ch 平面與平面系統(tǒng)ppt課件

1、第三章 平面與平面系統(tǒng)主講人：仝衛(wèi)國 華北電力大學(xué) 自動化系主 要 內(nèi) 容平面系統(tǒng)主要應(yīng)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。 一、平面鏡成像 二、平行平板 三、反射棱鏡 四、折射棱鏡與光楔 五、光學(xué)材料3.1 平面鏡成像平面鏡成像一、平面鏡成像一、平面鏡成像1. 平面鏡的成像性質(zhì)平面鏡的成像性質(zhì)： l=l，=1平面鏡是平面鏡是唯一唯一能成完善像的光學(xué)零件。能成完善像的光學(xué)零件。對稱性對稱性：使物像不一致，使原來的：使物像不一致，使原來的右手右手坐標系坐標系變?yōu)樽優(yōu)樽笫肿鴺讼底笫肿鴺讼?，形成，形成鏡像鏡像。結(jié)論：結(jié)論：1 1）奇數(shù)次反射，成鏡像；偶數(shù)奇數(shù)次反射，成鏡像；偶數(shù)

2、次反射，物像一致。次反射，物像一致。 2 2）當物體旋轉(zhuǎn)當物體旋轉(zhuǎn)時，像沿相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。時，像沿相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。 平面成像平面成像 平面的鏡像平面的鏡像1. 1. 平面鏡的旋轉(zhuǎn)平面鏡的旋轉(zhuǎn)當入射光線方向不變，使平面鏡旋轉(zhuǎn)當入射光線方向不變，使平面鏡旋轉(zhuǎn)角時，反射光線的角時，反射光線的方向改變方向改變2角。如圖所示：角。如圖所示： 應(yīng)用：應(yīng)用：測量微小角度和位移。如光學(xué)杠桿原理。測量微小角度和位移。如光學(xué)杠桿原理。光學(xué)杠桿原理：光學(xué)杠桿原理：由上式可知，這種基于光學(xué)杠桿原理的裝置可以測量微小的位移。二、雙面鏡成像二、雙面鏡成像n出射光線和入射光線的夾角與入射角無關(guān)，只取決于

3、雙面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鏡的夾角角。角。n作用作用：折轉(zhuǎn)光路，只需調(diào)整好雙面鏡的夾角，對雙面鏡的：折轉(zhuǎn)光路，只需調(diào)整好雙面鏡的夾角，對雙面鏡的安裝精度要求不高安裝精度要求不高。3.2 平行平板成像平行平板成像一、平行平板的成像特性一、平行平板的成像特性 結(jié)論：結(jié)論： 1 1）出射光線與入射光線平行，即經(jīng)平行平板后光線的方）出射光線與入射光線平行，即經(jīng)平行平板后光線的方向不變；向不變； 2 2）平行平板是個無光焦度元件，不會產(chǎn)生物體的放大和）平行平板是個無光焦度元件，不會產(chǎn)生物體的放大和縮小，對系統(tǒng)光焦度無貢獻；縮小，對系統(tǒng)光焦度無貢獻； 3 3）光線經(jīng)過平

4、行平板后，會產(chǎn)生側(cè)向位移和軸向位移。）光線經(jīng)過平行平板后，會產(chǎn)生側(cè)向位移和軸向位移。上式表明：軸向位移上式表明：軸向位移L 隨入射角隨入射角I1不同而不同，即軸上不同而不同，即軸上發(fā)出的不同孔徑的光線經(jīng)平行平板后與光軸的交點不同。發(fā)出的不同孔徑的光線經(jīng)平行平板后與光軸的交點不同。即平行平板不能成完善像。即平行平板不能成完善像。 二、平行平板的等效光學(xué)系統(tǒng)二、平行平板的等效光學(xué)系統(tǒng) 1. 近軸細近軸細 光束成像光束成像 近軸區(qū)的軸向位移為：近軸區(qū)的軸向位移為：l = d (1 - 1/n) 所以，近軸區(qū)光線的軸向位移與入射角無關(guān)，成完善像。所以，近軸區(qū)光線的軸向位移與入射角無關(guān)，成完善像。 2.

