资源描述
,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,第三章 平面与平面系统,主要应用：,改变光路方向,;,使倒像转换成正像；分光产生色散用于光谱分析,第一节 平面镜成像,1,第二节 平行平板,2,第三节 反射棱镜,3,第四节 折射棱镜与光楔,4,第五节 光学材料,5,第三章 平面与平面系统,第,一节,平面,镜成像,常用光学元件：,1、球面光学元件如透镜和球面镜等,2、平面光学元件如平面反射镜，平行平板、反射棱镜、折射棱镜和光楔等,共轴球面系统：,各球面共轴、倒像、不能转折光路,平面镜棱镜系统：,转像、分光、转折光路,第一节 平面镜成像,1,、成像原理：,一、平面镜成像,平面镜是唯一能成完善像的最简单的光学元件。,A,B,A,B,-I,I,P,Q,O,Q,B,P,B,第一节 平面镜成像,1,、成像原理：,一、平面镜成像,平面镜是唯一能成完善像的最简单的光学元件。,A,B,A,B,-I,I,P,Q,O,Q,B,P,B,2,、成像性质：,l,-l,，,=1,这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的两侧，大小相等，虚实相反。因此，像与物完全对称于平面镜。,第一节 平面镜成像,-l,l,3,、物理解释：,1奇数次反射成镜像，偶数次反射成与物一致的像一致像。,2当物体旋转时，其像反方向旋转相同的度数。,第一节 平面镜成像,二、平面镜旋转,性质推导：,重要特性：,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。,应用：测量微小角度或位移。,第一节 平面镜成像,应用：测量微小角度或位移,第一节 平面镜成像,应用：测量微小角度或位移,自标尺零位点设与物方焦点F重合发出的光束经物镜L后平行于光轴,第一节 平面镜成像,应用：测量微小角度或位移,平面镜,M,垂直于光轴时，平行光经平面镜,M,反射后原光路返回,经准直物镜折射后重新会聚于,F,点,第一节 平面镜成像,应用：测量微小角度或位移,第一节 平面镜成像,应用：测量微小角度或位移,光学杠杆放大倍数,光学杠杆原理,第一节 平面镜成像,三、双平面镜成像,在双平面镜系统中，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,。,1,、性质：,公式,:,2,第一节 平面镜成像,2,、应用： 转折光路,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,。如果双面镜的夹角不变，当入射光线方向一定时，双面镜绕其棱边旋转时，出射光线的方向始终不变。,其用于折转光路优点在于，只需加工时调整好双面镜的夹角，而对双面镜的安置精度要求不高，不像单个反射镜折转光路时那样调整困难。,第一节 平面镜成像,3、成像连续一次像,同样，可先经,PR,反射，再经,PQ,反射的连续一次像是由物逆时针方向旋转,2,而成。,连续一次像可认为是由物体绕棱边旋转,2,而形成，旋转方向由第一反射镜转向第二反射镜。,当,=90,时，两个连续一次像重合，并与物对相对于棱对称。显然，,只要双面镜的夹角不变，双面镜转动时，连续一次像不动,。,第一节 平面镜成像,第一节 平面镜成像,第,二节,平行平板,定义：,平行平板是由两个相互平行的折射平面构成的光学元件，如分划板、微调平板等。,a、光线经平行平板前方向不变；,b、平板是个无光焦度元件，不会使物体放大或缩小，在系统中对光焦度无奉献。