工程光學(xué) 第四章平面成像系統(tǒng)

1、工程光學(xué) 第四章平面成像系統(tǒng)第1頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三平面系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)中的作用改變像的方向，變倒像為正像 例如開普勒望遠(yuǎn)鏡中的倒像可正過來 。擴(kuò)大儀器的傳動比，提高測量精度擴(kuò)大儀器的觀察、測量范圍合像、分像返回第2頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三改變像的方向，變倒像為正像第3頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三改變光路方向,便于觀察和縮小儀器體積BABA第4頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三改變光路方向,便于觀察和縮小儀器體積優(yōu)點:全內(nèi)反射光能損失小,不必鍍銀；沒有銀層變黑，變質(zhì)使反射率下降的

2、問題；不易變形。 第5頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三擴(kuò)大儀器的觀察、測量范圍第6頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三分光、分色第7頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三三片式光學(xué)引擎工作原理第8頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三三片式光學(xué)引擎工作原理高壓汞弧光燈發(fā)出的白光被偏光器偏振化然后成型為Gen II LCoS微顯示器面板大小與形狀的矩形光束。偏振的白光經(jīng)過分色鏡被分離為其組成成分紅、綠、藍(lán)三色光。每一種色光被分別聚焦到一片接受相應(yīng)色彩視頻數(shù)據(jù)的Gen II LCoS微顯示器面板上。從微顯示器面板上反射

3、出的光經(jīng)過檢偏器過濾，只有一種與檢偏器偏振方向相同的光可以通過，其它偏振方向的光被阻止。紅、綠、藍(lán)三種顏色的圖像通過一個稱為X-Cube的光學(xué)元件被組合到一起。組合后的圖像經(jīng)過投射透鏡放大、聚焦，然后投射到由一個菲涅爾透鏡和柱狀透鏡組成的復(fù)合屏幕。第9頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三第一節(jié) 平面鏡成像一、平面鏡的成像特性1。單面鏡成像2。雙面鏡成像結(jié)束返回第10頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三第二節(jié)反射棱鏡一、反射棱鏡的構(gòu)成二、反射棱鏡的分類三、反射棱鏡的成像方向四、反射棱鏡的展開結(jié)束返回第11頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星

4、期三第三節(jié) 平行平板一、平行平板的成像特性 二、平行平板對光線位移的計算 三、平行平板的等效空氣層 四、舉例返回第12頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三第四節(jié) 折射棱鏡和光楔一、 折射棱鏡 二、光楔 結(jié)束返回第13頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三單面鏡成像的特性物、像關(guān)于平面鏡對稱，物距等于像距 (圖)平面鏡所成像與物等大，成鏡像 (圖) 平面鏡成完善像，屬理想系統(tǒng)平面鏡轉(zhuǎn)動，將使出射光線方向改變2 (圖1) (圖2) 本頁結(jié)束返回第14頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三平面鏡成鏡像奇次反射：物象方向（座標(biāo)）不一致，成鏡像偶次

5、反射：物象方向（座標(biāo)）一致，成相似像第15頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三平面鏡轉(zhuǎn)動，將使出射光線方向改變2第16頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回第17頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回第18頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回第19頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三雙面鏡成像特性 像點的位置 反射像均位于以雙面鏡的相交軸線O為圓心、以O(shè)A為半徑的圓周上。兩次成像后的像點位置是以O(shè)A為始邊，按反射順序的方向旋轉(zhuǎn)2圓周處。 (圖) 出射光線的方向 出射光線相對于入射光線的偏

6、轉(zhuǎn)2 ，與入射角無關(guān)，只取決于雙面鏡之間的夾角。 (圖)(3)兩次反射成一致像本頁結(jié)束返回第20頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三第21頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三反射棱鏡的構(gòu)成形狀：將多個反射面做在同一塊玻璃上的光學(xué)元件 棱鏡的工作面：指光線與之相交的面；棱鏡的光軸：指光學(xué)系統(tǒng)的光軸在棱鏡內(nèi)部所成的折線；棱：指工作面之間的交線； 主截面：指垂直于棱的平面 本頁結(jié)束返回圖第22頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回第23頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三反射棱鏡的類型 簡單棱鏡 屋脊棱鏡 復(fù)合棱鏡 (

7、4) 角錐棱鏡本頁結(jié)束返回第24頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三只含有一個主截面的棱鏡為簡單棱鏡 返回第25頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三反射面被兩個互相垂直的反射面取代的棱鏡稱作屋脊棱鏡返回第26頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三復(fù)合棱鏡是將多個簡單棱鏡（或屋脊棱鏡）組合在一起使用的棱鏡組 返回圖第27頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三棱鏡系統(tǒng)成像的物象坐標(biāo)變化 沿著光軸的坐標(biāo)軸（如圖中的z軸）經(jīng)反射后仍沿著光軸； 垂直于主截面的坐標(biāo)軸（如圖中的y軸）一般情況下保持與物坐標(biāo)相同，但當(dāng)遇有屋脊面時，每

