工程光学2008第二章平面光学系统.ppt

2019/5/26,1,第二章 平面光学系统,2019/5/26,2,一、物像的坐标关系,P,Q,z,y,x,y,z,x,O,中指代表X轴,O,食指代表Z轴,大拇指代表Y轴,2-1 平面镜的成像性质,2019/5/26,3,物像坐标系：坐标关系符合左手的称为左手系 ； 坐标关系符合右手的称为右手系。,物像关系分类： 镜像：物为左（右）手系，像为右（左）手系. 其中：上下方向不变的称为正镜像。上下变化的为倒镜像。,物像关系 一致像：物为左（右）手系，像为左（右）手系。 其中，物像坐标方向完成相同的称为完全一致像。除光轴外，其它两个坐标反向的称为倒的一致像。,2019/5/26,4,A,P,O,Q,B,A,二 平面镜的成像性质,实物成虚像,2019/5/26,5,A,P,Q,A,虚物成实像,2019/5/26,6,（一）单平面镜的成像特性,成完善像。即：若入射光束为单心光束，出射光束也为单心光束，一物点成唯一像点；,实物成虚像，虚物成实像。虚实相反。,凡一次镜面反射或奇次 镜面反射像被称为镜像； 偶次反射成一致像。,物和像大小相等，正立，对称，反像。,镜像,2019/5/26,7,P,Q,P,Q,O,A,N,N,A,A“,2,AOA”=2POP,（二）平面镜的旋转效应,1.单平面镜的旋转效应,2019/5/26,8,2.双平面镜 的旋转效应,对于夹角为的双平面镜系统： =0 时，像有无数个，分布如右； = 时，单平面镜，像有一个 ；为任意角时成像若干个。,2019/5/26,9,O,2,O1,q,q,b,P,P,P,A,M,N,I,1,I,1,I,2,I,2,90,=2,双平面镜的,2原则,2019/5/26,10,P1，P2为两个平面镜。假设两者间的夹角为，入射光线AO1经两个平面镜反射后，沿着O2B的方向射出，延长AO1和O2B相交于一点M，设入射和出射光线间的夹角为，由O1O2M根据外角等于不相邻的两个内角之和的关系 两平面镜的法线相交于一点N，由O1O2N得 将以上关系代入上面的公式，得到 以上关系和I角的大小无关。,2019/5/26,11,双平面镜具有以下成像性质：,二次反射像与原物坐标系相同，成一致像。 位于主截面（两平面镜的公共垂直面）内的光线，不论入射光线方向如何，出射光线的转角永远等于两平面镜夹角的两倍。,2019/5/26,12,三、平面镜的应用,由于转角 很小，此装置的位移量放大倍数为：,1. 成像作用,2.光放大作用-光学杠杆,2019/5/26,13,五角棱镜两反射面的夹角一定则出射光线稳定,3. 转折光轴:使光轴转到某一特定角以及缩小仪器的体积。,出射光线不稳定,2019/5/26,14,2-2 平行平板的成像,由两个相互平行的折射平面构成的光学元件称为平行平面板。 常见的如：标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光镜、保护玻璃等等,2019/5/26,15,一、平行平面板的成像特性,应用折射定律 平板的两面是平行的,2019/5/26,16,图,所以：,=,（2-5）,，,，,（2-6）,表明，平行平板不会使物体放大或缩小，对光束既不发散也不会聚，表明它是一个无焦元件，在光学系统中对光焦度无贡献。同时还表明，物体经平板成正立像，物像始终位于平板的同侧，且虚实相反。,2019/5/26,17,结论,平行平面板的出射光线BS 和入射光线SA是平行，即不改变光线方向。,平行平板不会使物体放大或缩小，对光束既不发散也不会聚，表明它是一个无焦元件，在光学系统中对光焦度无贡献。,物体经平板成正立像，物像始终位于平板的同侧，且虚实相反。,2019/5/26,18,二、光线在光轴方向上有一轴向位移L大小：,设入射光线为同心光束并会聚于E点（为虚物点）,2019/5/26,19,公式表明：L因不同的I1值不同而不同。 即从具有不同入射角的各条光线经平行平面板折射后，具有不同的轴向位移量。 结论：同心光束经平行平面板后变为非同心光束，成像是不完善的。 