工程光学 第四章平面成像系统

工程光学第四章平面成像系统第1页，共52页，2023年，2月20日，星期一平面系统在光学系统中的作用改变像的方向，变倒像为正像例如开普勒望远镜中的倒像可正过来。扩大仪器的传动比，提高测量精度扩大仪器的观察、测量范围合像、分像返回第2页，共52页，2023年，2月20日，星期一改变像的方向，变倒像为正像第3页，共52页，2023年，2月20日，星期一改变光路方向,便于观察和缩小仪器体积B'A'B'A'第4页，共52页，2023年，2月20日，星期一改变光路方向,便于观察和缩小仪器体积优点:全内反射光能损失小,不必镀银；没有银层变黑，变质使反射率下降的问题；不易变形。

第5页，共52页，2023年，2月20日，星期一扩大仪器的观察、测量范围第6页，共52页，2023年，2月20日，星期一分光、分色第7页，共52页，2023年，2月20日，星期一三片式光学引擎工作原理第8页，共52页，2023年，2月20日，星期一三片式光学引擎工作原理高压汞弧光灯发出的白光被偏光器偏振化然后成型为GenIILCoS微显示器面板大小与形状的矩形光束。偏振的白光经过分色镜被分离为其组成成分――红、绿、蓝三色光。每一种色光被分别聚焦到一片接受相应色彩视频数据的GenIILCoS微显示器面板上。从微显示器面板上反射出的光经过检偏器过滤，只有一种与检偏器偏振方向相同的光可以通过，其它偏振方向的光被阻止。红、绿、蓝三种颜色的图像通过一个称为X-Cube的光学元件被组合到一起。组合后的图像经过投射透镜放大、聚焦，然后投射到由一个菲涅尔透镜和柱状透镜组成的复合屏幕。第9页，共52页，2023年，2月20日，星期一第一节平面镜成像一、平面镜的成像特性1。单面镜成像2。双面镜成像结束返回第10页，共52页，2023年，2月20日，星期一第二节反射棱镜一、反射棱镜的构成二、反射棱镜的分类三、反射棱镜的成像方向四、反射棱镜的展开结束返回第11页，共52页，2023年，2月20日，星期一第三节平行平板一、平行平板的成像特性

二、平行平板对光线位移的计算

三、平行平板的等效空气层四、举例返回第12页，共52页，2023年，2月20日，星期一第四节

折射棱镜和光楔一、折射棱镜

二、光楔

结束返回第13页，共52页，2023年，2月20日，星期一单面镜成像的特性物、像关于平面镜对称，物距等于像距

(图)平面镜所成像与物等大，成镜像(图)

平面镜成完善像，属理想系统平面镜转动ß，将使出射光线方向改变2ß(图1)(图2)

本页结束返回第14页，共52页，2023年，2月20日，星期一平面镜成镜像奇次反射：物象方向（座标）不一致，成镜像偶次反射：物象方向（座标）一致，成相似像第15页，共52页，2023年，2月20日，星期一平面镜转动ß，将使出射光线方向改变2ß第16页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回第17页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回第18页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回第19页，共52页，2023年，2月20日，星期一双面镜成像特性⑴像点的位置

反射像均位于以双面镜的相交轴线O为圆心、以OA为半径的圆周上。两次成像后的像点位置是以OA为始边，按反射顺序的方向旋转2α圆周处。

(图)⑵出射光线的方向出射光线相对于入射光线的偏转2α，与入射角无关，只取决于双面镜之间的夹角α。(图)(3)两次反射成一致像本页结束返回第20页，共52页，2023年，2月20日，星期一第21页，共52页，2023年，2月20日，星期一反射棱镜的构成形状：将多个反射面做在同一块玻璃上的光学元件棱镜的工作面：指光线与之相交的面；棱镜的光轴：指光学系统的光轴在棱镜内部所成的折线；棱：指工作面之间的交线；主截面：指垂直于棱的平面本页结束返回图第22页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回第23页，共52页，2023年，2月20日，星期一反射棱镜的类型⑴简单棱镜⑵屋脊棱镜⑶复合棱镜(4)角锥棱镜本页结束返回第24页，共52页，2023年，2月20日，星期一只含有一个主截面的棱镜为简单棱镜

返回第25页，共52页，2023年，2月20日，星期一反射面被两个互相垂直的反射面取代的棱镜称作屋脊棱镜返回第26页，共52页，2023年，2月20日，星期一复合棱镜是将多个简单棱镜（或屋脊棱镜）组合在一起使用的棱镜组