5、 應(yīng)用：應(yīng)用： 在光學(xué)系統(tǒng)中，常把平行平板等效為空氣平板。在光學(xué)系統(tǒng)中，常把平行平板等效為空氣平板。3.3 反射棱鏡反射棱鏡一、一、概述概述 1. 1. 反射棱鏡反射棱鏡： 將一個或多個反射面磨制在同一塊玻璃上的光學(xué)元件。將一個或多個反射面磨制在同一塊玻璃上的光學(xué)元件。 2. 2. 作用作用： 折轉(zhuǎn)光路、轉(zhuǎn)像、倒像、掃描等折轉(zhuǎn)光路、轉(zhuǎn)像、倒像、掃描等 3. 3. 術(shù)語術(shù)語：主截面、工作面、棱、主截面、工作面、棱、 光軸、入射面和出射面光軸、入射面和出射面 4. 4. 特點特點：反射裝配困難、 反射面易腐蝕、 反射鏡組合困難。 反射棱鏡無上述缺點。反射棱鏡無上述缺點。 二、反射二、反射棱鏡的類型

6、棱鏡的類型n反射棱鏡種類繁多，大體上可分為：反射棱鏡種類繁多，大體上可分為：簡單棱鏡、屋脊棱鏡、簡單棱鏡、屋脊棱鏡、立方角錐棱鏡立方角錐棱鏡和和復(fù)合棱鏡復(fù)合棱鏡。1. 簡單棱鏡簡單棱鏡 簡單棱鏡簡單棱鏡 只有一個主截面，所有工作面都與主截面垂直。根只有一個主截面，所有工作面都與主截面垂直。根據(jù)反射次數(shù)，又可分為：據(jù)反射次數(shù)，又可分為：一次反射棱鏡、二次反射棱鏡、三一次反射棱鏡、二次反射棱鏡、三次反射棱鏡次反射棱鏡。一次反射棱鏡一次反射棱鏡二次反射棱鏡二次反射棱鏡2. 屋脊棱鏡屋脊棱鏡n用兩個互相垂直的反射面代替直角棱鏡的一個反射面，形成屋脊棱鏡。從而使反射次數(shù)為偶數(shù)，物像的坐標系一致。屋脊棱鏡

7、的成像屋脊棱鏡的成像3. 立方角錐棱鏡立方角錐棱鏡n立方體切下一個角形成。光線以任意方向入射，經(jīng)三個直立方體切下一個角形成。光線以任意方向入射，經(jīng)三個直角面反射后，出射光線始終與入射光線平行；當棱鏡繞其角面反射后，出射光線始終與入射光線平行；當棱鏡繞其頂點旋轉(zhuǎn)時，出射光線方向不變，僅產(chǎn)生一個位移。主要頂點旋轉(zhuǎn)時，出射光線方向不變，僅產(chǎn)生一個位移。主要用于激光測距。用于激光測距。立方角錐棱鏡立方角錐棱鏡4. 復(fù)合棱鏡復(fù)合棱鏡n由兩個以上的棱鏡組合形成復(fù)合棱鏡。它可以實現(xiàn)特殊的由兩個以上的棱鏡組合形成復(fù)合棱鏡。它可以實現(xiàn)特殊的功能。常見的有：功能。常見的有：分光棱鏡、分色棱鏡、轉(zhuǎn)像棱鏡分光棱鏡、分

8、色棱鏡、轉(zhuǎn)像棱鏡和和雙像雙像棱鏡棱鏡（用于目鏡）。（用于目鏡）。分光棱鏡分光棱鏡分色棱鏡分色棱鏡轉(zhuǎn)像棱鏡的成像轉(zhuǎn)像棱鏡的成像雙像棱鏡的成像雙像棱鏡的成像三、三、棱鏡系統(tǒng)成像方向的判斷棱鏡系統(tǒng)成像方向的判斷n判斷原則：判斷原則： （1 1） OZ坐標軸和光軸的出射方向一致。坐標軸和光軸的出射方向一致。 （2 2） 垂直于主截面的垂直于主截面的OY坐標軸方向視屋脊面?zhèn)€數(shù)而定：坐標軸方向視屋脊面?zhèn)€數(shù)而定：若為偶數(shù)，則若為偶數(shù)，則OY與與OY同向；若為奇數(shù)，則同向；若為奇數(shù)，則OY與與OY反反向。向。 （3）平行于主截面的）平行于主截面的OX坐標軸方向視反射面的個數(shù)而坐標軸方向視反射面的個數(shù)而定：若反

9、射面?zhèn)€數(shù)為偶數(shù)，定：若反射面?zhèn)€數(shù)為偶數(shù)，XYZ為右手坐標系；若反射為右手坐標系；若反射面?zhèn)€數(shù)為奇數(shù)，面?zhèn)€數(shù)為奇數(shù)，XYZ為左手坐標系。為左手坐標系。三、反射三、反射棱鏡的等效作用與展開棱鏡的等效作用與展開n反射棱鏡是由兩個折射面和若干個反射面組成。反射棱鏡是由兩個折射面和若干個反射面組成。n作用：作用：相當于相當于平面鏡平行平板平面鏡平行平板n用途：用途：折轉(zhuǎn)光路、轉(zhuǎn)像、倒像等折轉(zhuǎn)光路、轉(zhuǎn)像、倒像等n例如：例如：反射棱鏡用于成像系統(tǒng)時的等效光路反射棱鏡用于成像系統(tǒng)時的等效光路。反射棱鏡展開的等效光路反射棱鏡展開的等效光路3.4 折射棱鏡折射棱鏡n折射棱鏡由兩個折射表面對光線進行折射而進行工作的

