應(yīng)用光學(xué)2.ppt

1、Applied Optics,1,第四章 平面鏡棱鏡系統(tǒng),Applied Optics,2,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,3,平面鏡棱鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的作用,改變共軸系統(tǒng)的光軸方向（減少體積和減輕重量） 改變像的方向 利用平面鏡轉(zhuǎn)動作用擴(kuò)大儀器的放大率 改變觀察方向擴(kuò)大儀器的觀測范圍 實(shí)現(xiàn)分光、合像和微位移,4-1 平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用,Applied Optics,4,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面

2、鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,5,一、單平面鏡的成像特性,A,P,O,Q,B,A,4-2 平面鏡的成像性質(zhì),Applied Optics,6,一、單平面鏡的成像特性,A,P,Q,A,Applied Optics,7,一、單平面鏡的成像特性,x,y,z,y,x,z,右手坐標(biāo),O,O,左手坐標(biāo),Applied Optics,8,一、單平面鏡的成像特性,P,Q,x,y,z,y,x,z,平面鏡成像時坐標(biāo)系要換手。,O,O,Applied Optics,9,一、單平面鏡的成像特性,平面鏡能使整個空間任

3、意物點(diǎn)理想成像；物點(diǎn)和像點(diǎn)對平面鏡而言是對稱的； 物和像大小相等，但形狀不同； 凡一次鏡面反射或奇次 鏡面反射像被稱為鏡像；,Applied Optics,10,二、雙平面鏡的成像特性,P,P,P1,O1,A,2,O2,q,A,A,1,(A,2,),APA2”= 2,Applied Optics,11,凡一次鏡面反射或奇次鏡面反射像被稱為鏡像； 凡二次鏡面反射或偶次 鏡面反射像被稱為一致像,坐標(biāo)系：奇變偶不變,Applied Optics,12,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方

4、向的方法,Applied Optics,13,平面鏡的旋轉(zhuǎn)與平移效應(yīng),P,Q,P,Q,O,A,N,N,A,A,2,AOA”=2POP,4-3 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用,Applied Optics,14,平面鏡的旋轉(zhuǎn)與平移效應(yīng),Q,P,A,A,B,A”,h,2h,A A =2h,Applied Optics,15,平面鏡旋轉(zhuǎn)特性的應(yīng)用： 光學(xué)比較儀中的光學(xué)杠桿,MM為分劃板,PP為射鏡,Applied Optics,16,Applied Optics,17,O,2,O1,q,q,b,P,P,P,A,M,N,I,1,I,1,I,2,I,2,90,=2,Applied Optics,18,角與I角的大

5、小無關(guān)，只取決于兩平面鏡夾角的大小 當(dāng)雙平面鏡繞棱線轉(zhuǎn)動時，只要保持角不變，二次反射像是不動的，即出射光線的方向不變，但光線位置要產(chǎn)生平行位移。,Applied Optics,19,雙平面鏡具有以下成像性質(zhì)：,二次反射像的位置應(yīng)在物體繞棱線（P點(diǎn)）轉(zhuǎn)動2角處，轉(zhuǎn)動方向應(yīng)是反射面按反射次序，由P1轉(zhuǎn)到P2的方向。 二次反射像與原物坐標(biāo)系相同，成一致像。 位于主截面（兩平面鏡的公共垂直面）內(nèi)的光線，不論入射光線方向如何，出射光線的轉(zhuǎn)角永遠(yuǎn)等于兩平面鏡夾角的兩倍。,Applied Optics,20,五角棱鏡,Applied Optics,21,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平

6、面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,22,4-4 棱鏡和棱鏡的展開,主要講述把多個反射面集成在同一塊光學(xué)材料上的情況,反射棱鏡：把多個反射面作在同一塊光學(xué)材料（如玻璃）上的光學(xué)零件。 注：光線在棱鏡反射面上的入射角大于臨界角時，在反射面發(fā)生全反射，不鍍膜,Applied Optics,23,一、基本定義,B,A,C,光軸：光學(xué)系統(tǒng)的光軸在棱鏡中的部分,ABC-棱鏡光軸,光軸長度：棱鏡光軸的幾何長度；,AB+BC= 棱鏡光軸長度,Applied Optics,24,一、基本定義,光軸,光軸截面,工

7、作面 棱 主截面,Applied Optics,25,一、基本定義,光軸,光軸截面,入射光軸截面,出射光軸截面,Applied Optics,26,二、棱鏡的等效作用與展開,、等效作用與展開方法,1.等效作用反射棱鏡有兩個折射面和若干反射面，若不考慮反射面，光線在兩個折射面之間的行為等效于一個平行平板,Applied Optics,27,平行光經(jīng)透鏡成像于焦點(diǎn)F上,F,F,平行光經(jīng)透鏡成像時加一平面鏡,Applied Optics,28,把平面鏡換成直角棱鏡,A,Applied Optics,29,對于這種光路的等效光路,A,A,Applied Optics,30,把棱鏡的光軸截面沿著它的反射

