应用光学03.

《应用光学》AppliedOptics武汉大学电子信息学院何平安教授第三章平面及平面系统CHAPTER3平面与平面系统概述光学系统组成：(非)球面元件：透镜和球面镜等。实现对物体的成像；平面元件：平面镜、平行平板反射棱镜、折射棱镜光楔、分划板、窗玻璃等。应用光学(AppliedOptics)平面系统的作用：改变光路方向；使倒像转换成正像；产生色散用于光谱分析。主要内容：平面镜及平面镜系统反射棱镜折射棱镜及光楔光学材料§3-1平面镜成像一、平面反射镜成像平面反射镜(简称平面镜,Mirror)：唯一能成完善像的最简单的光学元件，即物体上任意一点发出的同心光束经过平面镜后仍为同心光束。实物成虚像，虚物成实像；像与物对称于平面镜：像与物等距离的分布在镜面的两边，大小相等，虚实相反；应用光学(AppliedOptics)镜像(mirrorimage)：右手坐标系的物左手坐标系的像：上下同向左右互换。照镜子时，右手只能和镜中的左手重合-镜像。RBABA-IIQBPBOQPN沿zo/zo看：y在x左，y在x右；物旋转时，像反方向旋转相同的角度。向zo/zo看：y顺时针方向转90至x，y逆时针方向转90至x；应用光学(AppliedOptics)向xo/xo看：z顺时针方向转90至y，z逆时针方向转90至y；xyzOxyzOPMI1I-I-I12P1PQ1QON1N平面镜转动时具有重要特性：当入射光线方向不变而转动平面镜时，反射光线方向将同向转动2倍角度。二、平面镜旋转特性【证】设转角为，反射角改变为，则：【应用】利用平面镜转动的这一性质，可以测量微小角度或位移-自准直测量。自准直测微光学杠杆原理刻有分划的标尺位于准直物镜L的物方焦平面F上，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。应用光学(AppliedOptics)若平面镜M光轴，则平行光经M反射后原光路返回，重新会聚于焦点F上。2)()(11IIIIIIfxBFya2L若M转动角，则反射光与光轴成2角，经物镜L后成像于B点,设BF=y,物镜焦距为f，则：tgx/aK为光学杠杆的放大倍数。【光电自准直仪】光电自准直仪-目前精度最高的小角度测量装置之一。德国MÖLLER-WEDELELCOMATHR型光电自准直仪是许多国家国家级校准实验室的小角度基准。测角精度为：应用光学(AppliedOptics)ftgfy22xKxafy)/2(全程±150范围内：0.03；任意40范围内：0.02任意10范围内：0.01光电自准直仪的发展趋势：大量程、高精度和快速：运用长焦距准直物镜和线阵CCD器件，用N、V、M或W型分划板实现增维测量。三、双平面镜成像1)双面镜特性由△O1O2M，有根据反射定律，有：2(I1I2)在△O1O2N中，有：应用光学(AppliedOptics)I1=+I2即：=I1I2QPRAO1O2MN-I1I1I2-I2)()(2211IIII所以：2出射光线与入射光线的夹角和入射角无关，只取决于双面镜的夹角。双面镜夹角不变：入射光线方向不变，双面镜绕其棱旋转时，出射光线方向始终不变。优点：只需加工并调整好双面镜的夹角(如反射棱镜)，而对双面镜的安置精度要求不高，单反射镜折转光路时调整相对困难。2)双面镜的连续一次像右手坐标系的物体xyz：一次反射像xyz为左手坐标系，连续一次反射像xyz还原为右手坐标系。应用光学(AppliedOptics)PQRxyzxzyxzy=2§3-2平行平板(ParallelGlassPlate)平行平板是由两个相互平行的折射平面构成的光学元件：分划板(Reticle)、测微平板、保护玻璃、展开的反射棱镜。一、平行平板的成像特性因两面平行,则有I2=I1，由折射定律，得：sinI1=nsinI1=nsinI2=sinI2所以：I2=I1，U2=U1出射光线平行于入射光线或光线经平行平板后方向不变。但产生侧向位移T=DG和轴向位移L=A1A2。应用光学(AppliedOptics)-L2-L1-L1d-L2Ln2=n1=nA1(A2)A2A1O1O2-U1-U1-U2FEDGI1I1I2I2n1=1n2=1这时：平行平板是个无光焦度的光学元件，在光学系统中对总光焦度无贡献。在△DEG和△DEF中，DE为公用边：将sin(I1I1)展开，并注意nsinI1=nsinI1，得：应用光学(AppliedOptics)tgUUtg，112)sin(cos)sin(11111IIIdIIDEDGT111coscos1sinInIIdT111coscos1sinInIdIDGL111tgIItgdL-L2-L1-L1d-L2Ln2=n1=nA1(A2)A2A1O1O2-U1-U1-U2FEDGI1I1I2I2n1=1n2=1，1/112轴向位移L随入射角I1(即孔径角U1)的不同而不同：轴上点发出不同孔径的光线经平行平板后与光轴的交点不同，同心光束经平行平板后变成了非同心光束平行平板不能成完善像。计算出光线经过平行平板的轴向位移L后，像点A2相对于第二面的距离L2不需要逐面的光路计算，直接由：L2=L1+Ld给出。应用光学(AppliedOptics)二、平行平板的等效作用)/11(ndl平行平板的等效作用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的。在近轴区内，平板轴向位移只与d和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。平行平板在近轴区内以细光束成像时，轴向位移为：将玻璃平板出射平面及出射光路HA沿光轴回移l，则CD与EF重合，出射光线在G点与入射光线重合，A与A重合。