国际烛光。在习惯上我们称瓦特。２５瓦特的电灯，其光强度等于２５国际烛光。自然光照明中，其光强度不是一成不变的，在不同 季节、不同时间、不同气象条件、不同拍摄高度时，光强度都将发生变化。

光通量 （Luminous flux）

��由发光体发出的光能，在单位时间内通过某一截面的光能数量，叫光通量。光通量的数量越大，即表示该发光体所发出的可见光就越强。通光量的计数单位以流明表示。流明数与发光体的类别和功率有关，某一种类的发光体的功率越大，它的流明数就越高。一流明为一个标准蜡烛发出的光能，距光源一�远，在一平方�弧形面积的旧孔所通过的光能量。但是该弧形面积的旧孔的每一点距离发光体必须相等。用时间来计算发光流明的数量是秒数流明数=流明秒。摄影用的闪光灯的闪光度即以流明秒为单位表示的。

照度 （Illumination）

��照度是被照物表面在在单位面积上受到的光通量。一般用“�烛光”来表示照度。1�烛光，是指发光强度为1烛光的光源，在距离光源一�、面积为一平方�的垂直面上所产生的光照度。�烛光平均的光照度就是每平方�1流明，故可写作1流明/平方�。光照度也有用“米烛光”为单位，称作“勒克司”， 即一平方公尺的面积上受距离一米的烛光的照射。同样强度的光源，在物体上的照度和其与光源的距离有关，所以�烛光的光照度大于米烛光的光照度。1�烛光的光照度=10.76米烛光；1米烛光的光照度=0.093�烛光。

亮度 （Brightness）

��物体受光照后，不但与光源的强度以及它们之间的距离有关，而且还与其本身的反射能力有更密切的关系。例如一张白纸和一张灰纸，放在同一光源前，其照度完全相等，但白纸亮度大，灰纸亮度小。摄影作品上的明暗阶调，就是被摄物亮度等级的反映。计算物面亮度的算式如下：反射率入射光照度=亮度。例如，一张白纸，它的反射率为9/10，其入色光照度为100�烛光，这时纸面的亮度是10undefined9/10=90�烛光。

平方反比律 （Law of inverse square）

��一个物面上的照度，不但和光源的发光强度有关，而且与光源到物面的距离也有关。这样，当物面到光源的距离不变时，物面的照度与光源的发光强度成正比，如光源距物面的距离相同，都是一�，则发光强度为100烛光的光源在物面上的照度要比1烛光的光源大100倍。

��相反，当光源的发光强度不变，但与物面距离发生变化时，物面上的照度将与距离的平方成反比。此定律只适用于一般点状光源，如电灯、闪光灯。对长管状光源和经过会聚后的光束不完全适用。

��平方反比定律在摄影中，常用于人工光摄影时，光源强度不变，被摄物与之距离改变后，计算物面光照度改变的倍数。这个倍数亦为爆光组合需要改变的倍数。此外，它还适用于近摄时由于象距增加后所引起的曝光增加倍数。

透镜 （Lens）

��一种用广学介质如玻璃、水晶等制成的光学器件，是两面为球面或一面为球面的透明体。由于它具有会聚成象的能力，所以是照相机镜头的主要元件。

��根据其形状的或成象要求的不同，透镜可分为三类：

��1.凸透镜--是中间厚、周边薄的一种透镜。它具有会聚光的能力，所以又叫作“会聚透镜”、“正透镜” 。此类透镜又可分为：

��a.双凸镜--两面都磨制成凸球面的透镜；b平凸透镜--为一面凸、一面平的透镜；c.凹凸透镜--为一面凸、一面凹的透镜。

��2.凹透镜--为中间薄周边厚的透镜，它有发散光的能力，故又称“发散透镜”、“负透镜”。此类透镜又可分为：

��a.双凹透镜--是两面的透镜；b.平凹透镜--是一面凹、一面平的透镜；c.凸凹透镜--为一面凸、一面凹的透镜。

��3.薄透镜--为一种中央部分的厚度和其两面的曲率半径相比为很大的透镜。初期，照相机只装有一个凸透镜的镜头，故称为“单透镜”。随着科技日益发展，现代镜头均有若干不同形式和功能的凸凹透镜组成一个会聚的透镜，称为“复式透镜”。复式透镜中之凹透镜起校正各种象差的作用。

