《光學(xué)原理與應(yīng)用》課件

光學(xué)原理與應(yīng)用歡迎來到光學(xué)世界！本課程將全面介紹光學(xué)的基本原理及其在現(xiàn)代科技中的廣泛應(yīng)用。我們將從光的本質(zhì)特性出發(fā)，探索光學(xué)的各個分支領(lǐng)域，包括幾何光學(xué)、波動光學(xué)和量子光學(xué)等。光學(xué)作為物理學(xué)的重要分支，在信息技術(shù)、醫(yī)療健康、能源利用和材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，您將掌握光學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，了解光學(xué)技術(shù)在各個行業(yè)中的應(yīng)用，為未來深入研究或?qū)嶋H工作奠定堅實基礎(chǔ)。讓我們一起開啟這段奇妙的光學(xué)之旅，探索光的神秘世界！什么是光學(xué)？光的本質(zhì)光學(xué)是研究光的產(chǎn)生、傳播、探測以及與物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光具有雙重性質(zhì)，既表現(xiàn)為電磁波，也表現(xiàn)為粒子（光子）。這種波粒二象性是量子力學(xué)的重要概念。光學(xué)分支幾何光學(xué)：研究光線傳播路徑，如反射、折射現(xiàn)象。波動光學(xué)：研究光的波動性質(zhì)，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。量子光學(xué)：研究光與物質(zhì)在量子尺度上的相互作用。歷史發(fā)展光學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了從古希臘時期的樸素理論，到牛頓的粒子說，再到楊氏的波動說，最終形成現(xiàn)代量子光學(xué)理論的漫長歷程。這一過程伴隨著無數(shù)科學(xué)家的貢獻和技術(shù)的突破。光的應(yīng)用領(lǐng)域信息技術(shù)光纖通信實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，激光技術(shù)在信息存儲、打印等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域光學(xué)成像技術(shù)如內(nèi)窺鏡、OCT成像；激光手術(shù)、光動力療法等治療手段徹底改變了醫(yī)療實踐。能源利用太陽能電池通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，光催化技術(shù)可用于環(huán)境治理和能源生產(chǎn)。材料科學(xué)光學(xué)材料的研發(fā)和應(yīng)用，如光學(xué)透鏡、光學(xué)涂層、光敏材料等，促進了多領(lǐng)域技術(shù)進步。光的波動性電磁波本質(zhì)光是電磁波的一種，波長范圍約為380-760納米，是電磁波譜中肉眼可見的部分。光波由振蕩的電場和磁場組成，這兩個場相互垂直且都垂直于傳播方向。電磁波特性頻率：波每秒振動的次數(shù)，決定光的顏色波長：相鄰兩個波峰間的距離，與頻率成反比振幅：波的最大偏移量，決定光的強度相位：描述波在振動周期中的位置光速測量光在真空中的傳播速度約為299,792,458米/秒，是物理學(xué)中的基本常數(shù)。歷史上，科學(xué)家通過天文觀測、齒輪裝置和旋轉(zhuǎn)鏡等多種方法測量光速，為理解光的本質(zhì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。波的疊加原理相干光相干光是指頻率相同且相位差恒定的光波。激光是典型的相干光源，普通光源經(jīng)過特殊處理也可產(chǎn)生相干光。相干性是觀察干涉現(xiàn)象的必要條件。光程差與相位差光程差是指光線在不同路徑上傳播距離的差值。光程差引起相位差，相位差影響波的疊加結(jié)果。光程差為波長整數(shù)倍時產(chǎn)生相長干涉，為半波長奇數(shù)倍時產(chǎn)生相消干涉。楊氏雙縫實驗這一經(jīng)典實驗首次證明了光的波動性。當相干光通過兩個狹窄縫隙后，在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋，完美驗證了波的疊加原理。楊氏雙縫干涉1干涉條紋形成當相干光束通過雙縫后，來自兩個縫的光波在空間中相遇并相互疊加。在某些位置，兩束光波的峰與峰重合，振幅增強，形成亮條紋；在其他位置，峰與谷重合，振幅減弱，形成暗條紋。2條紋間距計算相鄰亮條紋（或暗條紋）間的距離Δy=λL/d，其中λ為光的波長，L為縫到屏的距離，d為雙縫間距。這一關(guān)系式表明，條紋間距與波長成正比，與縫間距成反比。3干涉應(yīng)用楊氏雙縫干涉實驗的原理廣泛應(yīng)用于精密測量和全息術(shù)等領(lǐng)域。例如，通過分析干涉條紋可以精確測量波長、細微距離變化或表面不平整度，精度可達納米級。薄膜干涉等厚干涉與等傾干涉等厚干涉：在厚度相同的薄膜表面上觀察到的干涉現(xiàn)象，如肥皂泡表面的彩色條紋。等傾干涉：當平行光束以不同角度入射薄膜時觀察到的干涉現(xiàn)象。牛頓環(huán)實驗牛頓環(huán)是一種典型的等厚干涉現(xiàn)象，由平凸透鏡與平面玻璃板之間的空氣薄膜形成。當白光照射時，可觀察到一系列彩色同心圓環(huán)，這是薄膜干涉的典型例證。干涉應(yīng)用增透膜：通過控制薄膜厚度使反射光相消干涉，減少反射損失，廣泛應(yīng)用于光學(xué)鏡頭。高反膜：使反射光相長干涉，增強反射率，用于激光反射鏡等光學(xué)元件。