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第11楼2006/12/05
生理光学是一门研究眼睛和视觉的科学，是生理学和光学相结合的一个边缘分支学科。它所涉及到的学科还有解剖学、生物化学、物理学和心理学。传统的生理光学研究内容包括眼屈光系统的几何光学、视觉系统的亮度感觉、空间和时间分辨特征、色觉及立体视觉等方面。其研究成果广泛用于医学眼科临床，光学工程技术等领域。
光线进入眼，通过眼内媒质折射，到在视网膜上成像的过程称为眼屈光。人们对于眼屈光系统的几何光学特性已经有了较充分的研究，相当精确地测定了角膜、房水、晶状体、玻璃体等透明媒质的光学参量，基于这些参量设计出的各种模型眼或简约眼，如左尔斯特兰模型眼，可以用来计算视网膜像的大小。
眼睛的聚焦能力主要来自角膜，但为了对不同距离的物体聚焦，眼睛经常需要改变其屈光力，这是靠晶状体的两表面，主要是改变前表面的曲率来实现的，这个过程称为调节。
当眼的调节放松时，如果眼轴的长度和屈光系统的屈光力能使眼的后焦点落在视网膜上的话，便为正视眼。若以米作为焦距单位，其倒数称为屈光度，这是表示屈光力的单位。同样在调节放松时，如果屈光系统的后焦点落在视网膜之后的称为远视眼，相反落在视网膜之前的称为近视眼。若包含视轴的各个切面的屈光状态不同，则称为散光。近视、远视和散光统称为屈光不正，一般可用配眼镜的方法加以矫正。
光线在眼内媒质各个折射率改变的界面上反射的结果，产生一系列反射像，称为浦尔金耶像。浦尔金耶像可用来定位眼睛的光轴，求知各折射面的曲率以及研究晶状体的调节过程。
眼内的虹膜像照相机的光圈一样，调节进入眼睛的光量。虹膜中央的小圆孔称为瞳孔。除了光量引起瞳孔大小变化，眼的调焦过程也会影响瞳孔的大小，当视距变近时，瞳孔会稍微缩小。最近的研究表明，对所见物的心理情绪反应，也能引起瞳孔的变化。
由三组眼外肌支配的眼球运动，除了用以改变视线外，还对于正常的视知觉起着重要的作用。眼球运动可以分为共扼运动、分离运动、稳态运动三大类：
共轭运动即双眼同时以相同方式运动，其中又可分为扫视运动和平稳追随运动，前者是从一个注视点移向另一个注视点时的双眼运动，后者则是当眼睛追踪一个运动物体时所发生的运动；
分离运动是指在交替注视较远或较近的物体时，使得两眼视轴的夹角发生相应的变化的运动；
稳态注视过程中的运动，包括震颤、微扫视及慢漂移。如果用某种特殊的光学系统使刺激像“稳定”在视网膜上完全不动时，则在几秒钟内，刺激像的轮廓和颜色便会消褪，所以这些微小的眼运动对于视知觉是至关紧要的。
光一旦落在视网膜上，便开始了视觉过程的新的一步。人眼的视网膜上有两种光感受器：视杆细胞和视锥细胞。在较暗的环境亮度下主要是杆细胞的活动，称暗视觉；在明亮的环境中则主要是视锥细胞的活动，称明视觉；在中等亮度范围，两种感光细胞均参与视觉称间视觉。这就是视觉的二元说。
当从亮处突然进入暗处时，视觉系统对光的敏感度是随时间逐渐升高的，这个过程称为暗适应。与暗适应相反的过程称为明适应。明适应的进程要快得多，通常在几秒内敏感度就逐渐恒定。光感受器对光的敏感性还与光线的入射方向有关。正入射时敏感性最高，随入射角增加迅速下降。这种方向敏感性叫斯泰耳斯-克劳福德效应。目前认为，视觉细胞内部的折射率比其周围稍高，因此它具有与光学纤维相似的光学性质，这种现象可用光波导理论加以解释。
视觉系统的空间分辨能力常用视敏度来表示，其定义为眼能够分辨的最小细节所对应的视角(以分为单位)的倒数。一般用兰多尔特环或斯内勒字符来检查人眼的视敏度。正常人眼的视敏度约对应视角1'～30"。从生理解剖角度，视敏度可以解释为是由视锥细胞在视网膜上的镶嵌排列的精细程度所决定；而从光学角度，则可以认为是受到眼光学系统的衍射极限的限制。研究结果表明两者都与以上实际值相符。
物体的颜色固然取决于照明光的光谱组分、材料对光的反射、透射或吸收特性，但对眼睛而言，它是一种感觉，即色觉。对于人眼主观感觉到的颜色，可以用色调、饱和度和亮度这三个基本属性来描述。色调就是颜色的名称，如红、绿、蓝、黄等等；饱和度是指一种颜色的有色和无色组分的相对量，即通常所指的颜色的深浅；亮度是指颜色的无色组分在灰度等级(介于黑白之间)上的相对位置，用来表示颜色是明亮的还是阴暗的。
