应用光学平面镜棱镜系统教学课件PPT.ppt

2019/4/6,2019/4/6,4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用,第四章 平面镜棱镜系统,光学系统可分为：,共轴球面系统,平面镜棱镜系统,共轴球面系统的缺点：,所有光学元件都排列在同一直线上（共轴）,平面镜棱镜系统的作用：,使光路折叠,2019/4/6,2019/4/6,2019/4/6,平面光学元件：,平面镜、棱镜、平行平板、光楔,作用：,1、改变光轴的方向,2、平移光轴的位置,3、改变像的位置或方向,4、进行分光,5、产生色散,6、校正光学系统,2019/4/6,平面镜棱镜系统的主要作用：,1、将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和减轻 仪器的重量 。,2、改变像的方向- 起倒像作用,3、改变共轴系统中光轴的位置和方向- 即形成潜望高或使光轴转一定的角度。,4、利用平面镜或棱镜的旋转，可连续改变系统 光轴的方向，以扩大观察范围。,2019/4/6,4-2 平面镜的成像性质,平面镜是光学系统中最简单而且也是唯一的能成完善像的光学元件。,完善像：,单心光束经光学系统后仍为单心光束,.,a,.,a,.,a,.,实物成虚像,虚物成实像,a,2019/4/6,平面镜的成像为镜像,镜像：左右颠倒的像,平面镜的成像：,右手系变为左手系,物体经奇数个平面镜则成镜像,经偶数个平面镜则成相似像（一致像）,2019/4/6,对于三维物体成像后仍为三维,透镜的成像：,透镜的轴向放大率恒为正,2019/4/6,单平面镜成像的性质：,1、使整个空间理想成像，物点和像点对平面镜 对称。,2、物和像大小相等，但形状不同，即所谓镜像,镜像、正像、倒像、实像、虚像,2019/4/6,4-3 平面镜的旋转及其应用,一、平面镜的旋转,2,设入射角为i,i,反射角为： i + , = i - ,两反射光线之间的夹角为：,i + = 2 ,2019/4/6,当平面镜旋转 角时，出射光线相对于原出射 光线将旋转2 角，而且旋转的方向与镜的旋转 方向一致。,二、双平面镜的成像特性,2,结论：,2019/4/6,i2,i2,i1,i1,与入射角无关,上式恒成立,证明,2019/4/6,结论：,位于主截面内的光线，不论它的入射方向如何， 出射光线的转角永远等于两平面镜夹角的两倍。,转向为： 与反射面按反射次序由m1转向m2的方向,2019/4/6,注意：, 两反射镜要同时垂直于某一平面，此平面 称为双平面镜的主截面。, 光线经两平面镜各反射一次。,光线旋转的次序。,如果两平面镜同时旋转出射光线的方向不变 但光线要平移。,由于是两次反射，像的坐标系统与原物坐标 相同，即成一致像。,2019/4/6,三、两个特例,1、两平面镜相互平行,此时：,反射光与入射光方向相同,可使成像光束平移一个距离,d,d称为潜望高度,平移的距离与两镜间的距离以及入射角有关。,2019/4/6,2、两平面镜相互垂直（屋脊双反射镜）,互成900的两反射面称为屋脊面,物光束经屋脊双反射镜反射，成像光束转1800 即入射光与反射光方向相反。,屋脊面成像： 无论先经哪个 面成像，最终 像的位置不变 且都是一致像。,如果两面不垂直，不同的反射次序将使最终像的位置不重合。虽然都是一致像。,2019/4/6,平面镜的旋转和双平面镜在实际情况中经常得到应用,使光线转一定的角度，如转900,棱镜的优点：,棱镜两反射面夹角固定,棱镜的反射面可能产生全反射,平面反射镜一般要镀膜,镀银或镀铝,反射率在90%左右,2019/4/6,4-4 棱镜和棱镜的展开,主要讨论反射棱镜,一、反射棱镜的几个概念：,工作面：反射棱镜的折射面和反射面 均称为棱镜的工作面，,反射棱：工作面的交线称为反射棱镜的反射棱,主截面：与各个棱垂直的截面。,光轴：光学系统的光轴位在棱镜中的部分称为反射棱镜的光轴。,2019/4/6,反射棱镜随反射面数及其相互位置关系的不同可分为：简单棱镜，屋脊棱镜和复合棱镜三类。