平面与平面系统设计方案

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1、考试要求要求考生掌握平面镜、平行平板及棱镜的成像特性。考试容平面及平面系统的成像原理、成像特性、棱镜的分类及应用、成像坐标的判断及常见的光学材料的种类和特性等。作业P54：1、2、3、4、6、7、10、11第三章 平面与平面系统一、平面及平面系统它能起到透镜元件无法起到的作用 1、 可改变光路；将共轴变为非共轴的2、 实现转向,改变坐标3、 实现色散等。二、常见的平面系统平面镜l 棱镜含两类：反射棱镜、折射棱镜;l 光楔严格说它也是一种折射棱镜；l 平行平板。31平面镜成像一、 平面镜成像1、平面镜的成像特性平面镜最常用,也是最简单并能成完善像的唯一一个光学元件。图31 平面镜成像在平面镜前放

2、一物AB,则AB要经过平面镜进行成像,根据作图法求像。从B任意引二条光线,则根据反射定律,可做出其像点, 故可见：入射为同心光束,出射为同心光束,所以为完善像.而B又为物面空间上任一点,所以对平面镜来说,它能成完善像。2、物像位置关系及放大率公式1位置关系：在讲折射定律的时候曾经提到,反射是折射的特例,是时的情况,而平面像又可看作的球面镜,这样根据单个的折射面的成像位置公式：2放大率： 即物像大小一致,且成正像。3、镜像、一致像1） 镜像：若物为右左手坐标,则像为左右手坐标。镜像可通过奇次反射得到。图32 平面镜的镜像图33 一致像2） 一致像：物为右左手坐标,像也为右左手坐标,即物与像是完全

3、一致的,它可通过偶次反射来得到。二、平面镜的旋转1、平面反射镜旋转了某一微小角度,则反射光的方向改变图34 平面镜旋转2、光学杠杆从图中可见,若反射镜与光轴严格垂直,则分划板上的轴上点发出的光将变为平行光轴的平行光,到达反射镜后将原路返回,成像于分划板的原来位置处。但如若二者不严格垂直,反射镜的法线与光轴有一微小角度,则物发出的仍是平行光轴的光但经反射镜后,为斜平行光束,不能原路返回,成像于分划板的另一位置。导致物像之间有一横向的距离,此距离与反射镜法线与光轴的夹角有关,此夹角越大,距离改变量越大。入、出射光的夹角为。有：,这样就把角度量值转变为了线值,从而实现放大作用。图35 光学杠杆原理如

4、果现在有一杠杆,如图,正是由于杠杆的前后移动导致反射镜的倾斜,此时反射镜角度的改变量值是由杠杆的移动量决定的：式中x是杠杆的移动量,则由此移动量所引发的像点的移动量值为：这就是光学杠杆的原理,式中,放大倍率。在这个原理中平面反射镜起到了很重要的作用：1它起到了转折光路的作用,从而使结构紧凑,节省空间。 2平面镜减少了光学元件的个数,降低了成本,并且使结构简单。三、双平面镜成像双平面镜就是有二个反射镜构成,而且二者之间有一个夹角,现在有一支光AO射入,它经二个反射镜反射后最终射出,二条光线相共轭,现延长入射光及反射光,有一夹角,有些二次反射式棱镜就是基于这原理构成。17 / 1732 平行平板一

5、、平行平板成像特性1、 定义：由二个互相平行的折射平面构成的光学元件。2、 成像特性：图310 平行平板的成像特性根据折射定律可容易的得到结果：结论1：光线经平行平板折射后光线方向不变。结论2：平行平板放大率为1,且像与物始终在同一侧。此外,光线经平行平板后虽方向不变,但却要产生一定轴向位移： 结论3：光线经平行平板后虽方向不变,但却要产生一定位移；结论4：同心光束经平板后变为非同心光束,即平行平板成像是不完善的,越大,不完善程度也越大。当入射光为无限细的近轴光时,此时很小,就更小,趋于0,为此有：同理,侧向位移公式： 结论5：轴上点近轴光经平板成像是完善的。二、 等效空气层 图311 平行平

