工程光學(xué)（1）_資料_于斌_課件_第3章

1、主講人：于斌辦公室：光電所324電話：26538592663903E_mail:2022年5月2日深圳大學(xué)光電工程學(xué)院第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念第二章 理想光學(xué)系統(tǒng)第三章 平面與平面系統(tǒng)第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制第六章 光線的光路計算及相差理論第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)第九章 光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價和像差公差 主要應(yīng)用：主要應(yīng)用：3 3.1 .1 平面鏡成像平面鏡成像 3 3.2 .2 平行平板平行平板3 3.3 .3 反射棱鏡反射棱鏡3 3.4 .4 折射棱鏡與光楔折射棱鏡與光楔 3 3. .5 5 光學(xué)材料光學(xué)材料3 3.6.6 本章小結(jié)本章小結(jié) 主要內(nèi)容：主要內(nèi)

2、容： 改變光路方向；轉(zhuǎn)像，倒像，分光；產(chǎn)生色散用改變光路方向；轉(zhuǎn)像，倒像，分光；產(chǎn)生色散用于光譜分析等。于光譜分析等。3 3.1.1 .1.1 平面鏡成像平面鏡成像 3 3.1.2 .1.2 平面鏡旋轉(zhuǎn)平面鏡旋轉(zhuǎn)3 3.1.3 .1.3 雙面鏡成像雙面鏡成像常用光學(xué)元件：1、球面光學(xué)元件（如透鏡和球面鏡等）2、平面光學(xué)元件（平面反射鏡、平行平板、反射棱鏡、折射棱鏡和光楔等）共軸球面系統(tǒng)：各球面共軸、轉(zhuǎn)像、不能轉(zhuǎn)折光路平面鏡棱鏡系統(tǒng)：轉(zhuǎn)折光路、轉(zhuǎn)像、倒像、分光1、成像性質(zhì): 2、物理解釋：（圖3-2）l 唯一能成完善像的最簡單的光學(xué)元件。唯一能成完善像的最簡單的光學(xué)元件。l 奇數(shù)次反射成鏡像，偶

3、數(shù)次反射成一致像。奇數(shù)次反射成鏡像，偶數(shù)次反射成一致像。l 像與物完全對稱于平面鏡。像與物完全對稱于平面鏡。l 當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時，其像反方向旋轉(zhuǎn)相同的度數(shù)。當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時，其像反方向旋轉(zhuǎn)相同的度數(shù)。 ll1平面鏡成像 （圖3-1）1、重要特性l當(dāng)入射光纖方向不變，使平面鏡轉(zhuǎn)當(dāng)入射光纖方向不變，使平面鏡轉(zhuǎn)動角時，反射光線的時，反射光線的方向改變了方向改變了2 2。（圖（圖3-33-3）2、應(yīng)用l 測量微小角度或位移。測量微小角度或位移。（圖（圖3-43-4）(2/)yfa xKx1、性質(zhì)（圖3-5）l出射光線和入射光線的夾角與入射角無關(guān)，只取決于雙面鏡的夾角。2、應(yīng)用l 轉(zhuǎn)折光路轉(zhuǎn)折光路(2/)yfa

4、 xKx3、成像l連續(xù)一次像 （圖3-6）3 3. .2 2.1 .1 平行平板的成像特性平行平板的成像特性 3 3. .2 2.2 .2 平行平板的等效光學(xué)系統(tǒng)平行平板的等效光學(xué)系統(tǒng)由兩個相互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件（1）光線經(jīng)平行平板后方向不變；（2）平板是個無光焦度元件，不會使物體放大或縮小，在系統(tǒng)中對光焦度無貢獻(xiàn)；（3）光線經(jīng)平行平板后，產(chǎn)生側(cè)向位移T和軸向位移L:111cossin(1)cosITdInI11(1)tgILdtgI軸向位移L隨入射角I1,（即孔徑角U1）的不同而不同，即軸上點(diǎn)發(fā)出不同孔徑角的光線經(jīng)平板后與光軸的交點(diǎn)不同。平行平板不能成完善像。 見（圖3-7）1、近

5、軸區(qū)細(xì)光束成像：軸向位移為：2、物理意義： 在近軸區(qū)，平行平板的軸向位移只與其厚度在近軸區(qū)，平行平板的軸向位移只與其厚度d d和折和折射率射率n n有關(guān)，與入射角無關(guān)。平行平板在近軸區(qū)以細(xì)光有關(guān)，與入射角無關(guān)。平行平板在近軸區(qū)以細(xì)光束成像是完善的。束成像是完善的。3、應(yīng)用將平行平板簡化為一個等效空氣平板。（圖3-8）(11/)ldn將一個或多個反射面磨制在同一塊玻璃上的光學(xué)元件。作用：轉(zhuǎn)折光路，轉(zhuǎn)像，倒像和掃描等。3 3. .3 3.1 .1 棱鏡術(shù)語棱鏡術(shù)語 3 3. .3 3.2 .2 反射棱鏡的類型反射棱鏡的類型3 3. .3 3. .3 3 棱鏡系統(tǒng)的成像方向判斷棱鏡系統(tǒng)的成像方向判斷

