第3章平面和平面系统.ppt

第3章平面和平面系统,3-1平面镜,(1)平面镜成像时，即物和像关于平面镜对称，正立，等大，虚实相反。,(2)入射为同心光束，出射为同心光束，对整个物空间均成完善像,平面镜能改变光轴方向，将较长的光路压缩在较小空间内。平面镜最常用，也是最简单并能成完善像的唯一一个光学元件。,(3)平面镜成镜像，即将右手系变为左手系，将左手系变为右手系。,奇次反射成镜像偶次反射成一致像,（4）若入射光线不动，平面镜偏转角，则反射光线转过2角,该性质可用于测量物体的微小转角或位移,双平面镜：将两个半平面镜组合在一起，使得两个反射面构成一个二面角，称为双平面镜,双平面镜的棱：构成双平面镜的两个半平面镜的公共边,双平面镜的主截面：垂直于双平面镜棱的任一平面,3-2、双平面镜,（1）双平面镜对物体所成的二次反射像是由物体绕镜棱转动2a角。转动的方向按反射次序由第一反射镜至第二反射镜的方向。,不论成多少像，都在以Q为圆心以QO为半径的圆周上。,Q,（2）第二个反射镜面到第一个反射镜面的夹角为a,则光线经过两个反射镜面各一次反射后,出射光线相对于入射光线的夹角为2a.,应用：二次反射棱镜,出射光线不稳定,3-3平行平板,平行平板：由二个互相平行的折射平面构成的光学元件。,保护玻璃片,载玻片,盖玻片,滤光片,补偿平板,分划板,用途：,像差,对平板的研究：,高斯成像特性,一、平行平板的近轴光成像特性,即轴向位移,当角度u1不大时，,该式中无u，完善成像,平行平板不改变光线方向，只改变像的位置,结论1：光线经平行平板折射后光线方向不变。,二、物点A以实际光线（U有一定大小）经平行平板成像,结论2：平行平板放大率为1，且像与物始终在同一侧。,结论3：光线经平行平板后虽方向不变，但却要产生一定位移；,轴向位移量L=AA,侧向位移量T=DG,结论4：同心光束经平板后变为非同心光束，即平行平板成像是不完善的。,结论5：轴上点近轴光经平板成像是完善的。,当入射光为无限细的近轴光时，,入射面：光线进入棱镜的平面。反射面：棱镜中反射光线的平面。出射面：光线离开棱镜的平面。工作面：棱镜的入射面、出射面和反射面的统称。,反射棱镜：将一个或多个反射平面磨制在同一块玻璃上的光学元件。,主截面：垂直于棱镜棱线的平面。,3-4反射棱镜,棱线：棱镜的工作面的交线。,一、术语,二、棱镜的分类：,主要利用全反射原理，不满足临界角的要镀反射膜,一次反射棱镜,二次反射棱镜,三次反射棱镜,屋脊棱镜,反射棱镜,简单棱镜：一般是由一块玻璃磨制而成，只有一个主截面，且所有工作面均与主截面垂直,一次反射棱镜：对应于单块平面镜，对物成镜像。,一次等腰直角棱镜,使光轴转折任意角度的一次反射棱镜,-达夫棱镜,当棱镜绕光轴AA旋转时，反射像同向转2,等腰直角棱镜截去无用的直角部分,棱镜转90度，像转180度,不改变光轴方向,周视瞄准镜,达夫棱镜以等腰直角棱镜旋转角速度的一半转。,以等腰直角棱镜转实现周视。,二次反射棱镜：,相当于夹角为双平面镜系统，成一致像，入射光线和出射光线夹角为2,三次反射棱镜,特点：成镜像，光轴转45度，大大缩小筒长，结构紧凑,三、棱镜的展开与结构常数,反射棱镜可以展开成平行平板，它在光线传播中的作用相当于一块平板,展开的方法：在棱镜主截面内，按反射面的顺序，依次作棱镜的像，从而依次展开。,结构常数光轴在棱镜中的长度与棱镜通光口径之比,通光口径允许通过的光斑最大直径,K=1,K=3.414,K=2.414,二次反射等腰直角棱镜,达夫棱镜,K=2,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。,2、垂直主截面的坐标轴单独改变一次方向，相当于增加一次反射。,四、屋脊棱镜与棱镜组合系统,1、屋脊棱镜：把普通棱镜的一个反射面,作用：1、不改变光轴方向和主截面内成像方向。,L,屋脊棱镜的结构尺寸,物为右手坐标系，为光轴方向；为平行于主截面方向；为垂直于主截面方向。像坐标为,1、出射坐标轴方向,与光轴方向一致；,2、垂直于主截面坐标轴,视屋脊个数,偶数个屋脊（无）与方向相同；奇数个屋脊与方向相反。