ch平面与平面系统PPT课件

1、1第三章第三章 平面与平面系统平面与平面系统主讲人：仝卫国 华北电力大学 自动化系第1页/共24页2主 要 内 容平面系统主要应用：改变光路方向；转像、倒像、分光；产生色散用于光谱分析。 一、平面镜成像 二、平行平板 三、反射棱镜 四、折射棱镜与光楔 五、光学材料第2页/共24页33.1 平面镜成像一、平面镜成像1. 平面镜的成像性质平面镜的成像性质： l=l，=1平面镜是平面镜是唯一唯一能成完善像的光学零件。能成完善像的光学零件。对称性对称性：使物像不一致，使原来的：使物像不一致，使原来的右右手手坐标系坐标系变为变为左手坐标系左手坐标系，形成，形成镜像镜像。结论：结论：1 1）奇数次反射，成

2、镜像；偶数奇数次反射，成镜像；偶数次反射，物像一致。次反射，物像一致。 2 2）当物体旋转当物体旋转时，像沿相反的方向旋转相同的角度。时，像沿相反的方向旋转相同的角度。 平面成像平面成像 平面的镜像平面的镜像第3页/共24页41. 1. 平面镜的旋转平面镜的旋转当入射光线方向不变，使平面镜旋转当入射光线方向不变，使平面镜旋转角时，反射光线的角时，反射光线的方向改变方向改变2角。如图所示：角。如图所示： 应用：应用：测量微小角度和位移。如光学杠杆原理。测量微小角度和位移。如光学杠杆原理。第4页/共24页5光学杠杆原理：光学杠杆原理：由上式可知，这种基于光学杠杆原理的装置可以测量微小的位移。第5页

3、/共24页6二、双面镜成像出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双面镜的夹角面镜的夹角角。角。n作用作用：折转光路，只需调整好双面镜的夹角，对双面镜的：折转光路，只需调整好双面镜的夹角，对双面镜的安装精度要求不高。安装精度要求不高。第6页/共24页73.2 平行平板成像一、平行平板的成像特性一、平行平板的成像特性 第7页/共24页8 结论： 1 1）出射光线与入射光线平行，即经平行平板后光线的方）出射光线与入射光线平行，即经平行平板后光线的方向不变；向不变； 2 2）平行平板是个无光焦度元件，不会产生物体的放大和）平行平板是个无光焦度元件

4、，不会产生物体的放大和缩小，对系统光焦度无贡献；缩小，对系统光焦度无贡献； 3 3）光线经过平行平板后，会产生侧向位移和轴向位移。）光线经过平行平板后，会产生侧向位移和轴向位移。上式表明：轴向位移上式表明：轴向位移L 随入射角随入射角I1不同而不同，即轴上不同而不同，即轴上发出的不同孔径的光线经平行平板后与光轴的交点不同。发出的不同孔径的光线经平行平板后与光轴的交点不同。即平行平板不能成完善像。即平行平板不能成完善像。第8页/共24页9 二、平行平板的等效光学系统 1. 近轴细近轴细 光束成像光束成像 近轴区的轴向位移为：近轴区的轴向位移为：l = d (1 - 1/n) 所以，近轴区光线的轴

5、向位移与入射角无关，成完善像。所以，近轴区光线的轴向位移与入射角无关，成完善像。 2. 应用：应用： 在光学系统中，常把平行平板等效为空气平板。在光学系统中，常把平行平板等效为空气平板。第9页/共24页103.3 反射棱镜一、概述 1. 1. 反射棱镜反射棱镜： 将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件。将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件。 2. 2. 作用作用： 折转光路、转像、倒像、扫描等折转光路、转像、倒像、扫描等 3. 3. 术语术语：主截面、工作面、棱、 光轴、入射面和出射面 4. 4. 特点特点：反射装配困难、 反射面易腐蚀、 反射镜组合困难。 反射棱镜无上述缺点

6、。 第10页/共24页11二、反射棱镜的类型反射棱镜种类繁多，大体上可分为：反射棱镜种类繁多，大体上可分为：简单棱镜、屋脊棱镜、简单棱镜、屋脊棱镜、立方角锥棱镜立方角锥棱镜和和复合棱镜复合棱镜。1. 简单棱镜简单棱镜 简单棱镜简单棱镜 只有一个主截面，所有工作面都与主截面垂直。只有一个主截面，所有工作面都与主截面垂直。根据反射次数，又可分为：根据反射次数，又可分为：一次反射棱镜、二次反射棱镜、一次反射棱镜、二次反射棱镜、三次反射棱镜三次反射棱镜。一次反射棱镜一次反射棱镜二次反射棱镜二次反射棱镜第11页/共24页122. 屋脊棱镜屋脊棱镜用两个互相垂直的反射面代替直角棱镜的一个反射面，形成屋脊棱