色觉理论一直试图阐明眼睛是怎样利用光的能量来建立起一个彩色世界的。杨-亥姆霍兹的三色理论认为，视网膜中有三种光谱敏感峰分别在红、绿、蓝区域的感光细胞，这三种细胞发出信号，经过神经系统的分析处理，引起不同的颜色感觉。颜色的三变量性是这一理论的有力佐证，而近年来对于脊椎动物(包括人)视网膜的单个视锥细胞的吸收特性的研究，表明在感受细胞中确实存在三种光敏色素，也为这个理论提供了一定的生理基础。
赫林的拮抗色理论则认为颜色中有三对单一的感觉反应：红-绿、黄-蓝、黑-白。红-绿或黄-蓝对组合中，没有一种颜色能与补色在同一感受器中同时活动，但是黑-白对能发送组合信号，产生各种中间色调的灰色。这个理论与许多色觉经验相符合，特别对于负后像的解释简单而令人信服。
这两种色觉理论在历史上有过长期争论，现在可以这样认为：色觉过程至少是一个二级过程，在感受器那一级与杨-亥姆霍兹学说一致，而在视神经那一级又与赫林学说一致。
在色觉的心理学方面，颜色恒常性是一个最值得注意的现象。颜色的恒常性是指不管照明光的光谱组分如何变化，人们通常能像在白光下一样来分辨物体的颜色。对此目前还没有完满的解释。
立体视觉就是视觉系统对三维空间的知觉，也就是辨别物体的距离、物体间的前后位置、方向等的能力。在只有单眼信息的情况下，就视觉系统本身而言，造成立体视觉的线索主要是调节及单眼运动视差。调节是为了使观视的物体在视网膜上清晰地成像，因此必然带来关于物体距离的信息。
单眼运动视差主要是由观察者移动身体以使空间物体的相对位置发生变化，从而产生对物体间前后位置的判断。因为靠视网膜只能得到外部世界的二维图像，双眼视觉才是立体视觉的主要基础。
双眼视差信息是深度知觉最重要的线索，在一定范围内主观的深度知觉随视差量的增大而增强。由于几何的原因，视差随物体所处距离的增大而下降，因此对于远距离物体不可能有精确的深度知觉。
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第12楼2006/12/05
电子光学是研究电子在电磁场中运动和电子束在电磁场中聚焦、成像、偏转等规律的学科。
1926年H.布许发表关于磁聚焦的论文，30年代W.格拉叟和O.谢尔赤发表关于旋转对称系统电子光学的理论，这些奠定了电子光学的理论基础。从此，电子光学开始形成为一门独立的学科。
电子光学同普通光学有许多相似之处。例如凸透镜可使一束平行光线聚焦到一个点上；而某些轴对称的电磁场（称为电子透镜）也可以使平行的电子束聚集到一点。在电子光学器件和仪器中，除采用电子透镜外，还常应用垂直于电子束运动方向的电场和磁场使电子束偏转。为了分析、研究或设计电子光学系统，必须精确地求解电磁场并计算出电子轨迹 ，通常采用电子计算机求解。在电子光学器件和仪器中，若电子束被限制在离轴很近的范围内，电子轨迹与轴的交角很小（即满足傍轴条件）时，电子透镜所成的像是理想像或称高斯像。实际轨迹不可能完全满足傍轴条件，因此实际形成的像总是和理想高斯像有一定的差别。这种差别称为几何像差，它同普通光学中的像差十分相似。几何像差的大小决定成像品质的优劣。几何像差大小及其克服办法也是电子光学学科研究内容之一。广义的电子光学还包括离子光学。电子光学是设计电子束管和电子离子仪器的理论基础。
电子光学已渗入到无线电电子学、电子显微学、质谱学、电子能谱学、表面物理、材料科学、高能物理等领域中，凡是涉及到产生、控制和利用带电粒子束的问题，都需要运用电子光学成果。
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第13楼2006/12/05
集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。它要解决的实质问题，是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化。
因为光波波长比波长最短的无线电波还要短四个数量级，因而它具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统问题的一种途径。这样的器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。
集成光学出现于1969年前后，在它的产生和发展过程中，贝尔实验室的一批科学家起了重要作用，目前已从基础和开发研究进入了工程应用阶段。
