华中科技大学 《应用光学》课程PPT-第四章 平面镜与平面系统

第四章平面镜与平面系统平面镜、棱镜在光学系统中的作用：●倒像变为正像●改变光轴位置和方向●折叠系统、缩小体积、减轻重量●通过旋转改变光路方向，扩大观察范围●分光作用平面镜

平行平板反射棱镜折射棱镜

§4－1平面镜成像特性1.成完善像：2.成正立等大的像，虚实相反。

物点发出的同心光束经反射镜反射后仍成同心光束。

3.成镜像：这种对称性称为“镜象”●尺度相同●位置对称于平面镜●象和物上下同方向，而左右方向颠倒

说明：奇次反射均成镜象；偶次反射时，物和象是完全一致的，称为“一致象”。

4.改变光路方向：xzx’z’5.倍角关系：

以一定方向的光线入射到平面镜，平面镜摆动α角

，则反射光线将有2α的摆角。

xFF′Lf′y2αα光学比较仪：位移量放大倍数对于夹角为α的双平面镜系统α

=0

时，像有无数个α

=

π时，单平面镜，像有一个α为任意角时成像若干个。光线经双镜反射后，其出射光线与入射光线的夹角是双镜夹角

的两倍，且由于

角只决定于双镜的夹角

，当绕棱镜转动双镜时，出射光线的方向不变。

出射光线不稳定五角棱镜两反射面的夹角一定则出射光线稳定§4－2平行平板1.放大率：2.远轴光成像：说明：1）光线经平行板折射后，虽然方向不变，但要产生位移。2）从点A发出的具有不同入射角的各条光线经平行板折射后，具有不同的轴向位移值，平行板成象是不完善的。3.近轴光成像：说明：

近轴光通过平行板的轴向位移只与厚度d及折射率n有关

，与入射角I1无关。轴上点近轴光经平行板成象是完善的。

例：一平板d=15mm，玻璃n=1.5，经平板折射后细光束像点A′在第二面上，求物距第一面的位置。

例：一焦距f′=35mm的透镜，当物位于l=-70mm处，通过透镜成像。1）像成在何处？β

多大？2）若在物与透镜之间置一平板，d=60mm，n=1.5，像距l′多大？β

多大？3）若平板放在透镜成像之后，l′多大？β

多大？说明：一个平行平板，当其位于成像光束的不同位置时，其对成像的影响是很大的。等效空气平板：光线经过MOPN后，在NP面上B点出射情况与光线经过MORQ后在T点出射情况完全相同，不同的是经过MOPN有折射，经过MORQ则没有，称MORQ为MOPN的等效空气平板，令其厚度为。§4－3反射棱镜一、基本概念：光轴：光学系统光轴在棱镜中的部分。光轴在棱镜内的总几何长度为反射棱镜的光轴长度。工作面反射面折射面出射面入射面棱：两工作面的交线为棱镜的棱。主截面：光轴所在的截面，与棱垂直。用反射镜可以改变光轴方向、减小长度、实现转像等。但需要镀增反膜，不耐久，并且由于不完全反射造成光能能损失，装校也不方便。在许多场合下用反射棱镜，优点是装配方便，减少光能损失。当需要大面积反射时再使用反射镜。二、分类：1.简单棱镜：一块玻璃磨制而成，所有工作面均与主截面垂直。1）一次反射棱镜：与平面反射镜相应，对物成镜象。

等腰直角棱镜等腰棱镜（任意角度）道威棱镜光轴与斜面平行的直角棱镜道威对物成镜像，光轴方向不变。当棱镜绕光轴转90度时，像转180度周视瞄准镜用等腰直角棱镜和道威棱镜棱镜组成，想一想是怎样实现周视的