邁克爾遜干涉儀干涉儀原理邁克爾遜干涉儀由光源、半透鏡（分束器）、兩面反射鏡和觀察屏組成。入射光經(jīng)半透鏡分為兩束，分別射向兩面反射鏡后返回，在半透鏡處重合產(chǎn)生干涉。兩光束的光程差決定了干涉條紋的形狀和位置。干涉條紋調(diào)節(jié)通過微調(diào)反射鏡的位置或傾斜角度，可以改變兩光束的光程差，從而調(diào)節(jié)干涉條紋。當兩光路等長時，在視場中央可觀察到明亮的干涉條紋；移動一面鏡子時，條紋會移動或改變形狀。應(yīng)用領(lǐng)域邁克爾遜干涉儀在光譜分析中可實現(xiàn)高精度的波長測量；在長度測量中可檢測納米級的位移；在天文學(xué)中用于測量恒星視直徑；在引力波探測中也發(fā)揮著重要作用，如著名的LIGO裝置。光的衍射惠更斯原理惠更斯原理是理解衍射的基礎(chǔ)，它認為波前上的每一點都可以看作新的子波源，這些子波的包絡(luò)面形成新的波前。當光波遇到障礙物或通過小孔時，根據(jù)惠更斯原理，波前會發(fā)生彎曲，形成衍射現(xiàn)象。單縫衍射當相干光通過寬度為a的窄縫時，在遠處屏幕上會形成中央明亮衍射峰，兩側(cè)是明暗相間的衍射條紋。這是由于縫中不同點發(fā)出的子波在屏幕上相遇時產(chǎn)生干涉所致。第一個暗條紋出現(xiàn)在θ=λ/a的位置。圓孔衍射光通過圓形小孔時，在屏幕上會形成圓形的艾里斑。中央是明亮的衍射峰，周圍是一系列明暗相間的衍射環(huán)。圓孔衍射決定了光學(xué)儀器的分辨率極限，也是星光閃爍現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)。單縫衍射λ/a衍射角公式第一暗紋對應(yīng)的衍射角正弦值，λ為波長，a為縫寬1.22λ/D分辨率極限瑞利判據(jù)中圓孔衍射的角分辨率，D為孔徑直徑10^-6衍射現(xiàn)象尺度衍射效應(yīng)在微米量級最為明顯，與可見光波長相當當相干光通過單縫時，縫中各點都成為次級波源。這些次級波在屏幕上相遇，由于傳播距離不同，產(chǎn)生相位差，導(dǎo)致在某些方向上發(fā)生相消干涉，形成暗條紋；在其他方向上發(fā)生相長干涉，形成亮條紋。衍射圖樣的精確分布可由菲涅耳-基爾霍夫衍射積分計算得出。衍射角與波長成正比，與縫寬成反比，這表明：波長越長或縫寬越窄，衍射效應(yīng)越明顯。這一原理廣泛應(yīng)用于光柵光譜儀、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域。光柵衍射光譜分析實現(xiàn)不同波長光的精確分離和測量光柵方程d(sinθ)=mλ，m為衍射級次光柵原理多縫干涉與單縫衍射的組合效應(yīng)光柵是由大量等間距平行狹縫或反射面組成的光學(xué)元件。入射光通過光柵后，會在特定方向上形成強烈的衍射峰，這是由于來自各個縫的衍射光在這些方向上發(fā)生相長干涉。光柵具有高分辨本領(lǐng)，能夠?qū)⒉ㄩL相近的光分開。光柵常數(shù)（相鄰縫間距）越小，分辨本領(lǐng)越高?，F(xiàn)代光柵每毫米可包含數(shù)千條刻線，能夠分辨極其接近的光譜線。光柵是光譜儀的核心元件，廣泛應(yīng)用于天文觀測、化學(xué)分析、材料表征等領(lǐng)域。在激光器中，光柵也用作波長選擇元件，確保輸出單一波長的激光。偏振光偏振光的產(chǎn)生反射：光在特定角度（布儒斯特角）反射時產(chǎn)生偏振折射：光通過某些晶體時，由于雙折射效應(yīng)產(chǎn)生偏振吸收：偏振片選擇性吸收特定振動方向的光散射：如天空藍光的偏振現(xiàn)象偏振光的類型線偏振光：電場振動方向固定在一個平面內(nèi)圓偏振光：電場矢量端點在傳播方向上描繪圓形軌跡橢圓偏振光：電場矢量端點在傳播方向上描繪橢圓軌跡偏振片的原理與應(yīng)用偏振片是一種只允許特定振動方向光通過的光學(xué)元件。常見的偏振片利用二向色性材料制成，如含有定向排列分子的聚合物薄膜。偏振片廣泛應(yīng)用于液晶顯示器、攝影濾鏡、3D電影眼鏡和應(yīng)力分析等領(lǐng)域。馬呂斯定律馬呂斯定律描述了偏振光通過檢偏器后的強度變化規(guī)律。當線偏振光通過一個偏振片（檢偏器）時，透射光的強度I與入射偏振光強度I?和兩個偏振片偏振方向夾角θ之間的關(guān)系為：I=I?·cos2θ。這一定律表明，當兩偏振片的偏振方向平行時(θ=0°)，透射光強最大；當兩偏振片的偏振方向垂直時(θ=90°)，透射光強為零。這就是為什么兩個交叉放置的偏振片會完全阻擋光線通過。馬呂斯定律在液晶顯示技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LCD顯示器通過控制液晶分子排列改變偏振光的方向，結(jié)合兩個偏振片，實現(xiàn)像素的明暗控制，從而顯示圖像。偏光顯微鏡也利用馬呂斯定律觀察具有雙折射性質(zhì)的樣品。雙折射現(xiàn)象方解石特性方解石（碳酸鈣晶體）是最常見的天然雙折射材料。光線通過方解石時會分裂成尋常光(o光)和非尋常光(e光)兩束。這兩束光具有不同的偏振狀態(tài)和折射率，在晶體中沿不同路徑傳播，導(dǎo)致出射時產(chǎn)生兩個分離的像。這種奇特現(xiàn)象使方解石成為研究光學(xué)偏振和雙折射的理想材料。將文字通過方解石觀察，會看到兩個重疊的圖像，展示了雙折射的視覺效果。尋常光與非尋常光尋常光遵循普通折射定律，折射率在各個方向相同；非尋常光的折射率則隨傳播方向變化，不嚴格遵循折射定律。兩種光的傳播速度和偏振方向也不同，導(dǎo)致它們在晶體中傳播路徑分離。波片是利用雙折射材料制成的光學(xué)元件，能改變偏振光的狀態(tài)。