8、面展開，取消棱鏡的反射，以平行玻璃板的折射代替棱鏡折射的方法稱為“棱鏡的展開”,2.棱鏡的展開,Applied Optics,31,(1).為了使棱鏡和共軸球面系統(tǒng)組合后，仍能保持共軸球面系統(tǒng)的特性，必須對棱鏡的結(jié)構(gòu)提出一定的要求：,a棱鏡展開后玻璃板的兩個表面必須平行。,b如果棱鏡位于會聚光束中，則光軸必須和棱鏡的入射及出射表面相垂直。,Applied Optics,32,(2).展開方法利用棱鏡反射面的性質(zhì)，將轉(zhuǎn)折的光路拉直。,即：按入射光線的順序，以反射面為鏡面，求其對稱像，并依次畫出反射棱鏡的展開圖。,Applied Optics,33,Applied Optics,34,Applie

9、d Optics,35,平行平板的厚度就是反射棱鏡的展開長度或稱光軸長度（L）。,展開后應(yīng)先找到棱鏡限制光束的位置，再求尺寸，即棱鏡通光光束的口徑（D）。,L,Applied Optics,36,光路計算中，棱鏡等效平行平板的厚度L為棱鏡光軸長度，設(shè)棱鏡的通光光束口徑為D，則,k 取決于棱鏡的結(jié)構(gòu)形式，與棱鏡的大小無關(guān)，稱為棱鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,Applied Optics,37,（二）、幾種典型棱鏡的展開,Applied Optics,38,1.直角棱鏡展開,一次反射時 L棱鏡的光軸長度， D入射光束口徑,L=D,k=1,Applied Optics,39,二次反射時，L棱鏡的光軸長度，D 入射

10、光束口徑,L,D,L=2D,K=2,Applied Optics,40,2.道威棱鏡展開,必須注意，這類棱鏡因為光軸不垂直于棱鏡面入射，故只能用在平行光束中,L,D,Applied Optics,41,3.半五角棱鏡展開,Applied Optics,42,4.等腰棱鏡展開,Applied Optics,43,5.五角棱鏡展開,Applied Optics,44,6.斯密特棱鏡展開,Applied Optics,45,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied O

11、ptics,46,屋脊棱鏡,如果在不改變光軸方向和主截面內(nèi)成像方向的條件下需要得到物體的一致像而又不想增加反射棱鏡時，怎么辦？,可用交線位于光軸面內(nèi)的兩個相互垂直的反射面來取代其中的一個反射面，使垂直于主截面內(nèi)的坐標(biāo)被這兩個相互垂直的反射面依次反射而改變方向，從而得到物體的一致像。,4-5 屋脊面和屋脊棱鏡,Applied Optics,47,這種兩個互相垂直的反射面稱為屋脊面， 而帶有屋脊面的棱鏡稱為屋脊棱鏡。,直角棱鏡,屋脊棱鏡,Applied Optics,48,屋脊面的作用：,在不改變光軸方向和主截面內(nèi)成像方向的條件下，增加一次反射，使系統(tǒng)總的反射次數(shù)由奇數(shù)變成偶數(shù)，從而達(dá)到物像相似的

12、要求。,Applied Optics,49,直角棱鏡反射,屋脊棱鏡反射,Applied Optics,50,x,y,z,Applied Optics,51,屋脊棱鏡的平面表示方法,Applied Optics,52,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,53,4-6 平行平板的成像性質(zhì),由兩個相互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件稱為平行平板。 用棱鏡來代替平面鏡，就相當(dāng)于在光學(xué)系統(tǒng)中多加了一塊平行平板。 如標(biāo)尺、刻有標(biāo)志的分劃板、補(bǔ)償板、濾光鏡、保

13、護(hù)玻璃等等 下面討論光線經(jīng)過平行平板的折射情況 假定平行平板位于空氣中,Applied Optics,54,應(yīng)用折射定律 平板的兩面是平行的,Applied Optics,55,平行平板的出射光線BS 和入射光線SA是平行的 BS相對于SA平行移動了一距離BD = Z 平行平板的厚度為d，由ABD和ABC 得,Applied Optics,56,光線移動的距離隨入射角的不同而不同 同樣也隨平板的厚度不同而變化,Applied Optics,57,如果是在近軸區(qū)，上式可以寫為 如果d、n是常數(shù)，因此 z 和 i1 成正比。 平行平板的這一性質(zhì)使它在測微機(jī)構(gòu)的讀數(shù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 經(jīng)過平行平板后的