7、镜。从而使反射次数为偶数，物像的坐标系一致。屋脊棱镜的成像屋脊棱镜的成像第12页/共24页133. 立方角锥棱镜立方角锥棱镜立方体切下一个角形成。光线以任意方向入射，经三个立方体切下一个角形成。光线以任意方向入射，经三个直角面反射后，出射光线始终与入射光线平行；当棱镜直角面反射后，出射光线始终与入射光线平行；当棱镜绕其顶点旋转时，出射光线方向不变，仅产生一个位移。绕其顶点旋转时，出射光线方向不变，仅产生一个位移。主要用于激光测距。主要用于激光测距。立方角锥棱镜立方角锥棱镜第13页/共24页144. 复合棱镜复合棱镜由两个以上的棱镜组合形成复合棱镜。它可以实现特殊由两个以上的棱镜组合形成复合棱镜

8、。它可以实现特殊的功能。常见的有：的功能。常见的有：分光棱镜、分色棱镜、转像棱镜分光棱镜、分色棱镜、转像棱镜和和双像棱镜双像棱镜（用于目镜）。（用于目镜）。分光棱镜分光棱镜分色棱镜分色棱镜第14页/共24页15转像棱镜的成像转像棱镜的成像双像棱镜的成像双像棱镜的成像第15页/共24页16三、棱镜系统成像方向的判断 判断原则：判断原则： （1 1） OZ坐标轴和光轴的出射方向一致。坐标轴和光轴的出射方向一致。 （2 2） 垂直于主截面的垂直于主截面的OY坐标轴方向视屋脊面个数坐标轴方向视屋脊面个数而定：若为偶数，则而定：若为偶数，则OY与与OY同向；若为奇数，则同向；若为奇数，则OY与与OY反向

9、。反向。 （3）平行于主截面的）平行于主截面的OX坐标轴方向视反射面的个数坐标轴方向视反射面的个数而定：若反射面个数为偶数，而定：若反射面个数为偶数，XYZ为右手坐标系；若为右手坐标系；若反射面个数为奇数，反射面个数为奇数，XYZ为左手坐标系。为左手坐标系。第16页/共24页17三、反射棱镜的等效作用与展开反射棱镜是由两个折射面和若干个反射面组成。反射棱镜是由两个折射面和若干个反射面组成。作用：作用：相当于相当于平面镜平行平板平面镜平行平板用途：用途：折转光路、转像、倒像等折转光路、转像、倒像等例如：例如：反射棱镜用于成像系统时的等效光路反射棱镜用于成像系统时的等效光路。反射棱镜展开的等效光路

10、反射棱镜展开的等效光路第17页/共24页183.4 折射棱镜 折射棱镜由两个折射表面对光线进行折射而进行工作的。两折射面的交线称为折射棱；其夹角称为折射角；垂直于折射棱的平面称为主截面。ABCDnI1I2I1I2折射棱镜折射棱镜第18页/共24页19一、折射棱镜的偏转 折射棱镜的两个工作面不同轴，故不能把这种棱镜看折射棱镜的两个工作面不同轴，故不能把这种棱镜看作平行平板。作平行平板。 入射光线入射光线AB与出射光线与出射光线CD的夹角，称为偏向角。偏的夹角，称为偏向角。偏向角的计算公式为：向角的计算公式为：由上式可知：偏向角的大小与由上式可知：偏向角的大小与I1、n有关。有关。最小偏向角满足的

11、条件：最小偏向角满足的条件： I1 =I2， I1=I2 应用：应用：常用最小偏向角测量介质折射率常用最小偏向角测量介质折射率。第19页/共24页20二、光楔及其应用折射角很小的棱镜，称为折射角很小的棱镜，称为光楔光楔。此时，它的偏向角公式。此时，它的偏向角公式可近似为：可近似为： （n - 1）即，光线垂直入射时，即，光线垂直入射时，仅由折射角仅由折射角和折射率和折射率n决定。决定。用途：用途：把两块相同的光楔组合在一起，相对转动，可产生把两块相同的光楔组合在一起，相对转动，可产生不同的偏向角。在光学系统中，补偿和测量小角度偏差。不同的偏向角。在光学系统中，补偿和测量小角度偏差。 2（n -

12、 1）cos 第20页/共24页21三、棱镜的色散 色散：色散：白光经过棱镜后被分解为各种色光的现象。白光经过棱镜后被分解为各种色光的现象。 通常，波长长的通常，波长长的红光红光折射率低，波长短的折射率低，波长短的紫光紫光折射率折射率高，因此，高，因此，红光的偏向角小，紫光的偏向角大红光的偏向角小，紫光的偏向角大。 白光光谱：按波长长短顺序排列的光谱。白光光谱：按波长长短顺序排列的光谱。双光楔旋转测微双光楔旋转测微第21页/共24页22白光光谱的获得白光光谱的获得第22页/共24页233.5 光学材料一、对光学材料的要求： 折射材料对工作波段有良好的透过率；折射材料对工作波段有良好的透过率； 反射材料对工作波段有很高的反射率。反射材料对工作波段有很高的反射率。二、光学材料的种类： 主要有三大类：主要有三大类：光学玻璃、光学晶体和光学塑料光学玻璃、光学晶体和光学塑料。 1. 光学玻璃：光学玻璃： 光学玻璃是由硅、磷、铅、钾、砷、铝等多种氧化光学玻璃是由硅、磷、铅、钾、砷、铝等多种