四分之一波片可將線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，或?qū)A偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光；二分之一波片能使線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。波片廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、光通信、偏振顯微鏡和光學(xué)傳感器等領(lǐng)域。光的散射瑞利散射當光遇到遠小于波長的粒子（如空氣分子）時發(fā)生的散射現(xiàn)象。散射強度與波長的四次方成反比(I∝λ??)，即短波長（藍光）比長波長（紅光）散射更強烈。這解釋了為什么晴朗的天空呈藍色——太陽光中的藍色部分被空氣分子更有效地散射到各個方向。米氏散射當光遇到與波長相當或更大的粒子（如水滴、塵埃）時發(fā)生的散射。米氏散射對不同波長的光散射強度差異較小，主要向前方散射。這解釋了云和霧呈現(xiàn)白色——所有波長的可見光都被均勻散射。散射的應(yīng)用光散射在多個領(lǐng)域有重要應(yīng)用：天文學(xué)家通過分析散射光研究星際物質(zhì)；大氣科學(xué)家利用散射原理監(jiān)測空氣污染；光學(xué)涂層技術(shù)通過控制散射提高透明度或產(chǎn)生特定視覺效果；醫(yī)學(xué)成像和生物分析也利用散射原理檢測組織結(jié)構(gòu)變化。幾何光學(xué)基礎(chǔ)光的直線傳播定律在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。這一定律解釋了影子的形成，也是針孔成像的基礎(chǔ)。通過針孔觀察到的像是倒立的，這完全符合光的直線傳播規(guī)律。光的獨立傳播定律多束光相遇時互不影響，各自按原來的方向繼續(xù)傳播。這解釋了為什么我們能同時看到多個光源發(fā)出的光，而不會相互干擾。需要注意的是，這只適用于強度不太高的普通光，強激光可能導(dǎo)致介質(zhì)非線性效應(yīng)。光的反射與折射定律反射定律：入射角等于反射角，入射光線、反射光線和法線在同一平面內(nèi)。折射定律（斯涅爾定律）：n?sinθ?=n?sinθ?，其中n為折射率，θ為光線與法線的夾角。這兩個定律是幾何光學(xué)的基石，決定了光在界面處的行為。反射定律反射定律的表述反射定律有兩個基本要點：第一，入射角等于反射角；第二，入射光線、反射光線和法線共面。其中入射角和反射角都是指光線與表面法線的夾角。這一簡潔的定律適用于任何光滑表面的鏡面反射。平面鏡應(yīng)用平面鏡是最常見的反射定律應(yīng)用。它能形成與物體大小相同、左右相反、與鏡面等距的虛像。這一原理用于日常鏡子、潛望鏡、反光板等設(shè)備，也是更復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。球面鏡應(yīng)用凹面鏡和凸面鏡遵循相同的反射定律，但由于表面彎曲，不同點的法線方向不同，導(dǎo)致平行入射光被聚焦或發(fā)散。凹面鏡用于化妝鏡、天文望遠鏡；凸面鏡用于街角反光鏡、車輛后視鏡等場合。折射定律斯涅爾定律折射定律（斯涅爾定律）描述了光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時方向的變化：n?sinθ?=n?sinθ?，其中n?和n?是兩種介質(zhì)的折射率，θ?是入射角，θ?是折射角。當光從低折射率介質(zhì)進入高折射率介質(zhì)時，光線向法線方向彎折；反之則偏離法線。折射定律解釋了許多日?，F(xiàn)象，如水中的筷子看起來像被折斷，游泳池顯得比實際更淺等。這一定律也是光學(xué)儀器設(shè)計的基礎(chǔ)，透鏡、棱鏡等光學(xué)元件都利用折射原理改變光路。此外，折射率與介質(zhì)密度相關(guān)，可用于材料成分分析。全反射臨界角與全反射條件當光從高折射率介質(zhì)射向低折射率介質(zhì)時，如果入射角超過臨界角，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。臨界角θc可通過公式sinθc=n?/n?計算，其中n?為入射介質(zhì)折射率，n?為折射介質(zhì)折射率。例如，水-空氣界面的臨界角約為48.6°，玻璃-空氣界面約為41.1°。全反射特性全反射時，幾乎100%的光能被反射回原介質(zhì)，沒有能量損失，這是它優(yōu)于普通鏡面反射的關(guān)鍵優(yōu)勢。但需注意，全反射界面仍存在微弱的"消逝波"滲透到第二介質(zhì)中，這種特性在某些光學(xué)傳感器中有重要應(yīng)用。全反射應(yīng)用光纖通信：光在纖芯與包層界面發(fā)生全反射，確保信號無損傳輸數(shù)千公里。潛望鏡：利用全反射改變光路方向，實現(xiàn)視線轉(zhuǎn)折。雙筒望遠鏡：棱鏡系統(tǒng)中的全反射使光路折疊，減小儀器體積。珠寶閃耀：鉆石高折射率使其內(nèi)部光線多次全反射，創(chuàng)造獨特光澤。平面鏡成像虛像平面鏡成的像是虛像，意味著光線實際上不會通過像點，而是看起來像從像點發(fā)出。虛像不能投影到屏幕上，但可以被眼睛或照相機觀察到。通過作光路圖可以驗證，平面鏡中的像點位于鏡后，與對應(yīng)物點關(guān)于鏡面對稱。等大成像平面鏡成像具有重要特性：像的大小與物體完全相同。無論物體離鏡面多遠，像的高度與物體高度保持一致。這一特性使平面鏡在日常使用中非常實用，能夠準確反映物體的尺寸和形狀。左右顛倒平面鏡的像是左右顛倒的，即像的左右方向與物體相反。準確地說，是垂直于鏡面的方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。這也被稱為"鏡像反轉(zhuǎn)"現(xiàn)象。有趣的是，平面鏡并不會上下顛倒像，這與我們的日常經(jīng)驗一致。