��光学玻璃具有透明度高、纯洁、无色、质地均匀，且有良好的折光能力，故为镜头生产的主要原料。由于化学成分和折射率不同光学玻璃有：

��1.火石玻璃--在玻璃成分中加入氧化铅，以增加折射率（1.8804）；2.冕牌玻璃--在玻璃成分中加入氧化钠和氧化钙制成，以减低其折射率（钡冕玻璃的折射率为1.7055）；3.镧冕玻璃--为近年来所发现的品种，它具有折射率高，色散率低的优良特性，为创造大口径的高级镜头提供了条件。

主轴 （Axis）

��主轴亦称‘主光轴’。通过透镜两个球面中心的直线称之。单球面镜的光轴是通过球面中心，并与镜面垂直的直线；透镜或共轴光具组的光轴是各透镜球面中心的连线。应该说明，通过光心的任何直线都可称作透镜的光轴，一般称它们为副光轴。

节点 （Node）

��节点为透镜主面和主轴相交的那个点，常用来作量度镜头物距、象距和焦距的长度的起点。每个透镜都有前后两个主面，因而每个透镜也有前后两个节点。当光线通过透镜时，有两种情况：一种是入射线不与主轴平行，折射后其出射线平行于主轴。这时，如将入射线继续延长，出射线向后延长，那么两线必然交于一点。从这一点做一垂直于主轴的平面，这平面即为前主面。前主面与主轴相交之点，就叫‘前节点’也称‘第一节点’。另一种是入射线平行于主轴，经折射后不平行于主轴，这时将入射线向前继续延长，出射线向后延长，那么两线也必然相交于一点，从这一点引一个垂直于主轴平面，该平面即为后主面，后主面与主轴相交之点，就是‘后节点’，亦称‘第 二节点’。前后节点之间的距离视透镜的厚度和组织而定。一般说，双凸厚透镜的两节点距每镜弧面的顶点，是透镜厚度的三分之一。有时，则可能在透镜的外边，或前节点在后节点的后面。

视野 （Field of view）

��视野又称作“视场”。原指人眼平视时所能看的见的那部分空间。现在借用过来指照相机能拍摄的景物范围。也可以解释作指照相机镜头所能涵盖的景物空间范围。它是该镜头视角大小的反映，故亦可理解为视角范围。

可用视野 （Field of sharpness）

��可用视野也叫作“清晰视野”。照相机镜头的视野，也象人眼看东西那样，中心部分清晰向外逐渐模糊，直至消失，并无明显的界限。所谓可用视野，即指视野内清晰的那部分。

视角 （Angle of vision）

��视角指视野边缘到镜头主点之间直线所形成的夹角，也可解释为镜头视野的开度。由此，反过来可以作如下表述：镜头视角的大小，决定了它视野范围的大小；镜头视角大，其视野范围也大，镜头视角小，其视野范围也小。视野是呈圆形的，因而视角是一个圆锥角。

象场 （Image field）

��物方视野内的景物，通过收缩光圈后的镜头之会聚作用后，在焦平面上所呈现出来的一块圆形范围的明亮而清晰影象的幅面，即是象场。它与视场相对应。

象差 （Aberration）

��又叫作‘光行差’。由于制造镜头的光学材料的特征、曲率半径、厚度、间距等因素，致使光线进入镜头后，行程发生改变，造成形象和被摄体原貌之间的差异，这种差异，就叫作‘象差’。象差的大小，反映了镜头成象质量的优劣和品质的好坏。造成原因是由于光点发出的光线与透镜主轴成角太大，离轴较远或透镜材料的折射率随光的波长而变所造成。透镜的象差分：

一、单色光

��1.球面象差。它是由于透镜本身球面形状造成的。透镜边缘薄而中间厚，因而聚光能力不一样，当某种波长的单色光通过时，这两部分所会聚的焦点不能在主光轴上汇集成一点，所以影象不清晰，且常出现晕光现象，如图示：使用此种缺陷的照相机，不宜用大光圈，否则会出现或中央清晰、四周模糊，或中央模糊、四周清晰等现象。这种象差，对单透镜说是不能彻底消除的。复式透镜都已采用不同折射率的光学玻璃和选择恰当的曲率半径的比值，使透镜组中正透镜与负透镜两者的球面象差相等的方法予以消除。

��2.象场弯曲――又称‘曲状境’、‘场曲’。即平面物体与透镜主轴成直角时，在象平面上会聚成的不是平直的影象，而具凹形的弯曲状态，这种光学的缺点，即称为‘象场弯曲’。造成的原因是由于象平面中央部分离透镜近，四周离透镜近，四周离透镜远，因而聚焦时呈现弧形。

