1、主讲人：于斌办公室：光电所324电话：26538592,15999623903,663903E_mail:2022年1月18日深圳大学光电工程学院第一章 几何光学基本定律与成像概念第二章 理想光学系统第三章 平面与平面系统第四章 光学系统中的光束限制第六章 光线的光路计算及相差理论第七章 典型光学系统第九章 光学系统的像质评价和像差公差 主要应用：主要应用：3 3.1 .1 平面镜成像平面镜成像 3 3.2 .2 平行平板平行平板3 3.3 .3 反射棱镜反射棱镜3 3.4 .4 折射棱镜与光楔折射棱镜与光楔 3 3. .5 5 光学材料光学材料3 3.6.6 本章小结本章小结 主要内容：主要
2、内容： 改变光路方向；转像，倒像，分光；产生色散用改变光路方向；转像，倒像，分光；产生色散用于光谱分析等。于光谱分析等。3 3.1.1 .1.1 平面镜成像平面镜成像 3 3.1.2 .1.2 平面镜旋转平面镜旋转3 3.1.3 .1.3 双面镜成像双面镜成像常用光学元件：1、球面光学元件（如透镜和球面镜等）2、平面光学元件（平面反射镜、平行平板、反射棱镜、折射棱镜和光楔等）共轴球面系统：各球面共轴、转像、不能转折光路平面镜棱镜系统：转折光路、转像、倒像、分光1、成像性质: 2、物理解释：（图3-2）l 唯一能成完善像的最简单的光学元件。唯一能成完善像的最简单的光学元件。l 奇数次反射成镜像，
3、偶数次反射成一致像。奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。l 像与物完全对称于平面镜。像与物完全对称于平面镜。l 当物体旋转时，其像反方向旋转相同的度数。当物体旋转时，其像反方向旋转相同的度数。 ll1平面镜成像 （图3-1）1、重要特性l当入射光纤方向不变，使平面镜转当入射光纤方向不变，使平面镜转动角时，反射光线的时，反射光线的方向改变了方向改变了2 2。（图（图3-33-3）2、应用l 测量微小角度或位移。测量微小角度或位移。（图（图3-43-4）(2/)yfa xKx1、性质（图3-5）l出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双面镜的夹角。2、应用l 转折光路转折光路(2/)yf
4、a xKx3、成像l连续一次像 （图3-6）3 3. .2 2.1 .1 平行平板的成像特性平行平板的成像特性 3 3. .2 2.2 .2 平行平板的等效光学系统平行平板的等效光学系统由两个相互平行的折射平面构成的光学元件（1）光线经平行平板后方向不变；（2）平板是个无光焦度元件，不会使物体放大或缩小，在系统中对光焦度无贡献；（3）光线经平行平板后，产生侧向位移T和轴向位移L:111cossin(1)cosITdInI11(1)tgILdtgI轴向位移L随入射角I1,（即孔径角U1）的不同而不同，即轴上点发出不同孔径角的光线经平板后与光轴的交点不同。平行平板不能成完善像。 见（图3-7）1、
5、近轴区细光束成像：轴向位移为：2、物理意义： 在近轴区，平行平板的轴向位移只与其厚度在近轴区，平行平板的轴向位移只与其厚度d d和折和折射率射率n n有关，与入射角无关。平行平板在近轴区以细光有关，与入射角无关。平行平板在近轴区以细光束成像是完善的。束成像是完善的。3、应用将平行平板简化为一个等效空气平板。（图3-8）(11/)ldn将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件。作用：转折光路，转像，倒像和扫描等。3 3. .3 3.1 .1 棱镜术语棱镜术语 3 3. .3 3.2 .2 反射棱镜的类型反射棱镜的类型3 3. .3 3. .3 3 棱镜系统的成像方向判断棱镜系统的成像方向判