球面鏡f=R/2焦距公式球面鏡焦距等于曲率半徑的一半1/f光焦度焦距的倒數(shù)，單位為屈光度(D)1/p+1/q=1/f成像公式物距、像距和焦距的關(guān)系式球面鏡是一種表面為球面一部分的反射鏡。根據(jù)反射面的朝向，可分為凹面鏡（反射面向內(nèi)）和凸面鏡（反射面向外）。凹面鏡對入射的平行光線會聚于焦點，而凸面鏡使平行光線看似來自焦點。球面鏡的重要參數(shù)包括：曲率中心（球心）、曲率半徑（從球心到鏡面的距離）、焦點（平行于主軸的光線反射后相交的點）和焦距（從鏡面中心到焦點的距離）。對于球面鏡，焦距等于曲率半徑的一半(f=R/2)。球面鏡成像可用成像公式描述：1/p+1/q=1/f，其中p為物距，q為像距，f為焦距。此外，球面鏡的放大率為m=-q/p，負號表示像可能是倒立的。凹面鏡成像物距像距像的性質(zhì)倍率∞>p>2ff<q<2f實像、倒立、縮小|m|<1p=2fq=2f實像、倒立、等大|m|=12f>p>fq>2f實像、倒立、放大|m|>1p=fq=∞無像-f>p>0q<0(鏡后)虛像、正立、放大m>1凹面鏡的成像特性取決于物體位置。當物體位于焦點外時，形成實像；當物體位于焦點和鏡面之間時，形成放大的虛像。這種多樣的成像特性使凹面鏡在光學(xué)系統(tǒng)中非常實用。凹面鏡有廣泛的應(yīng)用場景。在天文學(xué)中，反射望遠鏡使用大型凹面鏡收集和聚焦微弱的星光；在照明系統(tǒng)中，手電筒和車燈使用凹面反射鏡增強光束強度和方向性；在美容領(lǐng)域，放大化妝鏡利用近焦點成像產(chǎn)生放大效果；在太陽能技術(shù)中，拋物面反射鏡（近似凹面鏡）用于聚焦陽光產(chǎn)生高溫。凸面鏡成像虛像特性凸面鏡無論物距如何，永遠形成虛像。這些虛像位于鏡后，比物體小，且始終保持正立。這一特性使凸面鏡非常適合需要廣視角的應(yīng)用場合。1廣角視野凸面鏡可提供比平面鏡更寬廣的視野，能夠在較小面積內(nèi)顯示更大范圍的場景。這是因為凸面會使物體的像變小，從而在同一視角內(nèi)包含更多信息。2安全應(yīng)用凸面鏡在交通安全中廣泛使用，如轉(zhuǎn)角處的道路反射鏡、超市防盜鏡和車輛后視鏡等。這些應(yīng)用都利用了凸面鏡的廣角特性，幫助人們觀察到原本視線不可及的區(qū)域。3成像公式凸面鏡成像同樣遵循球面鏡成像公式：1/p+1/q=1/f，但需要注意凸面鏡的焦距為負值。像距q為負值表示像在鏡后（虛像）。放大率m=-q/p，由于q為負，像始終為正立的。4透鏡凸透鏡凸透鏡中間厚、邊緣薄，對光線有會聚作用。它將平行光會聚到焦點，可形成實像或虛像，取決于物體位置。凸透鏡的焦距為正值，常用于放大鏡、照相機鏡頭和投影儀等設(shè)備中。凹透鏡凹透鏡中間薄、邊緣厚，對光線有發(fā)散作用。它使平行光發(fā)散，好像來自鏡后的焦點。凹透鏡總是形成縮小的虛像，焦距為負值，常用于矯正近視眼鏡和增大視場的場景。焦點與焦距透鏡的焦點是平行于主軸的光線經(jīng)折射后相交或發(fā)散的點。焦距是透鏡中心到焦點的距離，是透鏡的重要參數(shù)，決定了透鏡的聚光能力。透鏡的光焦度等于焦距的倒數(shù)，單位為屈光度(D)。透鏡成像公式透鏡成像遵循高斯公式：1/p+1/q=1/f，其中p為物距，q為像距，f為焦距。透鏡的放大率為m=q/p。對于凹透鏡，f為負值；對于凸透鏡，f為正值。這一公式是光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)。凸透鏡成像凸透鏡的成像特性豐富多樣，取決于物體相對于焦點的位置。當物體位于2f以外時，形成倒立、縮小的實像；位于2f處時，形成等大、倒立的實像；位于f與2f之間時，形成倒立、放大的實像；位于f以內(nèi)時，形成正立、放大的虛像。這種多樣的成像特性使凸透鏡在光學(xué)儀器中應(yīng)用廣泛。照相機鏡頭利用凸透鏡在感光元件上形成清晰實像；投影儀將小幻燈片上的圖像放大投射到屏幕上；顯微鏡利用物鏡和目鏡（均為凸透鏡）的組合實現(xiàn)高倍率放大；人眼中的晶狀體也是一種可調(diào)焦的凸透鏡，通過改變曲率實現(xiàn)對不同距離物體的清晰成像。凹透鏡成像成像規(guī)律凹透鏡無論物距如何，始終形成縮小的虛像近視眼矯正分散平行光線，補償近視眼過強的聚光能力廣角應(yīng)用增大視場范圍，應(yīng)用于門鏡和安全鏡凹透鏡的獨特性質(zhì)在于它總是形成位于鏡前物體在鏡后的虛像，且這些像始終是正立且縮小的。根據(jù)透鏡成像公式，當凹透鏡的焦距f為負值時，對任何正的物距p，計算出的像距q都將是負值，表明像在鏡后形成虛像。凹透鏡的放大率m=q/p，由于q為負值而p為正值，所以m為負值，但像的高度h'=mh，故像始終為正立的縮小像。這種成像特性使凹透鏡在視力矯正中發(fā)揮關(guān)鍵作用。近視眼由于眼球過長或晶狀體聚光能力過強，導(dǎo)致遠處物體的像形成在視網(wǎng)膜前方。凹透鏡能使入射光線發(fā)散，有效延長成像距離，使像恰好落在視網(wǎng)膜上，從而矯正近視。除此之外，凹透鏡還用于增大視場的場景，如門鏡、某些相機鏡頭的附加組件等。光學(xué)系統(tǒng)多元件組合實際光學(xué)系統(tǒng)通常由多個光學(xué)元件組合而成，包括透鏡、鏡面、棱鏡等。這些元件協(xié)同工作，實現(xiàn)特定的光學(xué)功能，如放大、成像、聚焦或色散控制。復(fù)雜系統(tǒng)如顯微鏡可能包含十余個元件，精密配合以獲得高質(zhì)量圖像。光路圖繪制光路圖是分析光學(xué)系統(tǒng)的重要工具，通過追蹤特定光線（如主光線、平行于主軸的光線、通過焦點的光線）的傳播路徑，預(yù)測最終成像位置和性質(zhì)?，F(xiàn)代光學(xué)設(shè)計軟件可進行復(fù)雜的光路追蹤，考慮色差、像差等因素。