6、3 3. .3 3. .4 4 反射棱鏡的等效作用與展開反射棱鏡的等效作用與展開棱、光軸、入射面和出射面、主截面、光軸截面見（圖3-9）一、簡單棱鏡：1、一次反射棱鏡（圖3-10） 在主截面內(nèi)的坐標(biāo)改變方向，垂直于主截面的坐標(biāo)不改變方向，而OZ始終沿出射光軸方向。 周視掃描：（圖3-11）2、二次反射棱鏡（相當(dāng)于一個雙面鏡） 其出射光線與入射光線的夾角取決于兩反射面的夾角，像與物一致，不存在鏡像。（圖3-12）3、三次反射棱鏡（圖3-13）二、屋脊棱鏡（圖3-14） 光線以任意方向從地面入射，出射光線始終平行于入射光線。當(dāng)棱鏡繞其頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時，出射光線方向不變，僅產(chǎn)生一個位移。三、立方角錐棱鏡（

7、圖3-15）三、棱鏡的組合（復(fù)合棱鏡）1）分光棱鏡：（圖3-16）2）分色棱鏡：（圖3-17）3）轉(zhuǎn)像棱鏡：（圖3-18）4）雙像棱鏡：（圖3-19）判斷原則：1、OZ坐標(biāo)軸和光軸的出射方向一致；2、垂直于主截面的坐標(biāo)軸OY視屋脊面的個數(shù)而定，如果有奇數(shù)個屋脊面，則其像坐標(biāo)軸方向與物坐標(biāo)軸OY方向相反；沒有屋脊面或屋脊面?zhèn)€數(shù)為偶數(shù)，則其像坐標(biāo)軸方向與物坐標(biāo)軸方向一致；3、平行于主截面的坐標(biāo)軸OX的方向視反射面?zhèn)€數(shù)（屋脊面算兩個反射面）而定。如果物坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，當(dāng)反射面?zhèn)€數(shù)為偶數(shù)時，OX的方向按右手坐標(biāo)系確定；而當(dāng)反射面?zhèn)€數(shù)為奇數(shù)時，OX坐標(biāo)軸方向按左手坐標(biāo)系確定。1、等效作用與展開方法：

8、（圖3-20） 棱鏡的等效作用：平面鏡+平行平板 在棱鏡主截面內(nèi)，按反射面的順序，以反射面與主截面的交線為軸，依次使主截面翻轉(zhuǎn)180，便可得到棱鏡的等效平行平板。2、棱鏡等效平板厚度L的計算： L=KD L=KD1）一次反射直角棱鏡 L=D K=1 L=D K=12）二次反射棱鏡（圖3-21）3 3. .4 4.1 .1 折射棱鏡的偏折折射棱鏡的偏折3 3. .4 4.2 .2 光楔及其應(yīng)用光楔及其應(yīng)用3 3. .4 4. .3 3 棱鏡色散棱鏡色散折射棱鏡：折射棱鏡的棱、折射角、主截面 折射棱鏡（圖3-23）3、最小偏向角m及其應(yīng)用：12121cos()2sinsin122cos()2IIn

9、IIsinsin22mn1、偏向角的定義及符號規(guī)定：(見圖）2、偏向角的計算：1、定義：折射角很小的棱鏡（圖3-24）2、偏向角公式：3、應(yīng)用： 1）雙光楔螺旋測微（圖3-25） 2）雙光移動旋測微（圖3-26）(n1)1、色散：白光經(jīng)棱鏡后將分解成各種色光2、色散曲線：（圖3-27）3、白光光譜：（圖3-28）3 3. .5 5.1 .1 透射材料的光學(xué)性質(zhì)透射材料的光學(xué)性質(zhì)3.5.2 反射材料的光學(xué)特性總體要求：折射材料對工作波段有良好的透過率，反射元件對工作波段有很高的反射率。1、光學(xué)材料的分類：光學(xué)玻璃光學(xué)晶體光學(xué)塑料透射光波范圍0.352.5m比寬與相當(dāng)使用情況最常用制造工藝成熟品種

10、齊全日益廣泛中低檔儀器2、光學(xué)特性：光學(xué)折射率：nD平均色散：dn=nF-nC阿貝常數(shù)（平均色散系數(shù)）：=(nD-1)/(nF-nC)部分色散：n1-n2相對色散：(n1-n2)/(nF-nC)3、特定波長折射率的計算：哈特曼公式德國肖特玻璃廠色散公式鍍銀鍍鋁多層介質(zhì)膜高反膜掌握平面鏡成像原理，性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)特性。掌握雙面經(jīng)成像特性。掌握平行平板的定義，成像特性，等效空氣平板厚度（近軸區(qū)）。掌握反射棱鏡的定義，作用，分類。掌握折射棱鏡的偏向角計算，尤其是光楔的偏向角，掌握棱鏡的色散定義，作用。掌握光學(xué)材料的種類。作業(yè)：作業(yè)：4 4，6 6，1313，1414鍍銀鍍鋁多層介質(zhì)膜高反膜由反射定律及幾何