6、板的等效作用现设有一玻璃平板,厚度为d,折射率为n,现一条光线射入平板,它首先经由第一折射面发生折射,折射光到达第二折射面,又将发生折射。一为入射光,一为出射光。现在延长入射光及光在第二折射面上的法线方向,二者交于一点G,过G点作垂直于光轴的平面,此平面就是功能与玻璃平板等效的空气平板,其厚度用表示。从图中可见,之间有：33 反射棱镜一、 反射棱镜类型1、反射棱镜构成原理：根据双面镜系统的原理2、术语1） 棱镜的光轴：指光学系统的光轴在棱镜中的部分它往往是由折线构成2） 光轴长度：光轴在棱镜的总的几何长度；3） 入射面：光线射入棱镜的平面； 出射面：光线射出棱镜的平面；工作面：出射面、入射面、

7、反射面全称为工作面。棱：工作面的交线。4） 主截面光轴截面：由光轴所决定的平面。3、棱镜的分类：简单棱镜屋脊棱镜立方角锥棱镜 复合棱镜1简单棱镜：一般是由一块玻璃磨制而成,且所有工作面均与主截面垂直。按反射面的个数多少又分为：一次反射棱镜；二次反射棱镜；三次反射棱镜。一次反射棱镜：作用与平面反射镜的作用相同,也对物成镜像若物为右手,像左手最常见的一次反射棱镜有：等腰直角棱镜、等腰棱镜、道威棱镜、斯密特棱镜等a等腰直角棱镜 b等腰棱镜 道威棱镜 图312 一次反射棱镜道威棱镜特点:入射光、出射光都不垂直于工作面,且光线通过棱镜后方向保持不变,它主要用于平行光路之中。当棱镜绕光轴旋转时,反射像同向

8、转2。例如：周视瞄准仪如图3-13 图313 周视瞄准仪光路图该系统主要由三个棱镜构成,分别为：等腰直角棱镜、道威棱镜、直角屋脊棱镜。这三个棱镜各自在系统中所起的作用并不相同,下面分别分析一下：第一块等腰直角棱镜作用：扫描及转折光路作用。它可绕垂直的光轴以一定的角速度旋转,以对水平方向扫描以观察不同的景物,随着景物的不同产生不同程度的像倾斜。为了补偿这种像坐标的倾斜,我们加入了道威棱镜,令道威棱镜同方向旋转,则出射坐标旋转,从而使像倾斜得到补偿。屋脊棱镜将光路转折90度,同时使像坐标水平转180度。二次反射棱镜：常见的二次反射棱镜：半五角棱镜、直角棱镜、五角棱镜、二次反射式等腰直角棱镜、斜方棱

9、镜。三次反射式棱镜：斯密特棱镜特点：可以折叠光路,使仪器紧凑,有利于小型化。图314 斯密特棱镜2屋脊棱镜例如：直角屋脊棱镜 图315 直角屋脊棱镜用二个互相垂直的反射面来代替棱镜的反射面,并且这二个反射面的交线应在光轴平面之,称这样的棱镜为屋脊棱镜。屋脊棱镜的特点：屋脊相当于增加了一次反射原来为奇次,成镜像,加上后变为偶次,成一致像这样在不增加其它棱镜情况下就可以使像坐标与物坐标相一致。常见的屋脊棱镜有：斯密特屋脊棱镜、直角屋脊棱镜等。3立方角锥棱镜： 其特性如下：从底面以任意方向射入的光线,经其反射后最终的出射光线与入射光平行,仅有一个位移。4复合棱镜由二块以上棱镜组合而成的棱镜系统,目的

10、是为了实现单块透镜难以达到的功能。常见有：分光棱镜、分色棱镜、转像棱镜、普罗I型等。二、棱镜系统的成像方向判断假设物为右手坐标系：,为光轴方向；为平行于主截面方向；为垂直于主截面方向。则经过系统后,像坐标为,则：1、出射坐标轴方向：与光轴方向一致；2、垂直于主截面坐标轴：视屋脊个数而定；偶数个屋脊无与方向相同；奇数个屋脊与方向相反。3、平行于主截面坐标轴：视反射次数而定；偶数次反射按右手坐标确定；奇数次反射按左手坐标确定。以上三条都是对单光轴棱镜而言,若为多光轴面的棱镜复合棱镜,上述原则在各光轴面均适用。二、 反射棱镜的展开a b cd e f图316 几种常见棱镜展开过程通过以上的介绍,我们