光轴转90度光轴转180度光轴转60度光轴平移光轴转45度2）二次反射棱镜：半五角棱镜五角棱镜二次直角棱镜斜方棱镜30°直角棱镜3）三次反射棱镜：斯密特棱镜成镜像，光轴转45度，大大缩小筒长，结构紧凑列曼棱镜2.屋脊棱镜：1）概念：将普通棱镜的一个反射面用两个相互垂直的反射面取代，且使二反射面的交线在棱镜的光轴平面以内。这个互相垂直的反射面称为屋脊面，带有屋脊面的棱镜叫作屋脊棱镜，两屋脊面的交线为屋脊棱。2）作用：对于奇次反射棱镜，为获得物的相似像，在不增加反射棱镜的情况下，可将一个反射面用两个相互垂直的反射面取代。屋脊棱镜的屋脊面的作用相当于两次反射的直角棱镜。3）表示方法：xyzx′y′z′xyzx′y′z′原则：①光轴方向

z'

不变②垂直于主截面的坐标

x'

视屋脊个数而定③

y‘

坐标根据总反射次数而定,（一个屋脊棱算两次反射）而定。奇数次反射，改变坐标系，偶数次反射坐标系不变。规定：物为左手坐标系，oz轴为光轴方向，yoz面和主截面重合，ox轴垂直于主截面，并和所有的反射面平行，通过棱镜组后的坐标为x′y′z′。

单一主截面棱镜系统中，若有一个屋脊棱，且共有偶数次反射，则棱镜系统可成倒像。3.复合棱镜：

在光学系统中常用两块或两块以上的棱镜组合成棱镜系统来达到一块棱镜难于达到的功能2.两个或两个以上相互垂直主截面上述规则仍适用，只需分部进行。3.棱镜与共轴球面系统组合共轴球面系统成倒像，则整个系统成像方向与棱镜系统成像方向相反。共轴球面系统成正像，则整个系统成像方向与棱镜系统成像方向相同。注：物镜：倒像分化板及目镜：正像四、棱镜的展开及结构参数K：在光学计算中，以一块等效的平行平板取代棱镜的作法称为“棱镜的展开”。展开棱镜的方法是：在棱镜主截面内，按反射面的顺序，以该面和主截面的交线为轴，逐次使主截面翻转，便可得到等效的平行平板。在光路计算中将棱镜展开后需求知其厚度，此即棱镜光轴长度L。设棱镜的口径D已知，定义棱镜的结构参数K为：说明：K与棱镜大小无关，决定于棱镜的结构形式。当确定棱镜结构形式和口径D后，便可由K值求知光轴长度。五角棱镜K＝3.414等腰直角棱镜K＝1二次直角棱镜K＝2斜方棱镜K＝2一次反射等腰棱镜棱镜棱镜物镜目镜例：一个8倍的望远系统，如下图所示。斜方棱镜（K=2，n=1.5）的入射面到物镜的距离为110mm，物镜焦距为160mm，目镜焦距为20mm，斜方棱镜口径由轴向光束在棱镜上的投射高决定，其通光口径为30mm，求棱镜出射面到目镜的距离。

利用等效空气平板的概念，进行像面位置和光学系统外型尺寸计算是十分方便的。§4-4折射棱镜与光楔一、折射棱镜的偏向角两折射面间的二面角称为折射棱镜折射角，用α表示。出射光线与入射光线的夹角δ

称为偏向角。应用：最小偏角测量材料折射率二、光楔及其应用

折射角很小的棱镜称为光楔。1）光线的入射角有一定大小2）光线垂直入射或入射角很小3）当两主截面不平行，相互转动2φ应用：光线的小偏向角转换为两个光契的相对转角。三、棱镜色散

白光经过棱镜后将分解为各种不同颜色的光，在棱镜后会看到各种颜色，这种现象称为色散。对于不同波长的光线，光学材料具有不同的折射率，即

当λ小时折射率大。自然光通过三棱镜将得到由红到紫排列的光谱。

光的色散现象证明光学材料对不同波长的光折射率不同

§4－6光学材料一、透明光学材料（透射材料）：1.光学玻璃材料的主要特征：nD或nd：接近于人眼最灵敏的谱线；nF或nC：接近人眼灵敏光谱区的两端。2.玻璃的光学常数：平均色散：阿贝常数：若干对谱线的部分色散：若干对谱线的相对色散：3.光学玻璃的分类：冕牌玻璃（K）：低色散、低折射率；火石玻璃（F）：高色散、高折射率；4.光学玻璃曲线图：5.材料色散公式：哈特曼公式：西德消特厂的色散公式：波长一般以nm为单位