��3.慧形象差---又名慧差、侧面球差。它是由和主光轴不平行的光线造成的，其结象和慧星发光状相用。如发光点的位置不和镜头主光轴在一条直线上，光线从侧面射入，通过透镜各部分后，在象平面边角部分成象，它不是重合成一点，而是一些从小到大彼此重叠的园圈，使点光源的结象呈梨状，所以称作慧星象差。

��造成的原因是透镜对侧面来的光线，由透镜边区至中心部位的各 部分光线所聚成之象点位置和影象大小不一致---边区一带光线 形成虚散、亮度也低的大环形，主光轴一带光线形成高亮度清晰的小环形。重叠后即呈梨状圆形。如缩小光圈，情况稍可得到改善。

��4.畸变---又称影相畸变。凡拍摄有横直线条的方形物体，而成象时直线弯曲，这种现象就叫作畸变。新月形、平凸形单透镜这种现象更为严重。若凹面或平面向外，光圈在前时，则所会聚成的影象呈凸出之状，愈接进边缘，弯曲现象与显著，这种崎变叫“桶状变形”。若透镜的凸面向外，光圈在后，则结象呈凹状，纵横线都向内弯曲，叫“针垫式变形”。

��5.象散性--又名“象散”、“纵横差”。由两个互相垂直截面中的光线构成，与主轴光线无关。其现象皆发生在象平面周边部分。如被摄物体有成直角交叉的竖线和横线，在象平面周边成象时，横线、直线不能同时会聚成清晰的影象：直线清晰时，横线必模糊；横线清晰时，直线必模糊。自从产生正光镜头后，象散现象已基本克服。

二、复色光（白光）：

��由于由于透镜对各种波长的色光的折射率的不同，冰面物体上的各种颜色的光线，通过透镜，不能在同一平面上聚焦。如红、黄、蓝三色，兰色光聚焦在前，黄光在中间。红光在后面。蓝色光部分清晰时，红色光部分就模糊了。这种色光聚焦的差异，即称色差。色差有两种：

��1.纵向色差--即各色光通过透镜时，不能在象平面上会聚成一个象点，这种色差，有叫作‘位置色差’。

��2.横向色差--由于各色光所会聚成象点的位置有前有后，因而 影象的大小也就有了区别，这种影象尺寸的差异，如红色影象要 比蓝色影象大，故又称“放大色差”。目前纠正的方法是用折射系数较小的冕牌玻璃的凸镜和折射系数较大的火石玻璃的凹镜相合，相互校正，使色差降到最小程度。

有效口径 （Effective aperture）

��有效口径也叫作“口径”、“最大口径”。指每只镜头开足光圈时前镜的光束直径（亦可视作透镜直径）与 焦距的比数。它表示该镜头最大光圈的纳光能力。如某个镜头焦距是4，前镜光束直径是1时，这就是说焦距比光束直径长4倍，一般称它为f系数，f代表焦距。

��求有效口径F系数的公式如下：F系数=焦距/光束直径。根据焦点平面的照度与镜头焦距成平方反比，一个镜头的F系数越小表示该镜头的纳光能力越大。由于每个镜头只有一个有效口径，故我们讲有效口径的比较时，都是在讲两个以上不同镜头。

��有效口径另外一个含义是指“T”制口径，全称为“T制有效口径。由于过去F制口径给出的数值只有一个镜头焦距与入瞳直径的比值，而没有考虑到不同厂家制造的各类镜头组结构上的差异、组成镜头组的镜片数量的多寡、磨制镜片所用的光学材料的区别，以及涂布增透膜技术质量的高低等等因素所造成镜头透光率比值的大小，对照平面照度E的影响，导至拍摄同一照度下的影物，虽然使用相同F系数的口径，但由于换了镜头，画面曝光量不一致， 影响了作品的质量。T制有效口径在镜头上所示数值和刻度方法、和F制没有什么不同。

相对口径 （Relative aperture）

��相对口径就是指由有效口径缩小光圈后的光束直径和该镜头焦距的比值。由于它也是焦距的比值，因此同样是F系数。相对口径的F系数，在每个镜头上都有若干个数值，明显的在该镜头上标志出来。如3.5、5.6、8、11、16、22。F3.5是表示该镜头的有效口径、F4以后各数值才是相对口径的数值。相对口径的比值数愈大，表示其纳光能力愈小。它们以几何级数排列，通光量以二倍递减或递进。