11、已经对棱镜的特性有了一定的了解,那么当系统中存在棱镜时,通常的作法是首先将棱镜展开。1、棱镜展开的理解：在光学计算中,以一块等效的平行平板来取代棱镜的过程。2、展开的方法：在棱镜主截面,按反射面的顺序,依次作棱镜的像,从而依次展开。具体见图3-16。3、结构参数K设棱镜的通光口径为D,则有：K的大小与棱镜本身的结构密切相关。四、平面镜、棱镜系统在科研中的应用结合九五CCD弹道相机中CCD光学拼接,通过分束立方棱镜满足视场要求。图3-17CCD弹道相机在火炮射击精度测量中的应用图3-18摄影光学系统中分束立方棱镜的应用光学拼接的目的就是使CCD的感光面满足视场的要求。为满足226的视场,在条带式

12、相机中,只需把两块非标准面阵CCD拼接成一字形。CCD拼接实质上是通过光学拼接系统的分光方法实现的。其原理如下图所示：AOBBOA图3-19分束立方棱镜在光学拼接中的应用34 折射棱镜及光楔一、折射棱镜的偏转1、术语1偏向角：入射光线与出射光线的夹角2折射棱：二个折射面的交线3折射角：二个折射面之间的夹角4主截面：垂直于折射棱的平面图 3202、最小偏向角当为最小偏向角时,具有如下特点：即,这意味着此时的入射光与出射光对称于棱镜。当将代入到偏向角公式时,可得到：可见,最小偏向角与有关,当一定时,最小偏向角的大小只与折射率n有关,对于不同的光材其角度不同,这样根据这样的关系,利用该公式就能够求出

13、相应棱镜材料的折射率。二、光楔1、定义：折射角很小的棱镜 图321 光楔 当光垂直入射近似于垂直入射光楔时,同样会产生偏向角, 可见对于光楔来讲,只要棱镜的是个定值,就是一个唯一确定的值。且从图中可见,最后偏折出来的光偏向棱镜的大端。三、应用1、双光楔相对转动以产生大小不同的偏向角来进行测量。图322 双光楔测角1） 当双光楔如图同向放置时,光经过此二个光楔时产生的总的偏向角为 。2） 若其中一个光楔绕光轴方向旋转在此种情况下,总偏向角为,即光无偏折射出,只有侧移,相当于平行平板。3） 若把二光楔绕光轴相对旋转,一个顺时针旋转,一个逆时针旋转共旋转2,此时最小偏向角2、将二光楔拉开一段距离,就

14、可以把角度量变为沿垂轴方向的位移量。 图323 双光楔测微小位移 如图,一束光射入光楔1后产生的偏向角大小为,再经光楔2后,出射为平行光,但有一位移,现设垂轴方向的位移量为,则有：从而实现微小位移测量。三、棱镜色散对同一块玻璃来讲,入射的波长不同,折射率也不相同,这就导致不同的色光虽同样遵循折射定律,但折射角有很大的差异,出射光方向不相同,从而把复色光分解为各种色光。35 光学材料光学材料分为： 透射光学材料用于制作折射元件,如透镜、棱镜 反射光学材料用于制作反射元件,主要用于镀膜一、透射材料的光学特性1、 分类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料1光学玻璃：一般说来其透过波段为,一旦入射波段超过此

15、围,就将被强烈吸收,玻璃对超此围的波长来讲就是不透明的。玻璃分为二类：l 冕牌玻璃K属于低折射率、低色散,又分为：轻冕QK、重冕ZK、冕K、钡冕等,而每一类又有许多的牌号,如冕：K1、K2、K9、K10l 火石玻璃F属于高折射率、高色散,又分为：轻火石QF、火石F、钡火石2光学晶体：与玻璃相比其优点是波段围相对较宽,较为常用的晶体有：石英可用于紫外光谱区；萤石 3光学塑料：主要用于精度要求不高的光学系统,它的成本低,生产效率比较高,但像质不好,且热胀系数高。例如：低倍的放大镜、简单的望远镜。2、光学材料的特征量1平均折射率：是指该介质对D光所拥有的折射率的大小,一般说来所指的折射率指的都是；2平均色散：,是指同一介质的兰光与红光的折射率之差；3部分色散：,是指任意二个波长的折射率之差；4阿贝常数：,不同的材料有不同的此值；5相对色散：,是部分色散与平均色散之比。二、反射材料反射材料性能主要取决于反射率的大小,反射率R越大,越好。反射材料多为金属材料,用于镀制。一般是在抛光的玻璃表面镀以反射膜层,当所选用的材料不同、膜层不同时,R也不同。常见的反射膜层材料：金、银、铜、铂、铝等。