成像分析光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量受多種因素影響，包括像差（如球差、彗差、場曲、畸變等）、衍射極限和材料特性。設(shè)計師通過添加校正元件、優(yōu)化曲面形狀、選擇特殊材料來減少這些問題，提高成像清晰度。眼睛眼睛結(jié)構(gòu)眼睛是高度復(fù)雜的光學(xué)器官，主要由角膜、虹膜、瞳孔、晶狀體、玻璃體和視網(wǎng)膜組成。角膜提供約三分之二的折射力；虹膜控制進入眼睛的光量；晶狀體通過肌肉改變形狀進行調(diào)焦；視網(wǎng)膜上的感光細胞（視錐細胞和視桿細胞）將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號。角膜：透明外層，提供主要折射力虹膜：控制瞳孔大小，調(diào)節(jié)光量晶狀體：雙凸透鏡，通過肌肉控制調(diào)節(jié)焦距視網(wǎng)膜：感光層，包含視錐細胞（色覺）和視桿細胞（暗視覺）視覺原理視覺形成過程：光線通過角膜、瞳孔和晶狀體，最終在視網(wǎng)膜上形成倒立的實像。視網(wǎng)膜上的感光細胞將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過視神經(jīng)傳遞到大腦視覺皮層，大腦將倒立像重新解讀為正立圖像。眼睛的調(diào)節(jié)過程是通過睫狀肌改變晶狀體曲率來完成的，從而調(diào)整焦距。常見視力缺陷包括：近視（物距過遠時無法清晰成像，需用凹透鏡矯正）；遠視（近距物體無法清晰成像，需用凸透鏡矯正）；散光（角膜或晶狀體曲率不均勻，需用柱面鏡矯正）；老花（晶狀體彈性減弱，調(diào)節(jié)能力下降，需用凸透鏡輔助）。隨著技術(shù)進步，激光手術(shù)、多焦點人工晶狀體等方法也被用于視力矯正。照相機感光元件記錄光線形成圖像的關(guān)鍵部件光圈與快門控制進光量的機械裝置鏡頭系統(tǒng)控制光路形成清晰成像照相機的基本工作原理與人眼相似，但通過機械和電子控制實現(xiàn)更精確的成像。核心結(jié)構(gòu)包括鏡頭系統(tǒng)、光圈、快門和感光元件。鏡頭系統(tǒng)由多個透鏡組合而成，負責聚焦光線形成清晰像；光圈控制進光量和景深；快門控制曝光時間；感光元件（傳統(tǒng)膠片或現(xiàn)代數(shù)字傳感器）記錄光線形成圖像。照相機的三大核心參數(shù)：光圈、快門速度和感光度。光圈（F值）控制景深，數(shù)值越小，進光量越大，景深越淺；快門速度控制曝光時間，影響動態(tài)物體的清晰度；感光度（ISO）表示感光元件對光的敏感程度，高ISO可在弱光環(huán)境拍攝，但可能增加噪點。這三個參數(shù)的平衡是攝影技術(shù)的基礎(chǔ)。投影儀1傳統(tǒng)投影儀傳統(tǒng)投影儀利用高亮度光源通過半透明的膠片或幻燈片，再經(jīng)凸透鏡系統(tǒng)放大投射到屏幕上。其工作原理基于凸透鏡位于焦點和2倍焦距之間時能形成放大實像的特性。這種技術(shù)曾廣泛用于教育和會議演示。2液晶投影儀液晶投影儀使用液晶面板（LCD）作為調(diào)制器，控制光線通過或阻擋，形成圖像。三原色光（紅、綠、藍）分別通過不同的液晶面板，最后合成彩色圖像。LCD投影儀色彩準確，但對比度相對較低。3DLP投影儀數(shù)字光處理(DLP)投影儀使用數(shù)百萬微小反射鏡組成的DMD芯片，每個鏡子代表一個像素。通過高速切換鏡子角度，控制光線反射到鏡頭或吸收體，實現(xiàn)圖像顯示。DLP投影儀對比度高，響應(yīng)速度快，適合顯示動態(tài)內(nèi)容。4激光投影儀最新的激光投影技術(shù)使用RGB激光作為光源，提供更廣的色域和更長的使用壽命。激光投影儀亮度高、色彩鮮艷，能夠在更大屏幕上呈現(xiàn)高質(zhì)量圖像，成為高端影院和大型場館的首選。望遠鏡折射望遠鏡折射望遠鏡利用物鏡（凸透鏡）收集遠處物體的光線并形成實像，然后通過目鏡（凸透鏡）觀察放大的像。其優(yōu)點是成像清晰穩(wěn)定，維護簡單；缺點是存在色差，大口徑制造困難且昂貴。常見的雙筒望遠鏡就是基于折射原理設(shè)計的。反射望遠鏡反射望遠鏡使用凹面主鏡收集光線并反射形成實像，配合次鏡改變光路方向，通過目鏡觀察。其優(yōu)勢在于沒有色差，大口徑制造相對容易且成本較低；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精確校準。哈勃太空望遠鏡是著名的反射式望遠鏡?？ㄈ窳质酵h鏡卡塞格林式望遠鏡結(jié)合了折射和反射原理，使用曲面鏡和透鏡的組合。其特點是光路折疊，體積緊湊，同時兼顧成像質(zhì)量。這種設(shè)計在天文愛好者和專業(yè)天文臺中都很受歡迎，代表產(chǎn)品如施密特-卡塞格林望遠鏡。顯微鏡光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡使用可見光和透鏡系統(tǒng)放大微小物體。其基本結(jié)構(gòu)包括物鏡、目鏡和光源系統(tǒng)。物鏡位于標本附近，提供主要放大倍率；目鏡進一步放大物鏡形成的實像供觀察者查看?？偡糯舐实扔谖镧R和目鏡放大率的乘積?，F(xiàn)代光學(xué)顯微鏡技術(shù)多樣，包括明場、暗場、相差、熒光和偏振顯微鏡等，分別適用于不同的觀察需求。光學(xué)顯微鏡的分辨率受光的波長限制，理論極限約為200納米。電子顯微鏡電子顯微鏡使用電子束代替光線，通過電磁透鏡（而非玻璃透鏡）控制電子束路徑。由于電子波長遠短于可見光，電子顯微鏡的分辨率可達亞納米級，能觀察單個原子。主要類型包括：掃描電子顯微鏡(SEM)，提供樣品表面的三維圖像；透射電子顯微鏡(TEM)，展示樣品內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)和納米技術(shù)研究中不可或缺。