,一、平行平板的成像特性,第二节 平行平板,T,L,d、轴向位移L随入射角I1即孔径角U1的不同而不同，即轴上点发出不同孔径角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。,c,、,光线经平行平板后，产生,侧向位移,T,和,轴向位移,L,：,第二节 平行平板,1,、平行平板在近轴区内以细光束成像时，近轴区内的轴向位移为,3,、应用：,将平行玻璃平板简化为一个等效空气平板。,2,、物理意义：,在近轴区，平行平板的轴向位移只与其厚度,d,和折射率,n,有关，与入射角无关。因此，,平行平板在近轴区以细光束成像是完善的,。,等效空气平板厚度,二、平行平板的等效光学系统,L,不管物体位置如何，其像可认为是由物体移动一个轴向位移而得到。,第二节 平行平板,等效空气平板的作用：如果光学系统的会聚或发散光路中有平行玻璃平板包括由反射棱镜展开的平行玻璃平板，可将其等效为空气平板，这样可以在计算光学系统的外形尺寸时简化对平行玻璃平板的处理，只需计算出无平行玻璃平板时即等效空气平板的像方位置，然后再沿光轴移动一个轴向位移l，就得到有平行玻璃平板时的实际像面位置，而无需对平行玻璃平板逐面进行计算。,在进行光学系统外形尺寸计算时，将平行玻璃平板用等效空气平板取代后，光线无折射地通过等效空气平板，只需考虑平行玻璃平板的出射面或入射面的位置，而不必考虑其存在。,第二节 平行平板,第,三节,反射棱镜,作用：,折转光路、转像、扫描等。,棱镜的光轴：光学系统的光轴在棱镜中的局部为棱镜光轴。棱镜光轴为折线。,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。,一、名词解释,光轴的折转次数,=,棱镜反射面数,棱：,工作面间的交线。,主截面：,垂直于棱线的平面。,在光路中，所取主截面包含了光学系统的光轴在内，所以又称,光轴截面。,反射棱镜的工作面为两个折射面和假设干个反射面，光线从一个折射面入射，从另一个折射面出射。这两个折射面分别称为入射面和出射面，大局部的反射棱镜的入射面与出射面与光轴垂直。,第三节 反射棱镜,1一次反射棱镜,1.,简单棱镜,在主截面内的坐标x轴改变方向，垂直于主截面的坐标y轴不改变方向，而OZ始终沿出射光轴方向。,第三节 反射棱镜,二、反射棱镜的类型,四类：,简单棱镜、屋脊棱镜、立方角锥棱镜和复合棱镜,。,具有一个反射面，与单个平面镜对应，使物体成镜像。,等腰直角棱镜常用来实现光束,90,度的转向,a),等腰直角棱镜,第三节 反射棱镜,b),等腰棱镜,使光轴按设计需要折转任意角度,第三节 反射棱镜,等腰直角棱镜与等腰棱镜的入射面和出射面都与光轴垂直，在反射面上的入射角大于临界角，发生全反射，反射面上无需反射膜,C道威棱镜,当道威棱镜绕光轴旋转,90,。,时,由直角棱镜去掉多余的直角局部而成的。,入射面和出射面与光轴不垂直，但出射光轴与入射光轴方向不变。,第三节 反射棱镜,重要特性：,当道威棱镜绕光轴旋转,角时，反射像同方向旋转,2,角。,道威棱镜通常用来实现像的旋转，也可以用来实现光束,180,的转向,周视瞄准仪光学路图,第三节 反射棱镜,2)二次反射棱镜相当于一个双面镜,其出射光线与入射光线的夹角取决于两反射面的夹角，像与物一致，不存在镜像。,第三节 反射棱镜,a半五角棱镜,第三节 反射棱镜,b30。直角棱镜,第三节 反射棱镜,这两种棱镜多用于显微镜观察系统，使垂直向上的光轴折转为便于观察的方向。,第三节 反射棱镜,c五角棱镜,五角棱镜是五边形棱镜,四个面抛光，其中两个面为反射面，另外两个面为入射和出射面，反射面镀反射膜并涂黑漆保护。五角棱镜可以使光线转向,90,，既无像面旋转也无镜面反射，并且,90,的转向不会因为棱镜位置的不同而改变，所以非常利于装配。