集成光学的理论问题，主要是媒质波导理论，它有助于人们深入了解波导中光学现象的物理本质，并用于光波导、器件和光学回路的研究设计。人们常常把波导中光学现象(如传播、耦合、调制等等)的研究，称为导波光学。
媒质波导理论已从不同角度建立起来。首先，是建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论；其次，从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理论。把波导中的光波看成是在薄膜的上下两个界面来回反射的光线，而且走的是一条锯齿形路程。
从锯齿波模型出发，可以比较简单和直观地推导模方程，讨论媒质波导理论的基本概念，处理棱镜、光栅耦合器、表面散射等许多问题。另外还从量子力学角度，建立了势阱模型的波导理论。
集成光学所用的媒质材料，要具有一定的折射率，一般是比衬底折射率高；做成光波导以后，传输损耗要求小于每厘米一分贝；媒质材料应具有多种功能，工艺上便于成膜和器件制作与集成；在外界各种工作环境下具有长期稳定工作的性能，已探索过的材料有玻璃、半导体、有机材料以及铁电体等。
集成光学元器件的工艺技术主要涉及成膜与光路微加工。通常采用外延、质子轰击、离子注入、固态扩散、离子交换、高频溅射、真空蒸发、等离子聚合等作为成膜工艺；采用光刻、电子束曝光、全息曝光、同步辐射、光锁定、化学刻蚀、溅射刻蚀(离子铣)、反应离子刻蚀作为光路微加工技术。另外，高速脉冲技术，则是测试及在应用中不可缺少的手段。
现在已经做出了很多对应于大块光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模-数转换器、傅里叶变换器、频谱分析器、卷积、存储器等。在光波导中，观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。
现在一些元件的集成也已经实现，例如在同一衬底上，三种典型元件(激光器、波导、探测器)的集成，六个分布反馈激光器的集成，三个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。
集成光路不—定需要在一个衬底上集成所有光学元件，很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成(单功能集成)。已经出现光学元件和电学元件之间的集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在—起的集成。
集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
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第14楼2006/12/05
空间光学是在高层大气和大气外层空间，利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的一个应用学科分支。
具体来说，对地球观测，主要是利用仪器通过可见光和红外大气窗口探测并记录云层、大气、陆地和海洋的一些物理特征，从而研究它们的状况和变化规律。在民用上解决资源勘查(包括矿藏、农业、林业和渔业等)、气象、地理、测绘、地质的科学问题；在军事上为侦察、空间防御等服务。
对空间(天体)观测和研究，主要是利用不同波段及不同类型的光学设备，接收来自天体的可见光、红外线、紫外线和软 X射线，探测它们的存在，测定它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化规律。例如，对太阳观测主要是研究太阳的结构、动力学过程、化学成分及太阳活动的长期变化和快速变化；对太阳系内的行星、彗星以及对银河系的恒星等天体的紫外线谱、反照率和散射的观测，确定它们的大气组成，从而建立其大气模型。
从空间对地球和对天体进行观测时，摆脱了在地面进行观测时大气带来的种种限制，是科学上的一大进步。众所周知，地球周围存在着稠密的大气层，恰恰是这层大气，多年来限制着人们从地面和低空间对天空的观测和研究。
