应用光学(第三章)

3.1平面反射镜,3.2反射棱镜和棱镜的展开,3.3平行平板,3.4折射棱镜与光楔,第三章平面镜棱镜系统,平面镜成像,表演：擦玻璃镜,平面镜所成的像和物是以镜面为对称轴的轴对称图形。,平面镜棱镜在光学仪器中的作用,利用透镜可以组成各种共轴球面系统，以满足不同的成像要求，例如望远镜，远摄型物镜和反远摄物镜，但是，共轴球面系统的特点是所有透镜表面的球心必须排列在同一条直线上，这往往不能满足很多实际的需要。例如用正光焦度的物镜和目镜组成的简单望远镜所成的像是倒的，观察起来就很不方便，为了获得正像，必须加入一个倒像透镜组，这种系统如图所示。,这种系统就是原始的军用观察望远镜的光学系统，其体积、重量都比较大，不能满足军用观察望远镜的要求，故早已被淘汰了。目前使用的军用观察望远镜，由于在系统中使用了棱镜，如图(b)所示，所以它不需要加入倒像透镜组即可获得正像，同时又可大大地缩小仪器的体积和重量。,此外，在很多仪器中，根据实际使用的要求，往往需要改变共轴系统光轴的位置和方向。例如在迫击炮瞄准镜中，为了观察方便，需要使光轴倾斜一定的角度，如图所示：,平面镜棱镜系统主要作用有：(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使用；(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。(5)利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率(6)实现分光、合像和微位移,一、单平面镜的成像特性,A,P,O,Q,B,A,实物成虚像,3.1平面反射镜,A,P,Q,A,虚物成实像,具有折转光路的作用，是唯一能成完善像的光学元件,P,Q,x,y,z,y,x,z,采用右手坐标法则,O,O,如果物体为右手坐标系，其像却是左手坐标系，这种的像，叫做“镜像”或“非一致像”。如果物体为右手坐标系，而像仍为右手坐标系，则这样的像称为“一致像”。,奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。,=1,物像虚实相反,具有对称性。,P,Q,P,Q,O,A,N,N,A,A,2,AOA”=2POP,当入射光线方向不变而使平面镜转动角时，反射光线的方向改变了2角。,平面镜旋转具有角放大作用,平面镜旋转特性的应用：测量微小角度或位移,h,在光点式灵敏电流计中，在红外系统的光机扫描元件及光较仪等其它光学仪器中，都应用了平面反射镜的旋转特性。,平面镜的平移效应,Q,P,A,A,B,A”,h,2h,AA=2h,综上所述，单个平面镜的成像特性可归纳为：,=1,物像虚实相反,具有对称性，故不影响光学系统放大率和成像清晰度。,具有折转光路的作用，是唯一能成完善像的光学元件,奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。,平面镜旋转和平移具有“光放大”作用,一致像,二、双平面镜的成像特性,P,P,P1,O1,A,2,O2,q,A,A,1,(A,2,),A2可看作PA绕P点转动2角，旋转方向是反射面按反射次序由P1转向P2方向,APA2=2,O,2,O1,q,q,b,P,P,P,A,M,N,I,1,I,1,I,2,I,2,90,=2,角与I角的大小无关，只取决于两平面镜夹角的大小当双平面镜绕P点转动时，只要保持角和入射光线方向不变，出射光线方向始终不会改变。,五角棱镜,应用：转折光路,出射光线的方向不变，但光线位置要产生平行位移。,双平面反射镜的成像特性可归纳为：,二次反射像的坐标系统与原物坐标系统相同，成一致像。,位于主截面内的光线，不论其入射方向如何，出射线的转角永远等于两平面镜夹角的二倍，其转向与光线在反射面的反射次序所形成的转向一致。,基本概念,B,A,C,光轴：光学系统的光轴在棱镜中的部分，一般为折线,ABC-棱镜光轴,光轴长度：棱镜光轴的几何长度；,AB+BC=棱镜光轴长度,3.2反射棱镜和棱镜的展开,反射棱镜：把一个或多个反射面做在同一块光学材料（如玻璃）上的光学零件。注：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,光轴,光轴截面,工作面棱主截面,反射棱镜一般有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，垂直于棱的截面称为主截面。,光轴,光轴截面,入射光轴截面,出射光轴截面,按难易程度分，反射棱镜可分为普通棱镜和复合棱镜。,一、反射棱镜的类型,（一）普通棱镜：,普通棱镜就是单个的棱镜，屋脊棱镜等，又可分为一次反射棱镜、二次反射棱镜、三次反射棱镜、屋脊棱镜和角锥棱镜。