平行平面板的厚度d 愈大，成像不完善程度也愈大。,2019/5/26,20,如入射光束孔径很小，即为近轴光束成像，则因I1角很小， 因此，物点以近轴光经平行平面板成像是完善的。,2019/5/26,21,三、侧向位移Z大小： 平行平面板的厚度为d，由ABD和ABC得,2019/5/26,22,光线移动的距离随入射角的不同而不同 同样也随平板的厚度不同而变化,2019/5/26,23,如果是在近轴区，上式可以写为 如果d、n是常数，因此 z 和 i1 成正比。 平行平面板的这一性质使它在测微机构的读数系统中得到应用。,2019/5/26,24,四、平行平板的应用,1.如分划板、显微镜载物台上的载波片和盖玻片、滤光片和滤色片、补偿平板及保护玻璃片等。,2019/5/26,25,四、平行平板的应用,2.平行平面板在测微机构的读数系统中得到应用-平板测微器,通过分划板的刻线与AA“重合，可测小角。,2019/5/26,26,2-4 反射棱镜,2019/5/26,27,一、基本概念,B,A,C,棱镜的光轴：光学系统的光轴在棱镜中的部分。,ABC-棱镜光轴,光轴长度：棱镜光轴的几何长度；,AB+BC=L 棱镜光轴 长度,定义：把多个反射面集成在同一块光学材料上的光学元件。,主截面：由棱镜光轴决定的截面,工作面 入射面、出射面、反射面,棱：工作面的交线,2019/5/26,28,一、基本概念,光轴,光轴截面,工作面 棱 主截面,2019/5/26,29,二、常见反射棱镜分类（一）,一次反射 棱镜,二次反射 棱镜,三次反射 棱镜,棱镜组合,主要利用全反射原理。不满足临界角的反射面要镀反射膜。,2019/5/26,30,二、常见反射棱镜分类（二）,等腰直角棱镜，相当于一个平面镜。 一次反射成镜像，光轴转 90 度,（1） 一次反射棱镜 成镜像,（2） 二次反射棱镜 - 相当于双平面镜系统。,光轴转90度,光轴转180度,光轴转60度,光轴转45度,光轴平移,2019/5/26,31,二、常见反射棱镜分类（二）,（3）三次反射棱镜 - 施密特棱镜,成镜像，光轴转45度，大大缩小筒长，结构紧凑,2019/5/26,32,作用：是使与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向，相当于增加一次反射。对奇次反射的反射棱镜，为避免镜像，可加一个屋脊。,（4）屋脊棱镜,屋脊：屋脊就是将一个反射面用两个互成直角的反射面来代替，其交线平行于原反射面，且在主截面上。,二、常见反射棱镜分类（二）,2019/5/26,33,这种两个互相垂直的反射面称为屋脊面， 而带有屋脊面的棱镜称为屋脊棱镜。,直角棱镜,屋脊棱镜,2019/5/26,34,直角棱镜反射,屋脊棱镜反射,2019/5/26,35,z,y,x,2019/5/26,36,屋脊棱镜的平面表示方法,2019/5/26,37,普通棱镜和复合棱镜。 普通棱镜：只包含一个主截面的棱镜。 含有两个或两个以上主截面的棱镜称为复合棱镜,三 、确定平面反射棱镜系统成像方向的方法,（1）光轴z轴：经平面镜与棱镜系统反射后，其光轴出射方向即是z的方向。 （2） 与主截面垂直的x轴：其反射后的方向由屋脊面的个数而定：当没有屋脊面或屋脊面为偶数时， x方向与x方向相同；当屋脊面为奇数时， x 方向与x方向相反。 （3）位于主截面y轴：根据总反射次数而定:若总反射次数为奇数成镜像；若总反射次数为偶数，成一致像；,普通棱镜成像方向的规则如下,2019/5/26,38,（一）一次反射棱镜,直角棱镜：1.使光线折转90 2.入射面、出射面与光轴垂直。,y,z,z ,x,y,x,2019/5/26,39,道威棱镜,2019/5/26,40,道威棱镜：1.入射面、出射面与光轴不垂直。,2. 道威棱镜90旋转后，像旋转180。 即道威棱镜绕轴旋转角，其对应的反射像同方向2旋转角。