10、。兩折射面的交線稱為折射棱；其夾角稱為折射角；垂直于折射棱的平面稱為主截面。ABCDnI1I2I1I2折射棱鏡折射棱鏡一、折射一、折射棱鏡的偏轉(zhuǎn)棱鏡的偏轉(zhuǎn)n折射棱鏡的兩個工作面不同軸，故不能把這種棱鏡看作折射棱鏡的兩個工作面不同軸，故不能把這種棱鏡看作平行平板。平行平板。n入射光線入射光線AB與出射光線與出射光線CD的夾角，稱為偏向角。偏向的夾角，稱為偏向角。偏向角的計算公式為：角的計算公式為：由上式可知：偏向角的大小與由上式可知：偏向角的大小與I1、n有關(guān)。有關(guān)。最小偏向角滿足的條件：最小偏向角滿足的條件： I1 =I2， I1=I2 應(yīng)用：應(yīng)用：常用最小偏向角測量介質(zhì)折射率常用最小偏向角測

11、量介質(zhì)折射率。二、光楔及其應(yīng)用二、光楔及其應(yīng)用n折射角很小的棱鏡，稱為折射角很小的棱鏡，稱為光楔光楔。此時，它的偏向角公式可。此時，它的偏向角公式可近似為：近似為： （n - 1）n即，光線垂直入射時，即，光線垂直入射時，僅由折射角僅由折射角和折射率和折射率n決定。決定。用途：用途：把兩塊相同的光楔組合在一起，相對轉(zhuǎn)動，可產(chǎn)生把兩塊相同的光楔組合在一起，相對轉(zhuǎn)動，可產(chǎn)生不同的偏向角。在光學(xué)系統(tǒng)中，補償和測量小角度偏差。不同的偏向角。在光學(xué)系統(tǒng)中，補償和測量小角度偏差。 2（n - 1）cos 三、棱鏡的色散三、棱鏡的色散n色散：色散：白光經(jīng)過棱鏡后被分解為各種色光的現(xiàn)象。白光經(jīng)過棱鏡后被分解為

12、各種色光的現(xiàn)象。n通常，波長長的通常，波長長的紅光紅光折射率低，波長短的折射率低，波長短的紫光紫光折射率高，折射率高，因此，因此，紅光的偏向角小，紫光的偏向角大紅光的偏向角小，紫光的偏向角大。n白光光譜：按波長長短順序排列的光譜。白光光譜：按波長長短順序排列的光譜。雙光楔旋轉(zhuǎn)測微雙光楔旋轉(zhuǎn)測微白光光譜的獲得白光光譜的獲得3.5 光學(xué)材料光學(xué)材料一、對光學(xué)材料的要求：一、對光學(xué)材料的要求： 折射材料對工作波段有良好的透過率；折射材料對工作波段有良好的透過率； 反射材料對工作波段有很高的反射率。反射材料對工作波段有很高的反射率。二、光學(xué)材料的種類：二、光學(xué)材料的種類： 主要有三大類：主要有三大類：

13、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料。 1. 光學(xué)玻璃：光學(xué)玻璃： 光學(xué)玻璃是由硅、磷、鉛、鉀、砷、鋁等多種氧化物經(jīng)光學(xué)玻璃是由硅、磷、鉛、鉀、砷、鋁等多種氧化物經(jīng)高溫熔融成鹽熔液體，再經(jīng)過冷所得到的各向同性的無定高溫熔融成鹽熔液體，再經(jīng)過冷所得到的各向同性的無定形物體。形物體。 1）特性：）特性：最常用的光學(xué)材料，制造工藝成熟、品種齊全，最常用的光學(xué)材料，制造工藝成熟、品種齊全，可透過可透過0.352.5微米的各色光，超出這一波段的光會被玻微米的各色光，超出這一波段的光會被玻璃強烈吸收。璃強烈吸收。 2）特征參數(shù)：）特征參數(shù)： 平均折射率、阿貝常數(shù)、部分色散、相對色散等。平均折射率、阿貝常數(shù)、部分色散、相對色散等。 3）分類：）分類： a) 冕牌玻璃K(PbO3%)：折射率高折射率高nD1.531.85，色散大、色散大、性軟、質(zhì)重、帶黃綠色。性軟、質(zhì)重、帶黃綠色。 4）特種玻璃：）特種玻璃：分為分為有色玻璃有色玻璃和和無色玻璃無色玻璃