,二、反射棱镜的分类,2019/4/6,1）简单棱镜,简单棱镜的所有工作面都与主截面垂直。,它又可分为：,二次反射棱镜,三次反射棱镜,一次反射棱镜,2019/4/6,2）屋脊棱镜,带有屋脊面的棱镜称为屋脊棱镜,屋脊面的作用是在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，增加一次反射，使系统总的反射次数由奇数变为偶数，从而达到成相似像的目的。,2019/4/6,3）复合棱镜,由两个或两个以上的反射棱镜组合而成的棱镜系统称为复合棱镜。,分光棱镜,普罗i型转向棱镜,2019/4/6,以直角棱镜为例讨论,直角棱镜的外形,当光通过棱镜时，,要经过两次折射和一次反射,棱镜的反射与平面镜的反射是有区别的（可能发生全反射等），但光束在棱镜玻璃内部的平面反射和一般平面镜的成像性质是完全相同的。,棱镜增加了两次折射,三、棱镜的工作特点：,2019/4/6,棱镜增加了两次折射对成像的影响：,如果不考虑方向，两种情况效果一样。,棱镜的展开,光束通过棱镜的折射可用一平板玻璃代替,光路中的棱镜可用一平板玻璃代替,因此在讨论棱镜成像时，只讨论棱镜的折射性质就可以,2019/4/6,以平行玻璃平板的折射代替棱镜折射的方法，称为棱镜的展开。,棱镜展开的具体方法：,在棱镜的主截面内，以反射面和主截面的交线为轴，做出主截面的对称像。如果棱镜有多个反射面，则需按反射的次序，依次做出主截面的对称像。,如图所示：,四、棱镜的展开,2019/4/6,由图可以看出：,棱镜展开后得到的平行平板的厚度d，就是棱镜的光轴长度，也称为棱镜的展开长度。,棱镜的展开长度与棱镜的通光口径有关,2019/4/6,为了使玻璃平板的成像不影响整个系统的成像 特性，必须对棱镜的结构提出一定的要求：,1、棱镜展开后等效玻璃板的两个表面必须平行,2、如果棱镜位在会聚光束中，则光轴必须和棱镜的入射及出射表面相垂直。,不平行则相当于加了光楔，破坏系统的共轴性。,如果光轴不与表面垂直，如图：,2019/4/6,光轴有了平移，使整个系统的共轴性得到破坏。,如果系统成像光束是平行光，该项要求可不用 满足，因为平行光通过平行平板后仍为平行光,2019/4/6,五、几种常见的棱镜：,1. 直角棱镜,通常用它将光轴改变900,在平行光路中工作：,可通过棱镜的旋转将 光轴改变任意角度。,此时棱镜为等腰棱镜即可 （满足第一个条件）,在会聚光路中工作：,此时棱镜为等腰直角棱镜,两个底角要严格的等于450,直角棱镜的展开长度为：,d为通光口径,2019/4/6,2. 五角棱镜,其外形结构图：,主要作用也是将光轴改变900,主截面图形：,五角棱镜两反射面必须镀膜,2019/4/6,五角棱镜的展开图：,五角棱镜的展开长度为：,d为通光口径,2019/4/6,3. 靴形棱镜,主要作用也是将光轴改变900,主截面图形：,这种棱镜的特点是：出射光与出射面不垂直,第一个反射面产生全反射，两棱镜要留有空隙， 第二个反射面要镀膜。,所以加了一个补偿棱镜,2019/4/6,展开图为：,由图可求出展开长度,2019/4/6,4. 立方棱镜,直角棱镜的通光口径较大，但是当采用旋转棱镜改变光轴方向时，此时通光口径就变小了，这样进入光学系统的光能减少，影响成像质量。,如图所示,由几何分析可知：,通光口径仅有原来的1/3,为了在一定通光口径的 条件下，减小棱镜尺寸 两个棱镜同时使用。,2019/4/6,这样就组成了立方棱镜,立方棱镜的一个特点是棱镜尺寸小，通光口径大,立方棱镜的两反射面必须平行，且两反射面必须镀膜。,立方棱镜只能工作在平行光路中,立方棱镜为两套系统，所以不能工作在圆形光束中，如图所示。,2019/4/6,其他常见的棱镜：,道威棱镜：,列曼棱镜：,2019/4/6,普罗i型棱镜,普罗ii型棱镜,2019/4/6,作业：,1、人通过平面镜看到自己全身，问平面镜长度至少要多少？,2、一焦距为1m的薄透镜，在其焦点处有一发光点，在透镜前面放