物理光学与应用光学第三章课件.ppt
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- 物理光学 应用光学 第三 课件
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1、平面镜棱镜系统的主要作用:平面镜棱镜系统的主要作用:1 1、将共轴系统折叠以缩小仪器、将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和减轻仪器的重量的体积和减轻仪器的重量2 2、改变像的方向、改变像的方向起倒像作用起倒像作用3 3、改变共轴系统中光轴的位置和方向、改变共轴系统中光轴的位置和方向4 4、利用平面镜或棱镜的旋转,连续改变系统光轴的方向、利用平面镜或棱镜的旋转,连续改变系统光轴的方向 平面镜平面镜 唯一能成完善像的光学元件唯一能成完善像的光学元件1OPNAOA1BBQPQ(a)实物)实物 虚像虚像AAPQ(b)虚物)虚物 实像实像一、平面镜成像一、平面镜成像112 llr球面镜成像:性质分析性质分析
2、:物像物像相对于平面镜对称分布相对于平面镜对称分布、虚实相反。虚实相反。r ll 1x y zyxz采用右手坐标法则OO一个右手坐标系经平面镜成像为一个左手坐标系PQ奇次反射成镜像,偶次反射成一致像。奇次反射成镜像,偶次反射成一致像。PQPQOANNAA2若入射光线不动,平面镜偏转若入射光线不动,平面镜偏转a a角,则反射光线转过角,则反射光线转过2a2a角。角。MAAMH HL1PPa支点测杆a)a2tanfyPP测杆aMAAML1HHF-fa2a2ab)yxaxatanKxxafy)/2(af2 1 1)平面镜能使整个空间任意物点理想)平面镜能使整个空间任意物点理想成像成像;物点和像点;物
3、点和像点对平面镜而言是对平面镜而言是对称的对称的;2 2)实物成虚象,虚物成实像。物和像大小相等,但形状)实物成虚象,虚物成实像。物和像大小相等,但形状不同;不同;3 3)奇次奇次 镜面反射像被称为镜面反射像被称为镜像镜像;偶次反射成一致像。偶次反射成一致像。4 4)平面镜的转动具有光放大作用。)平面镜的转动具有光放大作用。O2O1q qq q PPPAMN1I1I2I2I)(221II 由由 外角定理:外角定理:MOO21由由 外角定理:外角定理:NOO21)(21II q1 1)角与角与入射入射角角无关无关,只取决于两平面镜夹角,只取决于两平面镜夹角。出射光线出射光线不稳定不稳定09090
4、0018018003)两面镜广泛应用于折转光路、改变光轴方向。)两面镜广泛应用于折转光路、改变光轴方向。PPP1O1A2O2q qAA1(A2)q21 1)二次反射像与原物坐标系相同,成一致像。)二次反射像与原物坐标系相同,成一致像。2 2)位于)位于主截面主截面(两平面镜的公共垂直面两平面镜的公共垂直面)内的光线,不)内的光线,不论入射光线方向如何,出射光线的转角永远等于两平面论入射光线方向如何,出射光线的转角永远等于两平面镜夹角的两倍。镜夹角的两倍。由两个相互平行的折射平面构成的光学元件称为由两个相互平行的折射平面构成的光学元件称为平行平面平行平面板板。用棱镜来代替平面镜,就相当于在光学系
5、统中多加了一块用棱镜来代替平面镜,就相当于在光学系统中多加了一块平行平面板。平行平面板。如标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光镜、保护玻璃如标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光镜、保护玻璃等等等等 sinsin11InI IsinIsinn2221II 12IsinIsin12II12UU11,112tgUUtg1U出射光线平行出射光线平行于入射光线于入射光线1 ,1/1 ,1212atgUUtg平行平板的光焦度为零,不会使物体放大或缩小T平行平板的出射光线平行平板的出射光线BSBS相对于入射光线相对于入射光线SASA 产生产生侧向位移侧向位移BD BD=T T 平行平面板的厚度为平行平面板的