太阳是强大的辐射体，它的辐射度最大值处于波长为0.47微米处，而辐射能的46%在0.4～0.7微米可见光谱段。当太阳光经过大气层时，由于大气的种种作用，使它的能量衰减，投射到地面的太阳光的短波部分被截止在0.3微米处，X射线和 γ射线就更难到达地面，在红外波段上，波长越长吸收越强。同时，即使在大气窗口可见光3000～7000埃和近红外几个波段的太阳光也还要受到大气的折射和湍流的影响，致使光学仪器的空间分辨率大大下降。
在空间对空观测和研究超越了大气层这个屏障，实现了可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线全电磁波段探测，提高了测量精度。例如，据估计美空间望远镜只有2.4米的口径，其分辨率比地面五米口径的海尔望远镜高十倍；此外，还可进行全天时的巡天观测。
空间光学的历史如果从20世纪40年代发射探空火箭和发送气球算起，至今才不过五六十多年，然而它的发展是十分引人注目的。
1946年利用V-2火箭发射摄谱仪探测了来自空间的紫外线；1957年苏联发射了第一颗人造卫星。人造卫星的发射标志着空间时代的到来。自此，空间光学开始了蓬勃发展的时期。
60年代以后，美国相继发射持续对整个太阳观测的轨道太阳观测台(OSO)系列，苏联发射了一系列天文卫星，欧洲空间局也发射了特德-1A(TD-1A)卫星。不过它们所带有的光学设备大都工作在紫外和 X射线波段。从60年代中期到70年代初，美国共发射了3个轨道天文台(OAO)，其中OAO-3上装有一架口径91厘米的卡塞格伦式紫外望远镜，工作波段为1000～4000埃，空间分辨率为5角秒。1973年美国发射了载人天空实验室，上面的阿波罗望远镜装置是一组观测太阳的光学设备，它的发射使从空间对太阳的观测发展到一个新的阶段。
美国1978年发射的第二颗高能天文台(HEAO)，它装有一架大型掠射 X射线望远镜，口径为0.6米，焦距为3.4米，分辨率为1～2角秒。还有四种可更换的探测器：高分辨率成像器、晶体分光计、成像正比计数器、固体分光计。1983年1月26日世界上第一颗红外天文卫星发射成功，这颗卫星是由荷兰、美国和英国联合研制的，它装有一架口径为60厘米的红外望远镜，其灵敏度比至今所使用的同类仪器高得多。
总的看来，至今在红外波段使用的空间光学系统主要是红外望远镜。如上述第一颗红外天文卫星装的红外望远镜，它采用的是一个相当紧凑的双反射镜式的卡塞格伦光学系统，反射镜及支架采用重量轻、强度高的铍合金制造。主镜口径为60厘米，焦比为f/10，次镜由主镜的遮光板的环支撑，探测器为焦平面组件。
整个系统(包括遮光罩、防反射板及内部热屏)都置于一个致冷的真空系统中。冷却系统对不同的部件采用不同冷却温度，对探测器和它的前置放大器、场镜及滤光片致冷到3K，对光学系统致冷到10K，对遮光板冷到16K。据称，其灵敏度比至今所使用的同类仪器高100倍。
在紫外波段使用的空间观测设备主要有太阳远紫外掠射望远镜、远紫外太阳单色光照相仪，远紫外分光计——太阳单色光分光计、紫外线谱仪、紫外宽带光度计等。它们所用的探测器与可见光观测仪器类似，有照相乳胶、光电倍增管和像增强器。还可以使用气态电离室和正比计数器。
在 X射线波段上使用的仪器主要有各种 X射线望远镜、太阳 X射线分光计、太阳 X射线单色光照相仪，以及各种类型的 X射线探制器等。
美国天空实验室上装的S-056X射线望远镜，全长为253.7厘米，直径为40.3厘米，重量为104.3千克，主望远镜结构由两维波管构成。前管安装石英掠入射x射线反射镜组件，后管安装照相机机构和胶片暗盒。光学系统按 X射线掠入射的全反射原理设计，由一个凹面掠入射抛物面和后面紧接着一个凹面双曲面所纽成。焦距为190.3厘米，集光面积为14.8千方厘米，掠入射角为0.916度。在两反射镜相交处的反射镜内径为24.4厘米，有效视场为38角分，有效焦比为f/44。该望远镜工作波段在6埃以上所有 X射线波长范围内，具有很高的灵敏度和空间、时间分辨率。
空间光学系统的发展在于追求必要的精度和光谱、时间、空间分辨率，这与新技术、新器件以及信息传输与处理技术密切相关。今后发展的趋势是发展多元线阵CCD成像器件和大型二维阵列焦平面探测器的自描大型成像系统、发展数据控制技术、改善星上和地面的数据处理，缩短处理时间和降低成本；使用 X射线天文物理设备扩大高能天文观测能力；利用太阳地球观测台更详细地研究太阳-地球环境。
