201005_第一章1-5_1.ppt

1 5典型的组合系统及其功能 按系统的变换功能划分 光学系统分类 望远系统 显微放大系统 照相和投影系统 无焦系统 0 定焦系统 常量 0 变焦系统 为变量 按光焦度 划分 1 5 1无焦系统 定义 等效 0 焦距无限大的光学系统 平面反射镜系统 平行平板系统 反射棱镜系统 望远镜 扩束 缩束 系统 空间滤波系统 4f系统 常见的无焦系统 最简单 双子系统 焦点重合 光学间隔 0 1 5 1无焦系统 1 平面反射镜系统 天然的理想成像系统 物像关系 a 物像大小相等并改变像的方向 使倒像变成正像b 物像共轭点与镜面是对称分布的c 物像空间坐标变换 右手系变成左手系 改变了共轴系统的光轴方向镜像 当迎着光线看时 若物平面沿顺时针方向旋转 则像平面沿逆时针方向旋转 逆时针 顺时针 1 5 1无焦系统 1 平面反射镜 d 当入射光线方向不变时 平面镜转 角 则反射光线将转动2 角 转动方向与平面镜转动方向相同 2 平面镜系统 1 5 1无焦系统 a 双平面反射镜系统 1 5 1无焦系统 b 推论 无论入射光线方向如何 出射光线方向转角为2 入射方向不变 转动系统时 则出射方向不变 但光线位置可能发生平移 两平面镜相对转动 则出射光线方向改变2 c 光线束方位 奇数个平面镜系统 像空间由右手系转成左手系 偶数个平面镜系统 物像空间坐标系方位相同 2 平面镜系统 3 平行平板系统 1 5 1无焦系统 I1 由两个相互平行的折射平面构成的光学元件 特点a 平行平板是个无光焦度的光学元件 在光学系统对总光焦度无贡献b 出射光线与入射光线不重合 轴向位移 随着入射角I1的不同而不同故无法进行宽光束成像 只能考虑细光束成像 3 平行平板系统 1 5 1无焦系统 2 反射棱镜系统 1 5 1无焦系统 反射棱镜 两个折射面和若干个反射面 统称为工作面 两个工作面之交线称为棱 与棱相垂直的截面称为主截面 反射棱镜的分类难易程度分 简单棱镜 只有一个主截面一次反射棱镜 等腰直角棱镜 二次反射棱镜三次反射棱镜复合棱镜 棱镜的组合阿贝棱镜等 两个以上等腰直角棱镜组成 功能 完成预定的转折光路特点 可利用全反射 结构稳定 1 反射棱镜系统的类型 注 光线在棱镜反射面上的入射角大于临界角时 在反射面发生全反射 不镀膜 2 简单棱镜 一次反射棱镜 1 5 1无焦系统 直角反射棱镜等效成平行平板的折射作用 直角反射棱镜展开图 一会聚光束 经直角反射棱镜D 入射光口径 转折90 可等效成通过厚度d 光轴长度或等效厚度 的平行平板 平行平板可将光束会聚点平移 五角棱镜的展开 1 5 1无焦系统 五角棱镜展开图 3 简单棱镜 二次反射棱镜 4 各种反射棱镜的等效光路 1 5 1无焦系统 5 棱镜系统 反射棱镜的重要用途之一是用来倒像 所谓倒像 是使像面相对于物转过了180 即上 下和左右同时倒转 能达到此目的方法有两个 棱镜系统屋脊棱镜 1 5 1无焦系统 两个互相垂直的反射面称为屋脊面 6 屋脊棱镜 1 5 1无焦系统 直角棱镜 屋脊棱镜 屋脊面的作用 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成偶数 从而达到物像相似的要求 x y z x y z x y z x y z 6 屋脊棱镜 1 5 1无焦系统 反射直角棱镜与直角屋脊棱镜工作原理 6 屋脊棱镜 1 5 1无焦系统 y x z o o 1 y o z x o y A 1 B 1 C 1 D 1 A2 B 2 C 2 D 2 o 