6、厚度为d d,由由ABDABD和和ABCABC得得 sin11IIABT)cos(1IdAB光线移动的距离随入射角的光线移动的距离随入射角的不同而不同不同而不同 同样也随平板的厚度不同而同样也随平板的厚度不同而变化变化cossin111IIIdTT12211sincos1sinInIId)coscos1(sin111InIId11111indiidT设入射光线为同心光束并会聚于设入射光线为同心光束并会聚于E点(为虚物点)点(为虚物点)光线折射后和光轴交于光线折射后和光轴交于S点点)(1IAFctgdFKBFL)(1IdtgAF111tgItgId L1U 如果入射光束孔径很小,即为近轴光束成像
7、,如果入射光束孔径很小,即为近轴光束成像,则因则因I I1 1很小,很小,nd l11例:一焦距例:一焦距 的透镜,若物体位于的透镜,若物体位于 处通过处通过透镜成像,问该像位于何处?放大率?现在物与透镜之间放透镜成像,问该像位于何处?放大率?现在物与透镜之间放一厚度一厚度 的平行平板(的平行平板(n=1.5),求此时的像距和放大求此时的像距和放大率。若将该板放在透镜和像之间,其成像情况如何?率。若将该板放在透镜和像之间,其成像情况如何?mmf35mml701mmd60解:解:无平行平板时:无平行平板时:1,70111llmml平行平板位于物与透镜之间:平行平板位于物与透镜之间:mmndl20
8、)11(该板使像位移该板使像位移20mm,mml502070233.2,7.116222llmml平行平板位于透镜和像之间时,由于平行平板位于透镜和像之间时,由于mml701111,90701)()(平板镜平板mmll二、平行平板的二、平行平板的“等效等效空气层空气层”平行平板玻璃的折射平行平板玻璃的折射等效空气层等效空气层ndd 1)近轴光线()近轴光线(I较小)较小)1)近轴光线)近轴光线ABEFCDHGABEFdnddndSlsPPGAnd l112 2)远轴光线()远轴光线(I I较大)较大)厚度为厚度为E E的空气层:的空气层:ndkE IIkcoscosd1L一般棱镜的材料都用K9
9、玻璃,n=1.5163。为方便,不同入射角I对应的k值列入下表ndABEFCDHGABEFdnddndSlG凡在光路中有平行平板玻璃(如反射棱镜)时凡在光路中有平行平板玻璃(如反射棱镜)时再从再从G点以后的光路全部加上轴向平点以后的光路全部加上轴向平移量移量 ,即可得到实际光路。,即可得到实际光路。dnl)11(首先用厚度为首先用厚度为 的等效空气平板的等效空气平板取代厚度为取代厚度为d的的平板玻璃,算出等平板玻璃,算出等效空气平板出射面的光线投射高度效空气平板出射面的光线投射高度h2nd主要利用主要利用全反射原理全反射原理,不满足临界角的要镀反射膜,不满足临界角的要镀反射膜反射棱镜:把多个反
10、射面做在同一块光学材料(如玻璃)反射棱镜:把多个反射面做在同一块光学材料(如玻璃)上的光学零件上的光学零件。一次反射棱镜一次反射棱镜二次反射棱镜二次反射棱镜三次反射棱镜三次反射棱镜屋脊反射棱镜屋脊反射棱镜反射棱镜反射棱镜反射镜可以改变光轴方向,减小长度,转像、倒像等。但反射镜可以改变光轴方向,减小长度,转像、倒像等。但1、镀膜,不耐久、镀膜,不耐久 2、光能损失、光能损失 3、装校不便。、装校不便。一、反射棱镜的类型一、反射棱镜的类型反射棱镜分为反射棱镜分为普通棱镜普通棱镜和和复合棱镜复合棱镜两大类两大类复合棱镜复合棱镜(e)阿贝棱镜,反射三次阿贝棱镜,反射三次(a)(b)(c)(d)(e)(