五角棱镜被广泛用于水准仪和测距仪等，也可用于单反相机。,第三节 反射棱镜,d直角棱镜,直角棱镜用来实现光束,180,的转向,第三节 反射棱镜,斜方棱镜可以使光线产生侧向位移，但是不改变其传播方向。斜方棱镜广泛用于体式显微镜和潜望镜中。,体视显微镜又称“实体显微镜或“解剖镜，是一种具有正像立体感地目视仪器，被广泛地应用于生物学、医学、农林、工业及海洋生物各部门,e斜方棱镜,3),三次反射棱镜,第三节 反射棱镜,2,屋脊棱镜,两个相互垂直的反射面叫屋脊面,如果需要得到与物体一致的像，而又不宜增加反射棱镜时，可用,交线位于棱镜光轴截面内的两个相互垂直的反射面,取代其中一个反射面，使垂直于主截面内的坐标被这两个相互垂直的反射面依次反射而改变方向，从而得到与物一致的像。,第三节 反射棱镜,第三节 反射棱镜,3,立方角锥棱镜,重要特性：,光线以任意方向从底面入射，出射光线始终平行于入射光线。,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。,由立方体切下的一个角形成。,第三节 反射棱镜,角锥由三个互相垂直的直角面组成，入射光线在三个直角面上形成全反射，并且原路返回。角锥对光线的入射角度不敏感，常用于激光测距仪。,第三节 反射棱镜,1分光棱镜 (普通分光棱镜),4棱镜的组合复合棱镜,半透半反膜,将一束光分成光强相等的两束光，且在棱镜中的光程相等。,第三节 反射棱镜,第三节 反射棱镜,2),分色棱镜：,主要用于彩色电视摄影机中,主要特点：,出射光轴与入射光轴平行，实现完全倒像，并能折叠很长的光路在棱镜中，可用于望远镜系统中实现倒像。,3转像棱镜,第三节 反射棱镜,a,),普罗,型转像棱镜,第三节 反射棱镜,b,),普罗,型转像棱镜,C,),别汉棱镜,第三节 反射棱镜,4双像棱镜,O,O,与目镜联用，构成双像目镜，用于对圆孔的瞄准,第三节 反射棱镜,判断原那么：,1OZ坐标轴和光轴的出射方向一致。,二、棱镜系统的成像方向判断,3平行于主截面的坐标轴 ox的方向视反射面个数屋脊面算二个反射面而定。如果物坐标系为右手坐标系，当反射面个数为偶数时，OX坐标轴按右手坐标系确定；而当反射面个数为奇数时，OX坐标轴依左手坐标系确定。,2垂直于主截面的坐标轴oy视屋脊面的个数而定，如果有奇数个屋脊面，那么其像坐标轴方向与物坐标轴oy方向相反；没有屋脊面或屋脊面个数为偶数，那么像坐标轴方向与物坐标轴方向一致。,第三节 反射棱镜,别汉棱镜,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,无镜时,平行光经透镜,L,成像在其像方焦点,F,处。,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,加平面镜,在前方放一平面镜,其与光轴成45度角，那么光轴折转90度，像点在F。,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,加棱镜,将平面镜换成直角棱镜，那么由于入射面和出射面的折射，像点将平移一段距离至A，且对成像质量有一定的影响。而平面镜成完善像，在光路计算中可以不考虑。,F,F,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,等效作用,如果在光路中去掉反射作用，即把反射以后的光路沿PQ翻转180度，光路被“拉直，棱镜的出射面翻至QR。因此用棱镜代替平面镜，就相当于在光路中增加一块平行玻璃平板。,F,F,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,等效作用,F,F,棱镜的展开：,在光路计算中，常用一等效平行玻璃平板来取代光线在反射棱镜两折射面之间的光路，这种做法称为棱镜的展开。