,2019/5/26,41,（二）二次反射棱镜,（a）等腰直角棱镜,z,y,x,2019/5/26,42,(b)五角棱镜,x ,z ,y,2019/5/26,43,(c)半五角棱镜,z ,y,x ,2019/5/26,44,（d）斜方棱镜,z ,y,x ,2019/5/26,45,以上几种棱镜两反射面之间的夹角有为：22.5、30 、45 、90 和180 。 也使光线折转45 、60 、90 、190 和360 。,其中：五角棱镜和直角棱镜多用于显微镜观察系统，使光线折转，便于观察。,斜方棱镜使光轴平移，多用于双目镜仪器中，调节目距。,2019/5/26,46,（三）三次反射棱镜,斯密特棱镜,其特点是：光路在棱镜中的光路很长，可以折叠光路，使仪器紧凑。 入射光线与出射光线之间的夹角为45,z ,x ,y,2019/5/26,47,反射棱镜的作用之一 潜望镜光路图 1旋转直角棱镜 2物镜 3场镜 4透镜转像 5道威棱镜 6直角棱镜 7分划板 8目镜,2019/5/26,48,必须指出：,反射棱镜主要利用全反射原理反射光线 并不是所有反射棱镜的反射面都满足全反射条件 凡遇到这种反射面，都必须镀上反射膜,2019/5/26,49,由两个以上的棱镜组合起来形成，可以实现一些特殊或者单个棱镜难以实现的功能。,再来看看复合棱镜,这种复合棱镜的用途也是倒像作用。,2019/5/26,50,(a)阿贝棱镜,z ,x ,y,2019/5/26,51,（b）别汉棱镜,z ,x ,y,2019/5/26,52,（c）分光棱镜,2019/5/26,53,（d）分色棱镜,2019/5/26,54,（e）转像棱镜,y,x,y,x,y,x,z,y,z,z,z,x,2019/5/26,55,（f）双像棱镜,45,45,45,45,A,A,A,2019/5/26,56,四、棱镜的等效作用与展开,1.等效作用 反射棱镜有两个折射面和若干反射面，若不考虑反射面，光线在两个折射面之间的行为等效于一个平行平板,2019/5/26,57,平行光经透镜成像于焦点F上,F,F,平行光经透镜成像时加一平面镜,2019/5/26,58,把平面镜换成直角棱镜,A,2019/5/26,59,对于这种光路的等效光路,A,A,2019/5/26,60,把经过反射棱镜转折的光轴“拉直”。方法是沿着它的反射顺序，依次做出反射棱镜经该反射面的像，称这种把经棱镜反射的光轴拉直的方法为“反射棱镜的展开”,2.反射棱镜的展开,反射棱镜展开后，它在光线传播中的作用相当于一块平行平板,2019/5/26,61,(1)展开方法 利用棱镜反射面的性质，将转折的光路拉直。,即：按入射光线的顺序，以反射面为镜面，求其对称像，并依次画出反射棱镜的展开图。,2019/5/26,62,(2) 具体示例,2019/5/26,63,2019/5/26,64,3.为了使棱镜和共轴球面系统组合后，仍能保持共轴球面系统的特性，必须对棱镜的结构提出一定的要求：,a棱镜展开后玻璃板的两个表面必须平行。,b如果棱镜位于会聚光束中，则光轴必须和棱镜的入射及出射表面相垂直。,2019/5/26,65,五、平面反射棱镜在光学系统中的作用,改变共轴系统的光轴方向（减少体积和减轻重量）-转折光轴 改变像的方向 -转像 实现分光、合像和微位移-分像、合像。,BACK,2019/5/26,66,（a）分光棱镜,2019/5/26,67,（b）分色棱镜,2019/5/26,68,（c）双像棱镜,45,45,45,45,A,A,A,2019/5/26,69,2-4 折射棱镜和光楔,一、基本概念： 折射棱镜 把两个不同轴的折射平面做在同一块光学材料的光学元件,折射棱 入射面与出射面的交线 主截面垂直于棱的截面 折射顶角 两个折射面之间的夹角 折射底面与折射顶角相对的平面,2019/5/26,70,二、折射棱镜的特性,光线经过折射棱镜后向底面偏折,1. 偏向性,2. 色散性,2019/5/26,71,对于不同波长的光线，光学材料具有不同的折射率，即 ，当小时折射率大。自然光通过三棱镜将得到由红到紫排列的光谱。,2019/5/26,72,三、偏向角的计算,即：对于给定棱镜， n, 一定，仅随 I1变，是 I1的函数。,1.偏向角