顯微鏡的關(guān)鍵參數(shù)是放大倍數(shù)和分辨率。放大倍數(shù)表示圖像相對于實物的尺寸比例；分辨率是指能夠分辨的最小細節(jié)尺寸。值得注意的是，單純提高放大倍數(shù)而不提高分辨率，只會得到更模糊的放大圖像，不會看到更多細節(jié)。這也是為什么高端顯微鏡更注重提高分辨率，而非簡單提高放大倍數(shù)。光纖單模光纖多模光纖特種光纖光纖是一種能夠傳導(dǎo)光線的柔性透明纖維，通常由超純二氧化硅(SiO?)制成?；窘Y(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和保護外套。纖芯是光傳播的介質(zhì)；包層折射率略低于纖芯，確保光線通過全反射被限制在纖芯內(nèi)；保護外套則提供機械保護和化學(xué)穩(wěn)定性。光在光纖中傳播基于全反射原理。當入射角大于臨界角時，光線在纖芯與包層界面發(fā)生全反射，幾乎不損失能量地沿纖芯傳播。不同類型光纖包括：單模光纖（纖芯直徑約9μm，只允許一種模式傳播）和多模光纖（纖芯直徑50-62.5μm，允許多種模式傳播）。光纖傳輸面臨兩大挑戰(zhàn)：損耗和色散。損耗包括材料吸收、瑞利散射和彎曲損耗等，導(dǎo)致信號衰減；色散則使不同波長或模式的光以不同速度傳播，導(dǎo)致脈沖展寬，限制傳輸帶寬?，F(xiàn)代制造技術(shù)已將損耗降至理論極限附近（約0.2dB/km），并開發(fā)了各種分散補償技術(shù)。光纖通信發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，包括調(diào)制器和光源（通常是激光二極管或LED）傳輸介質(zhì)光纖作為傳輸通道，利用全反射原理傳導(dǎo)光信號中繼放大對于長距離傳輸，使用光放大器（如摻鉺光纖放大器EDFA）增強信號接收端使用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，進行解調(diào)和處理激光器激光特性單色性：波長范圍極窄，頻譜純凈度高方向性：發(fā)散角極小，光束平行度高相干性：波前相位關(guān)系確定，干涉性能優(yōu)異高亮度：單位立體角內(nèi)能量密度極高激光器原理激光器工作基于三個關(guān)鍵過程：泵浦（提供能量使粒子躍遷到高能態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）、受激輻射（高能粒子在光子刺激下躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射相同光子）和光學(xué)諧振腔（提供正反饋，放大光信號）。當泵浦功率超過閾值，激光開始持續(xù)輸出。激光器類型氣體激光器：如He-Ne激光器、CO?激光器，波長穩(wěn)定固體激光器：如紅寶石激光器、YAG激光器，功率大半導(dǎo)體激光器：體積小、效率高、壽命長，應(yīng)用廣泛光纖激光器：利用摻雜光纖作為增益介質(zhì)，性能優(yōu)異激光的應(yīng)用工業(yè)加工激光切割、焊接和打標已成為現(xiàn)代工業(yè)制造的重要工藝。激光加工具有精度高、無接觸、變形小、速度快等優(yōu)勢。CO?激光器常用于非金屬材料切割，而光纖激光器則適合金屬加工。激光焊接在汽車、航空和電子行業(yè)廣泛應(yīng)用，可實現(xiàn)精密焊接和特殊材料連接。醫(yī)療應(yīng)用激光在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括激光手術(shù)（如眼科的LASIK矯正視力）、激光治療（如血管病變、皮膚病變治療）和激光美容（去除紋身、祛斑）。不同波長的激光對不同組織有選擇性吸收，可實現(xiàn)精準治療，減少對周圍健康組織的損傷。測量與探測激光雷達(LiDAR)通過測量激光脈沖往返時間來精確測量距離，是自動駕駛汽車、機器人導(dǎo)航和地形測繪的關(guān)鍵技術(shù)。激光干涉測量可實現(xiàn)納米級精度，用于精密機械制造和科學(xué)研究。激光光譜分析則用于環(huán)境監(jiān)測和材料分析。光學(xué)傳感器光電傳感器基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件。包括光電二極管、光敏電阻、光電倍增管等。廣泛應(yīng)用于自動控制、光通信接收、光度測量和圖像采集等領(lǐng)域。1光纖傳感器利用光纖特性感知外部參數(shù)變化的裝置。根據(jù)不同的調(diào)制方式，可測量溫度、應(yīng)變、壓力、加速度、電流和各種化學(xué)物質(zhì)濃度。具有抗電磁干擾、本質(zhì)安全、可遠程分布測量等優(yōu)勢。圖像傳感器如CCD和CMOS傳感器，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號。是數(shù)碼相機、攝像機、機器視覺系統(tǒng)的核心部件?，F(xiàn)代圖像傳感器具有高分辨率、高靈敏度和低噪聲特性。光譜傳感器分析光譜成分的裝置，可用于物質(zhì)成分分析、顏色識別和環(huán)境監(jiān)測。從簡單的RGB顏色傳感器到復(fù)雜的光譜儀，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。4光學(xué)存儲光盤存儲技術(shù)光盤通過激光在特殊材料上"燒錄"微小凹坑表示數(shù)據(jù)，讀取時利用激光反射強度的差異識別數(shù)據(jù)。從最初的CD（容量650MB，紅外激光），到DVD（容量4.7GB，紅色激光），再到藍光光盤（容量25-50GB，藍紫激光），激光波長越短，記錄密度越高。