8、經(jīng)過一個屋脊面反向一次； 在主截面內(nèi)的坐標(biāo)軸（如圖中的x軸）由棱鏡的反射次數(shù)決定其方向：奇次反射成鏡像，右手系變左手系；偶次反射成一致像，右手系不變。在計數(shù)時，每一屋脊面被認(rèn)為是兩次反射。本頁結(jié)束返回圖第28頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三反射棱鏡的計算在光路中插入棱鏡，必須使棱鏡的尺寸滿足足夠大以至于不擋光。所謂不擋光，就是棱鏡前光學(xué)系統(tǒng)出射的光束全部通過棱鏡。為解決這個問題，若按折轉(zhuǎn)的光路計算棱鏡的尺寸及畫圖都比較麻煩，通常對棱鏡采取展開的辦法來方便計算和作圖。第29頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三所謂展開，就是將光軸拉直。第30頁，共52頁

9、，2022年，5月20日，3點43分，星期三反射棱鏡的等效作用與展開 作用 “拉直”了光軸的棱鏡相當(dāng)于一個平行平面板 方法 將棱鏡展開來計算，展開的過程就是光軸經(jīng)反射面逐次成鏡像的過程。 結(jié)構(gòu)常數(shù) K=L/D L：展開后的平板厚度；D：瞳光口徑 結(jié)束 圖返回第31頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三多個反射面的棱鏡展開順序是依反射面的次序翻轉(zhuǎn)展開，如五角棱鏡第32頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三注意： （1）棱鏡展開后兩個折射面必須平行。（這是棱鏡的設(shè)計問題） （2）在會聚光束中兩折射面必須垂直光軸。（這是在儀器中棱鏡的安裝調(diào)正問題）第33頁，共52

10、頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三屋脊棱鏡的展開可用對屋脊棱翻轉(zhuǎn)的方法 （因光軸是在屋脊棱上反射的）第34頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三第三節(jié) 平行平板 光學(xué)儀器中常用“由兩個平行的光學(xué)平面構(gòu)成的”元件，稱為平行平板或者相當(dāng)于平行平板的光學(xué)元件。第35頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三平行平板的性質(zhì):無焦系統(tǒng)，放大率等于1產(chǎn)生軸向位移產(chǎn)生側(cè)向位移第36頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三出射光線與入射光線平行 -無焦元件 返回虛像和原物大小一樣且正立。（1） 光線方向不變第37頁，共52頁，2022年，5月20日，

11、3點43分，星期三（2) 平行平板對象點產(chǎn)生的軸向位移 返回第38頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三（3) 平行平板對光線產(chǎn)生的側(cè)向位移第39頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三等效空氣層的概念 返回圖第40頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回等效空氣層的作用第41頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三例題在物鏡與像面之間有一反射棱鏡用于轉(zhuǎn)折光路，計算時常將反射棱鏡作為平行平板處理。已知物鏡的像距為 ，棱鏡出射面到像面的距離 ，像面直徑 ，物鏡直徑 ，反射棱鏡的結(jié)構(gòu)常數(shù) ，折射率 ，試求反射棱鏡入射面的通光口徑

12、及該面到物鏡之間的距離。 第42頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三解題思路第一步 作光路圖第二步 根據(jù)光路建立幾何關(guān)系，由條件，棱鏡的結(jié)構(gòu)常數(shù)為1，表明口徑與厚度相等。第三步 確定極值光線的入（出）射方向及高度，從而確定棱鏡的通光口徑。第四步 確定平行平板對象點的位移，確定像面的位置變化第43頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三返回740740240740240第44頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三DCBA7DCBA3624040D2D2/n第45頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三光在棱鏡中只有折射沒有反射的棱鏡稱作折射棱鏡 折射棱鏡可以使通過的光線產(chǎn)生方向偏轉(zhuǎn) 折射棱鏡可以使復(fù)色光形成色散返回第四節(jié) 折射棱鏡第46頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三出射光線與入射光線的夾角為折射棱鏡的偏向角當(dāng) I1=-I2 或 I1=-I2 時，得最小偏向角返回利用最小偏向角，可以測量玻璃材料的折射率第47頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三當(dāng)白光經(jīng)過折射棱鏡后，各種譜線將以不同的偏向角分散開來，形成光譜的色散，這是棱鏡光譜儀的工作原理 返回第48頁，共52頁，2022年，5月20日，3點43分，星期三光楔： 頂角很小的折射棱鏡稱作光楔 光楔的偏向