应用光学(AppliedOptics)光线经过玻璃平板的光路与无折射的通过空气层ABEF的光路完全一样。HLPQAGCDBdEFdAAlndldd简化光学系统的外形尺寸计算时对平行玻璃平板的处理。等效空气平板展开的意义其厚度为：这个空气层就称为平行玻璃平板的等效空气平板(Theequivalentairplate)。只需计算出相对于等效空气平板的像方位置，沿光轴移动一个轴向位移l，就得像相对于玻璃平板的实际位置，即：l2=l1d+l无需对平行玻璃平板逐面进行计算。光学系统外形尺寸计算时，往往要计算光线在光学元件上的入/出射高度。光线无折射地通过等效空气平板，等效于通过平行玻璃平板，在其出/入射面上的光线高度方便计算。应用光学(AppliedOptics)§3-3反射棱镜PRABO2O1将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上形成的光学元件称为反射棱镜。反射棱镜(Reflectingprism)的概念：一、反射棱镜的类型反射棱镜的作用：折转光路、转像和扫描等。在反射面上，若所有入射光线不能全部发生全反射，则必须在该面上镀以金属反射膜，如银、铝或金等，以减少反应用光学(AppliedOptics)射面的光能损失。PRABO2O1主截面：垂直于棱的平面。在光路中，所取主截面与光学系统的光轴重合，因此，又称为光轴截面。棱镜的棱：工作面之间的交线。工作面：两个折射面(入射面与出射面)一个或几个反射面。棱镜的光轴：光学系统的光轴在棱镜中的部分，一般为折线。反射棱镜的基本要素：反射棱镜的种类反射棱镜的种类繁多，形状各异，大体上可分为：简单棱镜(simpleprism)屋脊棱镜(roofprism)立方角锥棱镜(cornercubeprism)复合棱镜(compositeprism)1)简单棱镜只有一个主截面，所有工作面都与主截面垂直。应用光学(AppliedOptics)一次反射棱镜xzyxzyxzyxzyxzy等腰棱镜(isoscelesprism)直角棱镜(rightangleprism)一个反射面，与单个平面镜对应，使物体成镜像，即垂直于主截面的坐标方向不变，位于主截面内的坐标改变方向。道威棱镜(Doveprism)道威棱镜的特点：其入射面和出射面与光轴均不垂直，但出射光轴与入射光轴方向不变，道威棱镜只能用于平行光路中。应用光学(AppliedOptics)当其绕光轴旋转角时，反射像同方向旋转2角。xyxzyxyyzxzz当直角棱镜P1在水平面内以角速度旋转时，道威棱镜绕其光轴以/2的角速度同向转动，可使在目镜中观察到的像的坐标方向不变。这样，直角棱镜旋转扫描时，观察者可以不必改变位置，就能周视全景。周视瞄准仪(panoramicsight):道威棱镜的应用：二次反射棱镜两个反射面，相当于一个双面镜，出射光线与入射光线的夹角取决于两个反射面的夹角。由于是偶次反射，像与物一致，不存在镜像。应用光学(AppliedOptics)xzyxzyzxyzxyzxyxzyxzy/2xyzzxyzxyzxyxzy112.522.54560zxyzxyzxy发展趋势：光电桅杆(optronicmast)应用光学(AppliedOptics)三次反射棱镜xzyxzy454545xzyxzyzxyxzyzxyxzy67.567.545xzyxzy特点：折叠很长光路，使仪器结构紧凑。三次反射棱镜为斯密特(Schmidt)棱镜，出射光线与入射光线的夹角为45,奇次反射成镜像。2)屋脊棱镜(roofprism)目的：由于奇数次反射使物体成镜像。当需要得到与物体一致的像而又不宜增加反射棱镜时，可使用屋脊棱镜。屋脊棱镜：用交线位于棱镜光轴面内的两个相互垂直的反向面取代其中一个反射面，使垂直于主截面的坐标被这二个相互垂直的反向面依次反射而改变方向，从而得到与物体一致的像。这两个相互垂直的反向面叫做屋脊面，带有屋应用光学(AppliedOptics)脊面的棱镜称为屋脊棱镜。xyozxyozxyozxzoy常用屋脊棱镜：直角屋脊棱镜半五角屋脊棱镜五角屋脊棱镜斯密特屋脊棱镜应用：周视瞄准仪显微系统：压缩筒长3)立方角锥棱镜(Cornercubeprism)由立方体切下一角而成。其三个反射工作面相互垂直，底面是一个等腰三角形，为棱镜的入射面和出射面。形式：空心玻璃体重要特性：光线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，出射光线应用光学(AppliedOptics)始终平行于入射光线。当立方角锥棱镜绕其顶点旋转时，出射光线方向不变，仅产生一个平行位移。ABEFDCGHDHAB4)复合棱镜-棱镜的组合(Theprismcombination)由两个以上棱镜组合，实现单个棱镜难以实现的特殊功能。分光棱镜(splittingprism)镀有半透半反折光膜的直角棱镜与一块尺寸相同的直角棱镜胶合起来，可将一束光分成光强相等或呈一定比例、光程相等的两束光，应用广泛用。分色棱镜(dichroicprism)白光经过分色棱镜后被分解为红、绿、蓝三束单色光。其中,a面镀反蓝透红紫应用光学(AppliedOptics)介质膜，b面镀反红透绿介质膜。分色棱镜主要用于彩色电视摄像机的光学系统和背投彩电的光学引擎中。偏光分光镜(Polarizingprism)100%50%50%半透半反膜白光ab蓝光红光绿光转像棱镜(Invertingprism)特点：出射光轴与入射光轴平行，实现完全倒像，并能折转很长的光路在棱镜中。应用：可用于望远镜光学系统中实现