返回图第27页，共52页，2023年，2月20日，星期一棱镜系统成像的物象坐标变化

⑴沿着光轴的坐标轴（如图中的z轴）经反射后仍沿着光轴；

⑵垂直于主截面的坐标轴（如图中的y轴）一般情况下保持与物坐标相同，但当遇有屋脊面时，每经过一个屋脊面反向一次；⑶在主截面内的坐标轴（如图中的x轴）由棱镜的反射次数决定其方向：奇次反射成镜像，右手系变左手系；偶次反射成一致像，右手系不变。在计数时，每一屋脊面被认为是两次反射。本页结束返回图第28页，共52页，2023年，2月20日，星期一反射棱镜的计算在光路中插入棱镜，必须使棱镜的尺寸满足足够大以至于不挡光。所谓不挡光，就是棱镜前光学系统出射的光束全部通过棱镜。为解决这个问题，若按折转的光路计算棱镜的尺寸及画图都比较麻烦，通常对棱镜采取展开的办法来方便计算和作图。第29页，共52页，2023年，2月20日，星期一所谓展开，就是将光轴拉直。第30页，共52页，2023年，2月20日，星期一反射棱镜的等效作用与展开

作用

“拉直”了光轴的棱镜相当于一个平行平面板

方法

将棱镜展开来计算，展开的过程就是光轴经反射面逐次成镜像的过程。

结构常数

K=L/DL：展开后的平板厚度；D：瞳光口径

结束

图返回第31页，共52页，2023年，2月20日，星期一多个反射面的棱镜展开顺序是依反射面的次序翻转展开，如五角棱镜第32页，共52页，2023年，2月20日，星期一注意：（1）棱镜展开后两个折射面必须平行。（这是棱镜的设计问题）（2）在会聚光束中两折射面必须垂直光轴。（这是在仪器中棱镜的安装调正问题）第33页，共52页，2023年，2月20日，星期一屋脊棱镜的展开可用对屋脊棱翻转的方法（因光轴是在屋脊棱上反射的）第34页，共52页，2023年，2月20日，星期一第三节平行平板光学仪器中常用“由两个平行的光学平面构成的”元件，称为平行平板或者相当于平行平板的光学元件。第35页，共52页，2023年，2月20日，星期一平行平板的性质:无焦系统，放大率等于1产生轴向位移产生侧向位移第36页，共52页，2023年，2月20日，星期一出射光线与入射光线平行-----无焦元件

返回虚像和原物大小一样且正立。（1）

光线方向不变第37页，共52页，2023年，2月20日，星期一（2)平行平板对象点产生的轴向位移

返回第38页，共52页，2023年，2月20日，星期一（3)平行平板对光线产生的侧向位移第39页，共52页，2023年，2月20日，星期一等效空气层的概念

返回图第40页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回等效空气层的作用第41页，共52页，2023年，2月20日，星期一例题在物镜与像面之间有一反射棱镜用于转折光路，计算时常将反射棱镜作为平行平板处理。已知物镜的像距为，棱镜出射面到像面的距离，像面直径，物镜直径，反射棱镜的结构常数，折射率，试求反射棱镜入射面的通光口径及该面到物镜之间的距离。

第42页，共52页，2023年，2月20日，星期一解题思路第一步作光路图第二步根据光路建立几何关系，由条件，棱镜的结构常数为1，表明口径与厚度相等。第三步确定极值光线的入（出）射方向及高度，从而确定棱镜的通光口径。第四步确定平行平板对象点的位移，确定像面的位置变化第43页，共52页，2023年，2月20日，星期一返回740740240740240＋第44页，共52页，2023年，2月20日，星期一DCBA7DCBA3624040D2D2/n第45页，共52页，2023年，2月20日，星期一光在棱镜中只有折射没有反射的棱镜称作折射棱镜

⑴折射棱镜可以使通过的光线产生方向偏转

⑵折射棱镜可以使复色光形成色散返回第四节折射棱镜第46页，共52页，2023年，2月20日，星期一出射光线与入射光线的夹角为折射棱镜的偏向角当I1=-I2’或I1’=--I2时，得最小偏向角返回利用最小偏向角，可以测量玻璃材料的折射率第47页，共52页，2023年，2月20日，星期一当白光经过折射棱镜后，各种谱线将以不同的偏向角分散开来，形成光谱的色散，这是棱镜光谱仪的工作原理

返回第48页，共52页，2023年，2月20日，星期一光楔：顶角很小的折射棱镜称作光楔

光楔的偏