,等腰直角棱镜,x,y,z,z,y,x,x,y,z,等腰棱镜,z,y,x,道威棱镜,当棱镜绕光轴旋转时，反射像同向转2,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,斜方棱镜,z,x,y,斜方棱镜使光轴平移，多用于双目镜仪器中，调节目距。,等腰直角棱镜,z,x,y,五角棱镜,y,z,x,五角棱镜可取代一次反射直角棱镜或平面镜，使光轴折转90度并成一致像。,(c)半五角棱镜,z,x,y,半五角棱镜多用于显微镜观察系统，使光线折转，便于观察。,斯密特棱镜,其特点是：光路在棱镜中的路程很长，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,y,x,如果在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下需要得到物体的一致像而又不想增加反射棱镜时，怎么办？,可用交线位于光轴面内的两个相互垂直的反射面来取代其中的一个反射面，使垂直于主截面的坐标被这两个相互垂直的反射面依次反射而改变方向，从而得到物体的一致像。,两个互相垂直的反射面称为屋脊面。,直角棱镜,屋脊棱镜,z,x,y,屋脊棱镜的平面表示方法,角锥棱镜,2、当光线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，出射光线始终平行于入射光线。,角锥棱镜特点1、三个反射工作面相互垂直，底面是一等腰三角形，为棱镜的入射面和出射面。,3、当角锥棱镜绕其顶点旋转时，出射方向不变仅产生一个平移。,（二）复合棱镜,由两个或两个以上的普通棱镜组成的棱镜，可以实现一些特殊或者单个棱镜难以实现的功能。,别汉棱镜,z,y,x,当棱镜绕光轴旋转时，反射像同向转2，可用于会聚光束。,转像棱镜,x,y,x,y,x,y,y,x,z,z,z,z,双像棱镜,45,45,45,45,A,A,A,可用于对圆孔的瞄准。,对于简单棱镜成像方向的规则如下,（1）z轴：光轴出射方向即是z的方向。（2）垂直于主截面y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，y方向与y方向相同；当屋脊面为奇数时，y方向与y方向相反。（3）平行于主截面的x轴：若总反射面个数（屋脊面算二个反射面）为偶数，成一致像；若总反射面个数为奇数，成镜像。,二、确定棱镜系统成像方向的方法,对于复合棱镜成像方向的判断，可根据其主截面是否相同决定是否将符合棱镜分解成简单棱镜逐个分析。,三、棱镜的等效作用与展开,、等效作用与展开方法,1.等效作用,F,F,平行光经透镜成像于焦点F上,平行光经透镜成像时加一平面镜,把平面镜换成直角棱镜,A,A,对于这种光路的等效光路,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,把棱镜的光轴截面沿着它的反射面展开，取消棱镜的反射，以平行玻璃板的折射代替棱镜折射的方法称为“棱镜的展开”,2.棱镜的展开,(1).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。,(2).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。,L,光路计算中，棱镜等效平行平板的厚度L为棱镜光轴长度，设棱镜的通光光束口径为D，则,k取决于棱镜的结构形式，与棱镜的大小无关，称为棱镜的结构参数。,D,1.直角棱镜展开,一次反射时L棱镜的光轴长度，D入射光束口径,L=D,k=1,二次反射时，L棱镜的光轴长度，D入射光束口径,L,D,L=2D,K=2,（二）、几种典型棱镜的展开,2.道威棱镜展开,必须注意，这类棱镜因为光轴不垂直于棱镜面入射，故只能用在平行光束中,L,D,3.半五角棱镜展开,4.等腰棱镜展开,5.五角棱镜展开,6.斯密特棱镜展开,3.3平行平板,定义：平行平板是由二个相互平行的折射平面构成的光学元件，如分划板、微调平板、补偿板、滤光镜、保护玻璃等。,一、成像特性,光线经平行平板后方向不变，平行平板是无焦元件。,光线经平行平板后，产生侧向位移T和轴向位移L：,L与n，d有关；,光线移动的距离随入射角和平板厚度的不同而不同,当i1很小（法线方向一致），则,因此，平行平板在近轴区以细光束成像近似成完善像。,L与入射角I1（即孔径角U1）有关，即轴上点发出不同孔径的光线经平板后与光轴的交点不同。平行平板不能成完善像。平行平板的厚度d愈大，成像不完善程度也愈大。,称为平行平板的高斯位移。,二、等效空气平板,将平行玻璃平板简化为一个等效空气平板，其厚度,3.4折射棱镜与光楔,一、折射棱镜,1.偏向角：由入射光线以锐角转向出射光线，顺时针为正，逆时针为负。,偏向角与，n和I1有关，对于给定棱镜