,第三节 反射棱镜,三、反射棱镜的等效作用与展开,棱镜的等效作用：平面镜,+,平行平板,1,、等效作用与展开方法：,棱镜展开方法：,在棱镜主截面内，按反射面的顺序，以反射面与主截面的交线为轴，依次使主截面翻转,180,，便可得到棱镜的等效平行平板。,等效作用,F,F,第三节 反射棱镜,2,、棱镜等效平行平板厚度,L,的计算：,L,KD,1一次反射直角棱镜,其光轴长度即等效平行玻璃平板厚度L和结构参数K：LD，K1,D,为棱镜的口径，,K,为棱镜的结构参数，,取决于棱镜的结构方式，与棱镜大小无关。,常见棱镜的展开,D,L,第三节 反射棱镜,2二次反射直角棱镜,L2D，K2,第三节 反射棱镜,3),道威棱镜,等效平行平板的厚度为光轴不垂直于入射面和折射面,第三节 反射棱镜,3),五角棱镜,其光轴长度和结构参数分别为,第三节 反射棱镜,4等腰棱镜,设棱镜的顶角为，,L=Dtg=Dctg/2，,Kctg(/2。,第三节 反射棱镜,5),半五角棱镜,第三节 反射棱镜,第四节 折射棱镜与光楔,折射棱镜：,是通过两个折射外表对光线的折射进行工作的，两折射面的交线称折射棱，两折射面间的二面角称为折射棱镜的折射角。垂直于折射棱的平面称为折射棱镜的主截面。,第四节 折射棱镜与光楔,其符号规定为：由入射光线以锐角转向出射光线，顺时针为正，逆时针为负。,一、折射棱镜的偏转,1.,偏向角,第四节 折射棱镜与光楔,上式说明，偏向角与，n以及I1有关，对于给定棱镜，n是一定的，随I1的变化而变化。,2.,偏向角,的计算：,可以证明，当,I,1,=,-I,2,I,1,=-,I,2,时，,m,为极小值。,变化过程中有一极小值,m,。,常用测量折射棱镜最小偏向角的方法来测量玻璃折射率。,第四节 折射棱镜与光楔,二、光楔及其应用,1.,定义,:,折射角很小的棱镜称为,光楔,。,2.,偏向角公式,:,当光线垂直入射或接近垂直入射时，所产生的偏向角仅由光楔的楔角和折射率决定。,第四节 折射棱镜与光楔,3.,应用：,(1),双光楔螺旋测微,将光线经过双光楔所产生的微小角度,转换为两光楔间相对较大的旋转角度,，从而进行微小角度的测量,.,第四节 折射棱镜与光楔,(2),双光楔移动测微,可将垂轴方向的微小位移转换为沿轴方向的较大位移进行测量。,第四节 折射棱镜与光楔,1.,色散：,白光经棱镜后被分解为各种色光，在棱镜后将看到各种颜色，这种现象就是,色散,。,三、棱镜色散,第四节 折射棱镜与光楔,2.,色散曲线：,3.,白光光谱：,介质的折射率随波长的变化用曲线表示，称为,色散曲线,。,第四节 折射棱镜与光楔,第,五,节,光学材料,透射材料分类：,光学玻璃、光学晶体和光学塑料,光学玻璃,光学晶体,光学塑料,透射光波范围,0.352.5,um,比宽,与相当,使用情况,最常用、制造工艺成熟、品种齐全,日益广泛,中低档光学仪器中取代,对光学材料的总体要求：,折射材料对工作波段有良好的透射率，反射元件对工作波段有很高的反射率。,一、透射材料的光学特性,1三种光学材料的比较：,第五节 光学材料,2光学常数：,平均折射率、平均色散、阿贝常数平均色散系数、,局部色散、相对色散,*二、反射材料的光学特性,反射光学元件是在抛光玻璃或金属外表上镀上一层高反射率的金属材料的薄膜而成。,唯一的光学特性是其对各种色光的反射率 。,各种金属的反射率各不相同，同一金属材料的反射率随波长的不同而不同。,第五节 光学材料,
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