,3、平行于主截面坐标轴,视反射次数偶数次反射按右手坐标确定；奇数次反射按左手坐标确定。,2.由物坐标求像坐标,屋脊半五角棱镜,3棱镜组合系统,由二块以上棱镜组合而成的棱镜系统，目的是为了实现单块透镜难以达到的功能。常见有：分光棱镜、分色棱镜、转像棱镜、普罗I型等。,普罗型棱镜,别汉棱镜,五、立方角锥棱镜：,作用：使光线转过180度,第一反射面xoy,第二反射面yoz,第三反射面zox,三个反射面两两互成直角,验证：用矢量形式的反射定律,设分别为光线AS，ST，TQ，QA的光线矢量。,设：,根据矢量形式的反射定律：,在空间反平行。,从底面以任意方向射入的光线，经其反射后最终的出射光线与入射光平行，仅有一个位移。,3-5折射棱镜,一、概念,反射棱镜利用表面的反射作用,折射棱镜利用表面的折射作用,折射棱入射面与出射面的交线,折射角顶角,偏向角入射光线与出射光线的夹角,从入射光线转到出射光线，顺正逆负,二、偏向角的求出,对于给定棱镜，n,一定，仅随I1变，是I1的函数。,三、最小偏向角及其应用,当光线的光路对称于棱镜时，存在最小偏向角。,当n，一定，则最小偏角一定，可求n,讨论,1、假定折射角很小很小，0，棱镜平板，=0,2、很小，折射棱镜光楔,I1很小,I1有一定大小,一般，双光楔相对转过角,双光楔用两个光楔相对转动，产生不同的偏角,将二光楔拉开一段距离，就可以把角度量变为沿垂轴方向的位移量。,一束光射入光楔1后产生的偏向角大小为，再经光楔2后，出射为平行光，但有一位移，从而实现微小位移测量。,光学材料分为透射光学材料和反射光学材料。,透射光学材料用于制作折射元件，如透镜、棱镜，考虑透明度，吸收系数，透明波段等。,反射光学材料用于制作反射元件，主要用于镀膜，考虑反射率及其稳定性,3-6光学材料，光的色散,分类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料,一、透射材料的光学特性,1）光学玻璃：透过波段为0.352.5,对光学设计而言，玻璃最重要的性质：,折射率,色散,其它的在实际应用中很重要的性质：,玻璃硬度,价格,抗污染性,耐酸性,重量,热膨胀,透过率,温度引起的折射率变化,1、折射率,相对折射率：,空气,测量条件：,绝对折射率：,真空,折射率是海拔高度，湿度，温度的函数,不同波长的色光具有不同的折射率-光的色散,2、光的色散,波长越短，折射率越大-正常色散,红,紫,常用色散方程：,Schott:,Sellmeier:,Herzberger:,Conrady:,特征谱线,人眼最灵敏波长555nm，两个极端C，F,平均折射率：,平均色散部分色散,部分色散系数(相对色散),阿贝常数(平均色散系数),平均色散系数,光学材料n图,玻璃的二类：,冕牌玻璃K属于低折射率、低色散，又分为：轻冕QK、重冕ZK、冕K、钡冕等，而每一类又有许多的牌号，如冕：K1、K2、K9、K10,火石玻璃F属于高折射率、高色散，又分为：轻火石QF、火石F、钡火石BaF。（）,美军标：,六位数，前三位表平均折射率小数点后的三位数,，后三位表阿贝数乘10,BK7：,MIL:517642,玻璃商提供的玻璃融化数据与平均数据可能会有差别,注意：,3、温度变化,折射率，,玻璃的热胀冷缩,相对折射率与周围空气的压力和温度有关,结构的热胀冷缩,TCE：热膨胀系数,4、透过率,近垂直入射，界面的反射率,单个折射面的透过率为：,若系统含有K个折射面，则透过率为：,K越大，损失的能量越多,一般在玻璃表面要镀增透膜,5、价格系数,其它玻璃的价格比BK7的价格,BK7,K9应用最为广泛的玻璃,BaK50:3.28,LaKN14:12.88,SF59:19.48,LaSFN31:60.09,6、玻璃制造商：,Corning,Hikari,Hoya,Ohara,Schott,Sumita,提供梯度折射率玻璃：,GradientLensCorporation,LightPathTechnologies,NSGAmerica,成都玻璃厂,2）光学晶体：优点是波段范围相对较宽，石英（）0.24.0（可