几何光学2013(第9-10课).ppt

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1、3-5 平行平板平行平板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板平行平面板。用棱用棱镜来代替平面来代替平面镜，就相当于在光学系，就相当于在光学系统中多加了一中多加了一块平行平行平面板。平面板。如标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光镜、保护玻璃等等如标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光镜、保护玻璃等等下面下面讨论光光线经过平行平面板的折射情况平行平面板的折射情况假定平行平面板位于空气中假定平行平面板位于空气中 一一 平行平板的成像性平行平板的成像性质上式表明，上式表明，L因不同的因不同的I1值不同而不同不同而不同 即从具有不同入射角的各条光即

2、从具有不同入射角的各条光线经平行平面板折射后，具平行平面板折射后，具有不同的有不同的轴向位移量，向位移量，这就就说明，同心光束明，同心光束经平行平面板后平行平面板后变为非同心光束，成非同心光束，成像是不完善的。像是不完善的。也可以看出平行平面板的厚度也可以看出平行平面板的厚度d 愈大，成像不完善程度也愈大。愈大，成像不完善程度也愈大。如果入射光束孔径很小，即如果入射光束孔径很小，即为近近轴光束成像，光束成像，则因因I1较很小，很小，可可见对于近于近轴光光线而言，其而言，其轴向位移只和平行平面板的厚度向位移只和平行平面板的厚度d及玻璃折射率及玻璃折射率n有关，而与入射角有关，而与入射角i无关。无

3、关。因此，物点以近因此，物点以近轴光光经平行平面板成像是完善的平行平面板成像是完善的二二 平行平板的等效光学系平行平板的等效光学系统一反射棱镜的类型一反射棱镜的类型简单棱镜（一次、二次、三次反射棱镜）简单棱镜（一次、二次、三次反射棱镜）屋脊棱镜屋脊棱镜立方角锥棱镜立方角锥棱镜复合棱镜等复合棱镜等3-6 反射棱镜反射棱镜二、基本定二、基本定义BAC光轴：光轴：光学光学系统的光轴在系统的光轴在棱镜中的部分棱镜中的部分ABC-ABC-棱镜光轴棱镜光轴光轴长度：光轴长度：棱镜光轴的几棱镜光轴的几何长度；何长度；AB+BC=棱镜光轴长度棱镜光轴长度二、基本定二、基本定义光轴光轴光轴光轴截面截面工作面工作

4、面 棱棱 主截面主截面物空物空间为右手坐右手坐标三三 确定棱镜系统成像方向的方法确定棱镜系统成像方向的方法（一一）一一次次反反射射棱棱镜镜 （a）等腰）等腰直角棱镜直角棱镜yzxxzyzoxyzoxyzoxyzyox（b）道威棱镜道威棱镜 直角棱镜使光线折转直角棱镜使光线折转9090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。二者的特点是：入射面、出射面与光轴二者的特点是：入射面、出射面与光轴垂直。垂直。道威棱镜，入射面、出射面与光轴不垂直。道威棱镜道威棱镜9090旋转后，像旋转旋转后，像旋转180180。道威棱镜道威棱镜:绕光轴旋转绕光轴旋转 角，其对应的反射角，其对应的反射像同

5、方向像同方向2 2 旋转角旋转角。一次反射特点：一次反射特点：成镜像；成镜像；在主截面内坐标方向在主截面内坐标方向改变，垂直于光轴截面内坐改变，垂直于光轴截面内坐标方向不变。标方向不变。半五角棱镜半五角棱镜x xy yz zx x y y z z（二）（二）二次反射二次反射棱棱镜 以上几种棱镜两反射面之间的夹角有为：以上几种棱镜两反射面之间的夹角有为：22.5、30 、45 、90 和和180。也使光线折转也使光线折转45 、60 、90 、180 和和360。其中：五角棱镜和直角棱镜多用于显微其中：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。镜观察系统，使光线折转，便于观察

6、。斜方棱镜使光轴平移，多用于双目镜斜方棱镜使光轴平移，多用于双目镜仪器中，调节目距。仪器中，调节目距。二次二次反射成像的特点反射成像的特点：成一致像；成一致像；入射光线与出射光线入射光线与出射光线之间的夹角取决于两反射之间的夹角取决于两反射面之间的夹角。面之间的夹角。（三）三次反射棱（三）三次反射棱镜x xy yz z斯密特棱镜斯密特棱镜其特点是：其特点是：光路在棱镜光路在棱镜中的光路很中的光路很长，可以折长，可以折叠光路，使叠光路，使仪器紧凑。仪器紧凑。入射光线入射光线与出射光线与出射光线之间的夹角之间的夹角为为4545x x z z y y 屋脊棱镜 如果如果在不改变光轴方向和主截面内成像