6、断3 3. .3 3. .4 4 反射棱镜的等效作用与展开反射棱镜的等效作用与展开棱、光轴、入射面和出射面、主截面、光轴截面见（图3-9）一、简单棱镜：1、一次反射棱镜（图3-10） 在主截面内的坐标改变方向，垂直于主截面的坐标不改变方向，而OZ始终沿出射光轴方向。 周视扫描：（图3-11）2、二次反射棱镜（相当于一个双面镜） 其出射光线与入射光线的夹角取决于两反射面的夹角，像与物一致，不存在镜像。（图3-12）3、三次反射棱镜（图3-13）二、屋脊棱镜（图3-14） 光线以任意方向从地面入射，出射光线始终平行于入射光线。当棱镜绕其顶点旋转时，出射光线方向不变，仅产生一个位移。三、立方角锥棱镜
7、（图3-15）三、棱镜的组合（复合棱镜）1）分光棱镜：（图3-16）2）分色棱镜：（图3-17）3）转像棱镜：（图3-18）4）双像棱镜：（图3-19）判断原则：1、OZ坐标轴和光轴的出射方向一致；2、垂直于主截面的坐标轴OY视屋脊面的个数而定，如果有奇数个屋脊面，则其像坐标轴方向与物坐标轴OY方向相反；没有屋脊面或屋脊面个数为偶数，则其像坐标轴方向与物坐标轴方向一致；3、平行于主截面的坐标轴OX的方向视反射面个数（屋脊面算两个反射面）而定。如果物坐标系为右手坐标系，当反射面个数为偶数时，OX的方向按右手坐标系确定；而当反射面个数为奇数时，OX坐标轴方向按左手坐标系确定。1、等效作用与展开方法
8、：（图3-20） 棱镜的等效作用：平面镜+平行平板 在棱镜主截面内，按反射面的顺序，以反射面与主截面的交线为轴，依次使主截面翻转180，便可得到棱镜的等效平行平板。2、棱镜等效平板厚度L的计算： L=KD L=KD1）一次反射直角棱镜 L=D K=1 L=D K=12）二次反射棱镜（图3-21）3 3. .4 4.1 .1 折射棱镜的偏折折射棱镜的偏折3 3. .4 4.2 .2 光楔及其应用光楔及其应用3 3. .4 4. .3 3 棱镜色散棱镜色散折射棱镜：折射棱镜的棱、折射角、主截面 折射棱镜（图3-23）3、最小偏向角m及其应用：12121cos()2sinsin122cos()2II
9、nIIsinsin22mn1、偏向角的定义及符号规定：(见图）2、偏向角的计算：1、定义：折射角很小的棱镜（图3-24）2、偏向角公式：3、应用： 1）双光楔螺旋测微（图3-25） 2）双光移动旋测微（图3-26）(n1)1、色散：白光经棱镜后将分解成各种色光2、色散曲线：（图3-27）3、白光光谱：（图3-28）3 3. .5 5.1 .1 透射材料的光学性质透射材料的光学性质3.5.2 反射材料的光学特性总体要求：折射材料对工作波段有良好的透过率，反射元件对工作波段有很高的反射率。1、光学材料的分类：光学玻璃光学晶体光学塑料透射光波范围0.352.5m比宽与相当使用情况最常用制造工艺成熟品
10、种齐全日益广泛中低档仪器2、光学特性：光学折射率：nD平均色散：dn=nF-nC阿贝常数（平均色散系数）：=(nD-1)/(nF-nC)部分色散：n1-n2相对色散：(n1-n2)/(nF-nC)3、特定波长折射率的计算：哈特曼公式德国肖特玻璃厂色散公式镀银镀铝多层介质膜高反膜掌握平面镜成像原理，性质，旋转特性。掌握双面经成像特性。掌握平行平板的定义，成像特性，等效空气平板厚度（近轴区）。掌握反射棱镜的定义，作用，分类。掌握折射棱镜的偏向角计算，尤其是光楔的偏向角，掌握棱镜的色散定义，作用。掌握光学材料的种类。作业：作业：4 4，6 6，1313，1414镀银镀铝多层介质膜高反膜由反射定律及几