11、關(guān)系易證明PAQPAQ，得AP=AP,AQ=AQ 同樣可證明由A點(diǎn)出發(fā)的另一條光線AO經(jīng)反射后，其反射光線的延長線交于A點(diǎn)。這表明，由A點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)平面鏡反射后，變?yōu)橐訟為中心的同心光束。因此，A為物點(diǎn)A的完善像點(diǎn)。 同樣可證明B為B的完善像點(diǎn)。 由于物體上每點(diǎn)都成完善像，所以整個物體也成完善像。 顯然，實物成虛像，虛物成實像。由于對稱性，使一個右手坐標(biāo)系的物體變換成左手坐標(biāo)系的像。推廣：奇數(shù)次反射成鏡像，偶數(shù)次反射成與物一致的像。當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時，其像反方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。 當(dāng)入射光線方向不變而轉(zhuǎn)動平面鏡時，反射光線的方向?qū)l(fā)生改變。 設(shè)平面鏡轉(zhuǎn)動角為，反射光線轉(zhuǎn)動角為，由反射定律有:11

12、()()2IIIIII 因此反射光線的方向改變了2在O1O2M中，有根據(jù)反射定律，有在O1O2N中，有 ，即所以有1122() ()IIII 122()II12II12II2 出射光線和入射光線的夾角與入射角無關(guān)，只取決于雙面鏡的夾角。 先經(jīng)PQ反射，再經(jīng)PR反射的連續(xù)一次像由物順時針方向旋轉(zhuǎn)2而形成。a）經(jīng)PQ，PR成連續(xù)一次像 先經(jīng)PR反射，再經(jīng)PQ反射的連續(xù)一次像是由物逆時針方向旋轉(zhuǎn)2而形成。b）經(jīng)PR，PQ反射成連續(xù)一次像因為兩折射面平行，則有：由折射定律，得：所以有：21II1122sinsinsinsinInInII12II21UU 空氣層ABFE成為玻璃平板的等效空氣平板，其厚度

13、為：/ddld n 工作面之間的交線稱為棱鏡的棱； 垂直于棱的平面叫主截面； 在光路中，所取主截面與光學(xué)系統(tǒng)的光軸重合，因此又叫光軸截面。 這兩種棱鏡的入射面和出射面都與光軸垂直，在反射面上的入射角大于臨界角，發(fā)生全反射。 道威棱鏡旋轉(zhuǎn)90，y坐標(biāo)由垂直紙面向外變?yōu)榇怪奔埫嫦蚶?，這時的像相對于旋轉(zhuǎn)前的像轉(zhuǎn)了180。c）道威棱鏡 如圖所示的三次反射棱鏡為斯密特棱鏡，出射光線與入射光線的夾角為45，奇次反射成鏡像。最大的特點(diǎn)是因為光線在棱鏡中的光路很長，可以折疊光路，使一起結(jié)構(gòu)緊湊。a）普通棱鏡b）屋脊棱鏡當(dāng)立方角錐棱鏡繞其頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時 出射方向不變，僅產(chǎn)生一個位移。 將一束光分成光強(qiáng)相等的兩束光，

14、且在棱鏡中的光程相等。 分色棱鏡主要用于彩色電視攝像機(jī)中。 出射光軸與入射光軸平行，實現(xiàn)完全倒像，并能折疊很長的光路在棱鏡中，可用于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中實現(xiàn)倒像。a）普羅I型轉(zhuǎn)向棱鏡a）普羅II型轉(zhuǎn)向棱鏡 當(dāng)物點(diǎn)A移向光軸O時,雙像棱鏡輸出的兩個像A1和A2重合在光軸O上。a）無鏡時b）加平面鏡 在其像方放一平面鏡PQ，與光軸成45角。c）加棱鏡 將平面鏡PQ換成直角棱鏡PQR。d）等效作用顯然，L=2D，K=2a）二次反射直角棱鏡b）道威棱鏡22/ (211)LnDn22 /( 21 1)Knn c）五角棱鏡(22)3.414LDD3.414Kd）等腰棱鏡cot(/ 2)LDtgDcot(/ 2)Ke）半五角棱鏡(12 /2)1.707LDD1.707Kf）斯密特棱鏡(12)2.414LDD2.414K 反射棱鏡的反射面被屋脊面所代替，充滿圓形口徑的光束被PAQ“切掉”，因此必須加大棱鏡的高度。g）屋脊棱鏡可證：AE=BF=DG=CF=0.336D因此：L=EF=D+20.336D=1.372D在BCD中，有1122121212() () ( )FBDFDBIIIIIIIIIIsinsin22mn21II 21212121221121cos21sin21cos21sinsinsinsinsinIIIInIIIIInIInI212121cos21cos2sin21sinI