7、方在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下向的条件下需要得到物体的一致像而又不想增加需要得到物体的一致像而又不想增加反射棱镜时，怎么办？反射棱镜时，怎么办？可用交线位于光轴面内的两个相互垂直的反可用交线位于光轴面内的两个相互垂直的反射面射面来取代来取代其中的一个反射面，使垂直于主截面其中的一个反射面，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，从而得到物体的改变方向，从而得到物体的一致像。一致像。（四）（四）屋脊面和屋脊棱镜屋脊面和屋脊棱镜屋脊面的作用：屋脊面的作用：在不改在不改变光光轴方向和主截面内成像方方向和主截面内成像方向

8、的条件下，向的条件下，增加一次反射增加一次反射，使系，使系统总的反射次数由的反射次数由奇数奇数变成偶数成偶数，从而，从而达到物像相似的要求。达到物像相似的要求。直角棱镜反射屋脊棱镜反射 x xy yz zx x y y z z x xy yz zx x y y z z 屋脊棱镜的平面表示方法（五）角锥棱镜由立方体切下一个角而形成的。角锥棱镜特点角锥棱镜特点1、三个反射工作、三个反射工作面相互垂直，底面面相互垂直，底面是一等腰三角形，是一等腰三角形，为棱镜的入射面和为棱镜的入射面和出射面。出射面。2、当光当光线以任意方向以任意方向从底面入射，从底面入射，经过三个直角面依次反三个直角面依次反射后，

9、出射光射后，出射光线始始终平行于入射光平行于入射光线。3、当角当角锥棱棱镜绕其其顶点旋点旋转时，出射方，出射方向不向不变仅产生一个生一个平移。平移。应用：与激光用：与激光测距距仪配合配合测距距 由两个以上的棱镜组合起由两个以上的棱镜组合起来形成，可以实现一些特殊或来形成，可以实现一些特殊或者单个棱镜难以实现的功能。者单个棱镜难以实现的功能。（六）复合棱镜（六）复合棱镜 这种复合棱镜的用途也这种复合棱镜的用途也是倒像作用。是倒像作用。四四棱镜和棱镜的展开棱镜和棱镜的展开主要主要讲述把多个反射面集成在同一述把多个反射面集成在同一块光学材料上的情况光学材料上的情况反射棱镜：把多个反射面作在同一块光反

10、射棱镜：把多个反射面作在同一块光学材料（如玻璃）上的光学零件学材料（如玻璃）上的光学零件。注：光线在棱镜反射面上的入射角大注：光线在棱镜反射面上的入射角大于临界角时，在反射面发生全反射，不于临界角时，在反射面发生全反射，不镀膜镀膜二、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，若不考虑反射射面和若干反射面，若不考虑反射面，光线在两个折射面之间的行为面，光线在两个折射面之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FF 平行光经透镜成像

11、时加一平面镜平行光经透镜成像时加一平面镜把平面镜换成直角棱镜把平面镜换成直角棱镜A对于这种光路的等效光路等效光路AA 把棱镜的光轴截面沿着它的反射面把棱镜的光轴截面沿着它的反射面展开，取消棱镜的反射，以平行玻璃板的展开，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代替棱镜折射的方法称为“棱镜的展开”（二）棱镜的展开(1).为了使棱镜和共轴球面系统组合后，仍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的特性，必须对能保持共轴球面系统的特性，必须对棱镜棱镜的结构提出一定的的结构提出一定的要求要求：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必须平行行。b如果

12、棱镜位于会聚光束中，则光轴必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须和棱镜的入射及出射表面相垂直垂直。(2).展开方法利用棱镜反射面的性展开方法利用棱镜反射面的性质，将转折的光路拉直。质，将转折的光路拉直。即：按入射光线的顺序，以即：按入射光线的顺序，以反射面为镜面，求其对称像，反射面为镜面，求其对称像，并依次画出反射棱镜的展开并依次画出反射棱镜的展开图图。折射棱镜折射棱镜 ：利用表面的折射作用来工作：利用表面的折射作用来工作折射棱折射棱 ：入射面与出射面的交线：入射面与出射面的交线折射角折射角 ：两折射面夹角：两折射面夹角偏向角偏向角 ：入射光线与出：入射光线与出射光线的夹角从入射光线转到射光线的夹角从入射光线转到出射光线，顺正逆负出射光线，顺正逆负主截面：垂直于折射棱的平面主截面：垂直于折射棱的平面3-折射棱镜与光楔折射棱镜与光楔 利用最小偏角可测量利用最小偏角可测量棱镜棱镜折射率折射率 当很小，为光楔。I I1 1有一定大小：I I1 1很小：双光楔用两个光楔相对转动，产生不同的偏角应用:旋转测(微)角 移动测(微)位移3-8光学材料光学材料一 透射材料的光学特性:透过率折射率二 反射材料的光学特性:反射率