11、何关系易证明PAQPAQ，得AP=AP,AQ=AQ 同样可证明由A点出发的另一条光线AO经反射后，其反射光线的延长线交于A点。这表明，由A点发出的同心光束经平面镜反射后，变为以A为中心的同心光束。因此，A为物点A的完善像点。 同样可证明B为B的完善像点。 由于物体上每点都成完善像，所以整个物体也成完善像。 显然，实物成虚像，虚物成实像。由于对称性，使一个右手坐标系的物体变换成左手坐标系的像。推广：奇数次反射成镜像，偶数次反射成与物一致的像。当物体旋转时，其像反方向旋转相同的角度。 当入射光线方向不变而转动平面镜时，反射光线的方向将发生改变。 设平面镜转动角为，反射光线转动角为，由反射定律有:1
12、1()()2IIIIII 因此反射光线的方向改变了2在O1O2M中，有根据反射定律，有在O1O2N中，有 ，即所以有1122() ()IIII 122()II12II12II2 出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双面镜的夹角。 先经PQ反射，再经PR反射的连续一次像由物顺时针方向旋转2而形成。a）经PQ，PR成连续一次像 先经PR反射，再经PQ反射的连续一次像是由物逆时针方向旋转2而形成。b）经PR，PQ反射成连续一次像因为两折射面平行，则有：由折射定律，得：所以有：21II1122sinsinsinsinInInII12II21UU 空气层ABFE成为玻璃平板的等效空气平板，其厚
13、度为：/ddld n 工作面之间的交线称为棱镜的棱； 垂直于棱的平面叫主截面； 在光路中，所取主截面与光学系统的光轴重合，因此又叫光轴截面。 这两种棱镜的入射面和出射面都与光轴垂直，在反射面上的入射角大于临界角，发生全反射。 道威棱镜旋转90，y坐标由垂直纸面向外变为垂直纸面向里，这时的像相对于旋转前的像转了180。c）道威棱镜 如图所示的三次反射棱镜为斯密特棱镜，出射光线与入射光线的夹角为45，奇次反射成镜像。最大的特点是因为光线在棱镜中的光路很长，可以折叠光路，使一起结构紧凑。a）普通棱镜b）屋脊棱镜当立方角锥棱镜绕其顶点旋转时 出射方向不变，仅产生一个位移。 将一束光分成光强相等的两束光
14、，且在棱镜中的光程相等。 分色棱镜主要用于彩色电视摄像机中。 出射光轴与入射光轴平行，实现完全倒像，并能折叠很长的光路在棱镜中，可用于望远镜系统中实现倒像。a）普罗I型转向棱镜a）普罗II型转向棱镜 当物点A移向光轴O时,双像棱镜输出的两个像A1和A2重合在光轴O上。a）无镜时b）加平面镜 在其像方放一平面镜PQ，与光轴成45角。c）加棱镜 将平面镜PQ换成直角棱镜PQR。d）等效作用显然，L=2D，K=2a）二次反射直角棱镜b）道威棱镜22/ (211)LnDn22 /( 21 1)Knn c）五角棱镜(22)3.414LDD3.414Kd）等腰棱镜cot(/ 2)LDtgDcot(/ 2)
15、Ke）半五角棱镜(12 /2)1.707LDD1.707Kf）斯密特棱镜(12)2.414LDD2.414K 反射棱镜的反射面被屋脊面所代替，充满圆形口径的光束被PAQ“切掉”，因此必须加大棱镜的高度。g）屋脊棱镜可证：AE=BF=DG=CF=0.336D因此：L=EF=D+20.336D=1.372D在BCD中，有1122121212() () ( )FBDFDBIIIIIIIIIIsinsin22mn21II 21212121221121cos21sin21cos21sinsinsinsinsinIIIInIIIIInIInI212121cos21cos2sin21sinIIIIn2121212100IIIIdIddId2121IIII在BFD中，有经推导，得最小偏向角的表达式为：当 有限大时 ， 有当 很小时， 也很小则上式的余弦用1代替，则1I12II12II11cos1cosInI1I1I1na）主截面平行同向放置，产生偏向角最大。b）一光楔绕光轴转180，产生的偏向角为0。c）两光楔绕光轴相对转角。其中，为偏向角cos12n出射光线相对于入射光线在垂轴方向产生的平移为：y(1)znz 波长长的红光折射率低，波长短的紫光折射率高。