11、d)别汗棱镜,反射五次别汗棱镜,反射五次入射面、出射面、反射面工作面的交线垂直于棱的截面(一)基本定义(一)基本定义棱镜光轴:棱镜光轴:光学系统的光轴在棱镜光学系统的光轴在棱镜中的部分,如中的部分,如ABCABC棱镜光轴的几何长度;棱镜光轴的几何长度;如如AB+BCBAC反射面反射面折射面折射面2折射面折射面1棱棱3棱棱1棱棱2主截面主截面与平面镜相比在成像性质上是增加了两次折射。与平面镜相比在成像性质上是增加了两次折射。成镜像成镜像直角棱镜使光线折转直角棱镜使光线折转90等腰棱镜使光线折转任意角度。等腰棱镜使光线折转任意角度。成镜像;成镜像;在主截面内坐标方向改变,垂直于光轴在主截面内坐标方
12、向改变,垂直于光轴截面内坐标方向不变。截面内坐标方向不变。yxozyozx道威棱镜道威棱镜90旋转后,像旋转旋转后,像旋转180。入射面、出射面与光轴不垂直,但光轴方向不变。入射面、出射面与光轴不垂直,但光轴方向不变。yozxyo道威棱镜的成像特性为:道威棱镜的成像特性为:1)入射面、出射面与光轴不垂直,但出射光轴与入射光轴)入射面、出射面与光轴不垂直,但出射光轴与入射光轴方向保持不变;方向保持不变;2)棱镜绕光轴旋转一角度时,出射像绕光轴同方向旋转两)棱镜绕光轴旋转一角度时,出射像绕光轴同方向旋转两倍角度。倍角度。道威棱镜绕光轴旋转道威棱镜绕光轴旋转a a角,其对应的反射角,其对应的反射像同
13、方向像同方向2 2a a旋转角旋转角。xyzxyzyxzxyzxyzxyz2/xyzxyz等腰直角棱镜以等腰直角棱镜以 角速度转动角速度转动道威棱镜道威棱镜 转动转动2/实现周视实现周视2 2、二次反射棱镜、二次反射棱镜光轴转光轴转1800aa2光轴转光轴转900五角棱镜和直角棱镜多用于显微镜观察系统,五角棱镜和直角棱镜多用于显微镜观察系统,使光线折转,便于观察。使光线折转,便于观察。光轴转光轴转450光轴平移光轴平移斜方棱镜使光轴平移,多用于双目镜仪器斜方棱镜使光轴平移,多用于双目镜仪器中,调节目距。中,调节目距。光轴平移光轴平移光轴转光轴转600光轴转光轴转450光轴转光轴转900二次反射
14、成像的特点二次反射成像的特点:成一致像;成一致像;入射光线与出射光线之入射光线与出射光线之间的夹角取决于两反射面之间的夹角取决于两反射面之间的夹角。间的夹角。3 3、三次反射棱镜、三次反射棱镜4545,大大缩小,大大缩小筒长,结构紧凑。筒长,结构紧凑。如果如果在不改变光轴方向和主截面内成像方向的在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下条件下需要得到物体的一致像而又不想增加反射棱需要得到物体的一致像而又不想增加反射棱镜时,怎么办?镜时,怎么办?可用可用交线交线位于光轴截面内的两个相互垂直的反射位于光轴截面内的两个相互垂直的反射面面来取代来取代其中的一个反射面,使垂直于主截面内的坐其中的一个反射
15、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,标被这两个相互垂直的反射面依次反射而改变方向,从而得到物体的从而得到物体的一致像。一致像。(三)屋脊棱镜(三)屋脊棱镜这种两个互相垂直的反射面称为这种两个互相垂直的反射面称为屋脊面屋脊面,而带有屋脊面的棱镜称为而带有屋脊面的棱镜称为屋脊棱镜屋脊棱镜。直角棱镜直角棱镜屋脊棱镜屋脊棱镜两个互相垂两个互相垂直的反射面直的反射面直角棱镜反射屋脊棱镜反射yxzoo1o1z1y1x1yozxoyA1B1C1D1A2B2F2C2E2D2z2o2y2x2o2oyzx1y1z1xyz2y2x2zyxo1oxxo光轴光轴z方向及主截面方向及主截
16、面内内x的方向不改变的方向不改变作用:与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向,相当作用:与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向,相当于增加一次反射于增加一次反射xyzxyzyxzxyzxyzxyzxyzxyz位于主截面内的物体,经屋脊面后,其像与无屋脊面时所成像一样,两屋脊面间的夹角必须严格等于90,否则将形成双像。由立方体切下一个角而形成的。1、三个反射工作面相互、三个反射工作面相互垂直,底面是一等腰三垂直,底面是一等腰三角形,为棱镜的入射面角形,为棱镜的入射面和出射面。和出射面。角锥棱镜特点角锥棱镜特点立方立方()光轴方向)光轴方向不变不变垂直于主截面的坐标垂直于主截面的坐标 视屋脊个数而定视屋脊个数