2 o y 1 5 1无焦系统 7 反射棱镜对光束方位的变换a 具有单一主截面的棱镜系统或单光轴面棱镜系统 组 确定光束方位 ox与光轴重合 为光行进方向xoy为主截面oz垂直于主截面 与反射面平行方位变换规则 像空间坐标 与光轴重合 同出射方向一致与oz同向方向 当奇数个反射面时 成左手系 当偶数个反射面时 右手系b 具有多个主截面的棱镜系统 依上述原则多次变换 8 Dove棱镜成像特性 1 5 1无焦系统 L D Dove棱镜 由直角棱镜去掉多余的直角部分 特点 a 入射面和出射面与光轴都不垂直b 出射光轴与入射光轴方向不变c 仅适用于平行光束d 道威棱镜 绕光轴旋转 角 其对应的反射像同方向2 旋转角 z o x y z o x y z o x y z y o x 8 Dove棱镜成像特性 1 5 1无焦系统 1 5 1无焦系统 周视瞄准仪 x y z z x y x z y x y z x z y 透镜转像系统 屋脊棱镜 Dove棱镜 z x x z y x y z x z y x z y y Dove棱镜旋转90度 直角棱镜旋转180度 1 5 1无焦系统 3 双子无焦系统的基本公式 1 5 1无焦系统 4 望远系统 用于观测远景事物的无焦系统通常 子系统1称为物镜子系统2称为目镜物镜和目镜之间距称为筒长根据目镜光焦度的性质 的望远系统 开普勒 Kepler 望远镜的望远系统 伽利略 Galileo 望远镜 目视光学系统的重要光学参量 视觉放大率 远处物体经系统所成的像对眼睛的张角 的正切与该物体直接对眼睛张角 的正切之比望远系统的视觉放大率等于望远系统的角放大率 但是概念不一样 1 5 1无焦系统 4 望远系统 1 5 1无焦系统 4 望远系统 1 开普勒望远镜 2 0 1 5 1无焦系统 4 望远系统 2 伽里略望远镜 2 0 1 5 1无焦系统 5 准直扩 缩 束系统 用于扩展或压缩平行光束的无焦系统扩束比 出射与入射光束的直径比扩束 倒置的望远镜缩束 等同于一个望远镜 1 5 1无焦系统 6 4f图像处理系统 用于空间滤波和图像处理系统有实像输出 频谱面 1 5 2定焦系统 定义 光焦度有一有限值的系统 放大系统 显微系统 摄影系统 常见的定焦系统 投影和照明系统 1 5 2定焦系统 1 放大镜 仅供眼睛观察位于有限距离物体放大像的光学系统基本参量 视觉放大率 物空间线视场2y 出瞳直径D 1 视觉放大率 出射光瞳 1 5 2定焦系统 通光孔直径 D 2h 眼瞳直径 D 2h 2 光束限制与视场 无渐晕 50 渐晕 100 渐晕 放大镜直径越大 眼睛越靠近放大镜 可见的视场就越大 视觉放大率越大 视场反而越小 渐晕光阑 出射光瞳 渐晕现象 由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕 入瞳 入窗 则A1以内的区域每点均以充满入瞳的全部光束成像 A1A2区域内每一点已不能用充满入瞳的全部光束成像 有一部分光线被入窗阻挡 A2A3区域内每点光线被入窗阻挡的更多 A3点以外的区域每点光线不能进入入瞳 不能成像 1 5 2定焦系统 2 显微镜 功能 放大物体 可观测到用放大镜无法看清的更为微小的物体 显微镜的构成 由双子系统构成 前者称为显微物镜 后者称为显微目镜 显微镜系统的等效焦距 其中 称为显微镜的光学筒长 显微镜系统的工作原理图 1 5 2定焦系统 1 视觉放大率 2 显微镜 与放大镜相同 1 5 2定焦系统 2 显微镜 2 线视场 取决于放在目镜前焦面上的视场光阑