2全息存儲技術(shù)全息存儲利用激光干涉圖樣在介質(zhì)中記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維存儲，大幅提高存儲密度。理論上可實現(xiàn)TB級容量。與傳統(tǒng)存儲方式不同，全息存儲可以整頁讀取數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)吞吐量。該技術(shù)仍處于發(fā)展階段，尚未廣泛商用。5D光學(xué)存儲使用飛秒激光在石英玻璃中創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)，通過五個維度（三個空間維度加偏振和強度）存儲信息。這種技術(shù)理論上可保存數(shù)據(jù)數(shù)十億年，被稱為"永久性存儲"，適合重要歷史檔案保存。存儲密度可達幾百TB/盤。顯示技術(shù)液晶顯示液晶顯示(LCD)利用液晶分子在電場作用下改變排列方向，控制偏振光的通過，實現(xiàn)像素明暗控制。LCD需要背光源提供光線，通過調(diào)制光的通過量來顯示圖像。TFT-LCD添加了薄膜晶體管陣列，實現(xiàn)更精確的像素控制。IPS和VA等不同類型的LCD面板具有不同的視角和對比度特性。等離子顯示等離子顯示面板(PDP)利用電極激發(fā)氙氣和氖氣混合物產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光。每個像素都是獨立發(fā)光的，實現(xiàn)高對比度和寬視角。PDP曾在大尺寸電視市場占主導(dǎo)地位，但因功耗高、壽命短等問題，目前已基本被OLED和LCD替代。OLED顯示有機發(fā)光二極管(OLED)顯示利用有機半導(dǎo)體材料在電流刺激下發(fā)光。每個像素自發(fā)光，無需背光源，實現(xiàn)完美黑色和極高對比度。OLED顯示器可制作成柔性和透明形態(tài)，開創(chuàng)了全新的應(yīng)用場景。目前已廣泛應(yīng)用于高端智能手機、電視和可穿戴設(shè)備。非線性光學(xué)非線性光學(xué)研究在高強度光場作用下，材料的光學(xué)響應(yīng)與入射光場不再成正比的現(xiàn)象。在常規(guī)條件下，材料的極化強度與電場強度成正比，這是線性光學(xué)的基礎(chǔ)；但在強激光照射下，材料的極化響應(yīng)包含電場的高階項，產(chǎn)生非線性效應(yīng)。重要的非線性光學(xué)效應(yīng)包括：倍頻效應(yīng)（將部分入射光轉(zhuǎn)換為兩倍頻率的光，如紅外光轉(zhuǎn)換為可見光）；和頻效應(yīng)（兩束不同頻率的光合成更高頻率的光）；差頻效應(yīng)（產(chǎn)生頻率為兩入射光頻率差的新光波）；光學(xué)參量放大（利用非線性晶體放大弱信號光）；四波混頻（三束光相互作用產(chǎn)生第四束光）；克爾效應(yīng)（材料折射率隨光強變化）。非線性光學(xué)在現(xiàn)代光子技術(shù)中發(fā)揮重要作用，應(yīng)用于激光頻率轉(zhuǎn)換、超快光學(xué)、光學(xué)參量振蕩器、光學(xué)限幅器和全光信號處理等領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)的進步和新材料的開發(fā)，非線性光學(xué)應(yīng)用不斷拓展。量子光學(xué)光的量子性量子光學(xué)將光視為由光子組成的量子場，而非連續(xù)波動，解釋了光電效應(yīng)等經(jīng)典光學(xué)無法解釋的現(xiàn)象。光子是不可分割的能量量子，能量E=hν，其中h為普朗克常數(shù)，ν為頻率。光子既表現(xiàn)為粒子性，又表現(xiàn)為波動性，體現(xiàn)了量子力學(xué)的波粒二象性。量子態(tài)量子光學(xué)中，光場的量子態(tài)包括相干態(tài)、壓縮態(tài)、熱態(tài)和光子數(shù)態(tài)等。最接近經(jīng)典光的是相干態(tài)，如激光光場；而非經(jīng)典光如壓縮態(tài)，可在某一正交分量上實現(xiàn)低于標準量子極限的噪聲，用于高精度測量。單光子態(tài)和雙光子糾纏態(tài)是量子信息處理的重要資源。量子糾纏量子糾纏是指兩個或多個粒子的量子態(tài)無法獨立描述的現(xiàn)象。糾纏光子對的測量結(jié)果存在強相關(guān)性，即使分離很遠距離。這種"超距作用"違背局域?qū)嵲谡?，是量子力學(xué)的獨特現(xiàn)象。通過參量下轉(zhuǎn)換過程可產(chǎn)生糾纏光子對，用于基礎(chǔ)量子物理研究和量子通信。量子通信量子通信利用量子力學(xué)原理實現(xiàn)安全通信，其核心是量子密鑰分發(fā)(QKD)。任何對量子信道的竊聽都會引起量子態(tài)的不可逆變化，可被檢測到。量子通信已從實驗室走向?qū)嵱?，中國建成了超過2000公里的量子通信干線，實現(xiàn)了星地量子通信。全息術(shù)全息術(shù)原理全息術(shù)是記錄和再現(xiàn)物體三維圖像的技術(shù)，基于光波的干涉和衍射原理。傳統(tǒng)全息攝影使用相干光（通常是激光）分為兩束：一束直接照射記錄介質(zhì)（參考光），另一束照射物體后散射到記錄介質(zhì)（物光）。兩束光在記錄介質(zhì)上干涉，形成包含物體三維信息的干涉條紋，稱為全息圖。重現(xiàn)時，用參考光照射全息圖，通過衍射重現(xiàn)物光波前，觀察者可以看到原物體的三維圖像，具有真實的視差和深度感。這與普通照片僅記錄光強不同，全息圖記錄了光波的振幅和相位信息。全息圖制作傳統(tǒng)全息圖的制作需要嚴格的條件：高度相干的光源（如He-Ne激光器）；防震穩(wěn)定的光學(xué)平臺（微米級振動都可能破壞干涉圖案）；高分辨率記錄介質(zhì)（如全息干版）；精確的光學(xué)元件配置。