17、而定 没有屋脊面或屋脊面为偶数时,没有屋脊面或屋脊面为偶数时,不改变方向;不改变方向;屋脊面为奇数时,屋脊面为奇数时,改变方向改变方向(xx)坐标根据总反射次数而定()坐标根据总反射次数而定(屋脊面按两个反屋脊面按两个反射面计算)射面计算)若总反射次数为奇数,成镜像;若总反射次数为奇数,成镜像;若总反射次数为偶数,成一致像;若总反射次数为偶数,成一致像;例:屋脊半五角棱镜例:屋脊半五角棱镜xzxyXYZZXY(a)XYZZXY(b)XYZXYZOO 有的光学系统,如望远镜,为了测量,要有中有的光学系统,如望远镜,为了测量,要有中间实像平面,但得到倒像,要使该倒像再倒过来,间实像平面,但得到倒像
18、,要使该倒像再倒过来,需要棱镜组合系统需要棱镜组合系统1F2F2、分光棱镜3、分色棱镜绿绿xyzxyz4、转像棱镜、转像棱镜普罗型转像棱镜y x z y x z xyz别汉棱镜xyz二、棱镜的等效作用与展开二、棱镜的等效作用与展开、等效作用与展开方法、等效作用与展开方法 1、等效作用反射棱镜有两个折射面和若干、等效作用反射棱镜有两个折射面和若干反射面,若不考虑反射面,光线在两个折射面之反射面,若不考虑反射面,光线在两个折射面之间的行为间的行为等效于一个平行平板等效于一个平行平板平行光经透镜成像于焦点平行光经透镜成像于焦点F上上平行光经透镜成像时加一平面镜平行光经透镜成像时加一平面镜PQ把平面镜
19、换成直角棱镜把平面镜换成直角棱镜FF PQR这种光路的这种光路的等效光路等效光路RPQR用棱镜代替平面镜,相当于增加了一块平行玻璃板用棱镜代替平面镜,相当于增加了一块平行玻璃板利用棱镜反射面的性质,将转折的光路拉直利用棱镜反射面的性质,将转折的光路拉直 把棱镜的光轴截面沿着它的反射面展开,把棱镜的光轴截面沿着它的反射面展开,取消棱镜的反射,以平行玻璃板的折射代替棱镜取消棱镜的反射,以平行玻璃板的折射代替棱镜折射的方法称为折射的方法称为“棱镜的展开棱镜的展开”2.棱镜的展开(1).为了使棱镜和共轴球面系统组合后,仍能保持共为了使棱镜和共轴球面系统组合后,仍能保持共轴球面系统,轴球面系统,棱镜的结
20、构必须满足棱镜的结构必须满足:a棱镜展开后玻璃板的两个表面棱镜展开后玻璃板的两个表面必须平行必须平行。b如果棱镜位于会聚光束中,则光轴必须和棱镜的入射及如果棱镜位于会聚光束中,则光轴必须和棱镜的入射及出射表面相出射表面相垂直垂直。(2).展开方法展开方法按入射光线的顺序,以反射面为镜面,求反射按入射光线的顺序,以反射面为镜面,求反射光线和棱镜的像即可。光线和棱镜的像即可。1、直角棱镜展开、直角棱镜展开 一次反射时一次反射时 L棱镜的光轴长度,D入射光束口径结构常数:光轴在棱镜中的长度结构常数:光轴在棱镜中的长度L与棱镜通光口径与棱镜通光口径D之比。之比。通光口径:允许通过的光斑最大直径通光口径
21、:允许通过的光斑最大直径二次反射时,L棱镜的光轴长度,D 入射光束口径2.2.道威棱镜展开道威棱镜展开必须注意,这类棱镜因为光轴不垂直于棱镜面入射,故只能用在平行光束平行光束中 11222nnDL11222nnkEF)45sin(45sin2200iAEEFL045i045iGnni2112)45sin(20A3.3.半五角棱镜展开半五角棱镜展开DL221707.1221k屋脊棱镜的展开:屋脊棱镜的展开:光被拦光被拦为使全口径的光束均能为使全口径的光束均能通过,棱镜的结构尺寸通过,棱镜的结构尺寸要增大。要增大。三、反射三、反射为方便棱镜尺寸计算,按下列步骤考虑:为方便棱镜尺寸计算,按下列步骤考
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