14、出射光線和入射光線在光軸方向上有一位移L。,Applied Optics,58,設(shè)入射光線為同心光束并會聚于E點(diǎn)（為虛物點(diǎn)）,光線折射后和光線交于S點(diǎn),Applied Optics,59,上式表明，L因不同的I1值不同而不同 即從具有不同入射角的各條光線經(jīng)平行平板折射后，具有不同的軸向位移量， 這就說明，同心光束經(jīng)平行平板后變?yōu)榉峭墓馐?，成像是不完善的?也可以看出平行平板的厚度d 愈大，成像不完善程度也愈大。,Applied Optics,60,如果入射光束孔徑很小，即為近軸光束成像，則因I1較很小， 可見對于近軸光線而言，其軸向位移只和平行平板的厚度d及玻璃折射率n有關(guān)，而與入射角i無關(guān)

15、。 因此，物點(diǎn)以近軸光經(jīng)平行平板成像是完善的,Applied Optics,61,平面鏡棱鏡系統(tǒng)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用 平面鏡的成像性質(zhì) 平面鏡的旋轉(zhuǎn)及其應(yīng)用 棱鏡和棱鏡的展開 屋脊面和屋脊棱鏡 平行平板的成像性質(zhì) 確定平面鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,62,普通棱鏡和復(fù)合棱鏡等。 普通棱鏡：簡單棱鏡、屋脊棱鏡等。 利用法則來確定 （先確定坐標(biāo)系性質(zhì)，再確定X、Z、Y方向） 一般取物空間為右手坐標(biāo),4-7 確定平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像方向的方法,Applied Optics,63,先看幾個普通棱鏡： 這主要看棱鏡的反射次數(shù) 偶次反射成一致像，由右手坐標(biāo)確定其成像方向； 奇次反射成鏡

16、像，由左手確定成像方向。,Applied Optics,64,（一）一次反射棱鏡,（a）等腰直角棱鏡,y,z,x,x,z,y,Applied Optics,65,y,z,x,(b)等腰棱鏡,x,z,y,Applied Optics,66,（c）道威棱鏡,Applied Optics,67,直角棱鏡使光線折轉(zhuǎn)90 等腰棱鏡使光線折轉(zhuǎn)任意角度。 二者的特點(diǎn)是：入射面、出射面與光軸垂直。,道威棱鏡，入射面、出射面與光軸不垂直。,道威棱鏡90旋轉(zhuǎn)后，像旋轉(zhuǎn)180。 道威棱鏡: 繞光軸旋轉(zhuǎn)角，其對應(yīng)的反射像同方向2旋轉(zhuǎn)角。,Applied Optics,68,一次反射特點(diǎn)： 成鏡像； 在主截面內(nèi)坐標(biāo)方向

17、改變，垂直于光軸截面內(nèi)坐標(biāo)方向不變。,Applied Optics,69,（二）二次反射棱鏡,（a）等腰直角棱鏡,x,y,z,Applied Optics,70,(b) 五角棱鏡,z,x,y,Applied Optics,71,(c) 半五角棱鏡,x,y,z,Applied Optics,72,（d）斜方棱鏡,x,y,z,Applied Optics,73,以上幾種棱鏡兩反射面之間的夾角有為：22.5、30 、45 、90 和180 。 也使光線折轉(zhuǎn)45 、60 、90 、190 和360 。,其中：五角棱鏡和直角棱鏡多用于顯微鏡觀察系統(tǒng)，使光線折轉(zhuǎn)，便于觀察。,斜方棱鏡使光軸平移，多用于雙目

18、鏡儀器中，調(diào)節(jié)目距。,Applied Optics,74,二次反射成像的特點(diǎn)： 成一致像； 入射光線與出射光線之間的夾角取決于兩反射面之間的夾角。,Applied Optics,75,（三）三次反射棱鏡,斯密特棱鏡,其特點(diǎn)是：光路在棱鏡中的光路很長，可以折疊光路，使儀器緊湊。 入射光線與出射光線之間的夾角為45,x,z,y,Applied Optics,76,角錐棱鏡,由立方體切下一個角而形成的。,Applied Optics,77,角錐棱鏡特點(diǎn) 1、三個反射工作面相互垂直，底面是一等腰三角形，為棱鏡的入射面和出射面。,Applied Optics,78,2、當(dāng)光線以任意方向從底面入射，經(jīng)過三個直角面依次反射后，出射光線始終平行于入射光線。,Applied Optics,79,3、當(dāng)角錐棱鏡繞其頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時，出射方向不變僅產(chǎn)生一個平移。,Applied Optics,80,必須指出：,反射棱鏡主要利用全反射原理反射光線 并不是所有反射棱鏡的反射面都滿