根據(jù)記錄和再現(xiàn)方式，全息圖可分為透射式和反射式，各有特點。數(shù)字全息術(shù)無需化學(xué)處理，使用CCD或CMOS傳感器記錄干涉圖案，通過計算機處理重建圖像。這大大簡化了制作過程，增加了后處理靈活性，促進了全息術(shù)的普及應(yīng)用。全息術(shù)應(yīng)用廣泛：安全防偽（如鈔票、信用卡上的全息標識）；藝術(shù)展示（博物館的全息展品）；醫(yī)學(xué)成像（全息內(nèi)窺鏡）；數(shù)據(jù)存儲（全息存儲技術(shù)）；光學(xué)元件（全息光柵、全息光學(xué)元件）；增強現(xiàn)實顯示（透視式頭戴顯示器）。隨著計算機技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，全息術(shù)正在向更高效、便捷的方向發(fā)展。自適應(yīng)光學(xué)1977年技術(shù)誕生美國空軍首次將自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于地基天文觀測1/1000補償精度可校正波前畸變至波長的千分之一量級10-3秒響應(yīng)速度快速變形鏡校正湍流引起的波前變形速度自適應(yīng)光學(xué)是一種實時補償光波畸變的技術(shù)，通過可變形光學(xué)元件（如可變形鏡）對波前進行動態(tài)修正。其核心原理是測量入射波前畸變，然后控制可變形鏡面形狀，使其產(chǎn)生與畸變相反的變形，從而補償原始畸變，恢復(fù)理想波前。典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包含三個關(guān)鍵部分：波前傳感器（如Shack-Hartmann傳感器），用于測量波前畸變；波前校正器（如可變形鏡或空間光調(diào)制器），用于補償畸變；控制系統(tǒng)，連接傳感器和校正器，實現(xiàn)實時閉環(huán)控制。系統(tǒng)通常需要在毫秒級時間內(nèi)完成測量-計算-校正循環(huán)。自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用廣泛：在天文觀測中消除大氣湍流影響，顯著提高地基望遠鏡分辨率；在激光系統(tǒng)中校正熱效應(yīng)和介質(zhì)不均勻性；在視覺科學(xué)和眼科中矯正眼睛高階像差，提高視網(wǎng)膜成像質(zhì)量；在顯微成像中補償生物樣本引起的畸變，提高深層組織成像清晰度。超材料負折射率材料傳統(tǒng)材料的折射率均為正值，而超材料可實現(xiàn)負折射率，使光線在界面上向"異常"方向折射。這種現(xiàn)象在自然界不存在，但通過精心設(shè)計的亞波長結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)。負折射率材料是"超級透鏡"的關(guān)鍵，有望突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限。隱身技術(shù)超材料可設(shè)計為將電磁波繞過被包裹物體，使其在特定波長下"隱形"。這種光學(xué)隱身衣通過引導(dǎo)光波繞過物體而非穿過或反射，使得觀察者看不到物體存在。目前已在微波和紅外波段實現(xiàn)，可見光隱身仍面臨挑戰(zhàn)。表面等離子體超材料可支持表面等離子體激元，即金屬-介質(zhì)界面上的電磁波與自由電子耦合形成的波。這種特殊波可將光限制在遠小于波長的區(qū)域，實現(xiàn)"超分辨"成像和感應(yīng)，在生物傳感、光伏技術(shù)和光信息處理中有重要應(yīng)用。光子晶體周期性結(jié)構(gòu)光子晶體是折射率周期性變化的人工結(jié)構(gòu)材料，周期與光波長相當。根據(jù)周期性排列的維度，可分為一維、二維和三維光子晶體。這種周期性結(jié)構(gòu)影響光子的傳播行為，類似電子在半導(dǎo)體晶體中的行為。光子帶隙光子晶體最重要的特性是存在"光子帶隙"，即某些頻率范圍內(nèi)的光無法在晶體中傳播。這類似于電子在半導(dǎo)體中的禁帶。光子帶隙的位置和寬度可通過調(diào)整晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如折射率對比度、周期長度等）來控制。濾波器和反射鏡光子晶體可作為高效的波長選擇性濾波器和反射鏡。一維光子晶體（如多層膜）可實現(xiàn)高反射率的分布式布拉格反射鏡(DBR)，廣泛應(yīng)用于激光諧振腔和光纖通信。二維和三維光子晶體可實現(xiàn)全方位帶隙反射。光波導(dǎo)和腔在光子晶體中引入"缺陷"可創(chuàng)建高性能波導(dǎo)和諧振腔。光子晶體波導(dǎo)能實現(xiàn)低損耗、小彎曲半徑的光傳輸；光子晶體腔則可將光局限在極小空間內(nèi)，增強光與物質(zhì)的相互作用，用于低閾值激光、非線性光學(xué)和量子電動力學(xué)研究。4計算成像傳統(tǒng)光學(xué)成像的局限分辨率受衍射極限約束景深有限，無法同時對多平面對焦成像質(zhì)量受光學(xué)元件物理性能限制難以在特殊條件（如散射介質(zhì)）下成像計算成像的核心理念計算成像結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)與計算算法，通過數(shù)字處理彌補物理光學(xué)的局限。其本質(zhì)是將部分成像任務(wù)從光學(xué)硬件轉(zhuǎn)移到軟件算法，利用計算能力重建或增強圖像信息。計算成像不僅重建可見圖像，還可提取光場中的其他信息，如深度、光譜等。代表性技術(shù)光場相機：捕捉光的方向和位置信息，實現(xiàn)后期對焦單像素相機：利用單一探測