应用光学讲课-4.ppt

Applied Optics 第四章 平面镜棱镜系统 本章主要解决的问题： 平面镜、棱镜系统的成像性质及特点 棱镜系统成像方向的判断 平面镜棱镜系统与共轴球面系统的配合 §4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用 共轴球面系统特点 §4-2 平面镜的成像性质 单平面镜旋转的应用 优点：扩大观察范围 §4-7 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法 目的 1.已知平面镜棱镜系统，判断其成像方向 表示平面镜棱镜系统的物像方向的方法 用一个直角坐标系表示物 确定成像方向的方法 x’方向确定 具有单一主截面的系统 没有屋脊面： z和z’方向相同 具有单一主截面的系统 没有屋脊面： 具有单一主截面的系统 具有两个互相垂直的主截面系统 例：要求设计一个由两个棱镜构成的平面镜棱镜系统，光轴有300mm的潜望高，同时要求系统光轴位于同一平面内，物和像相似并反向。 §4-8 棱镜转动定理 为了扩大仪器的观察范围，常常利用旋转平面镜和棱镜的方法来改变仪器的光轴方向。 第一步： 物空间绕 转-θ 棱镜不动 像空间绕 转(-1)n-1θ 第二步： 物空间绕 转θ 棱镜绕 转θ 像空间绕 转θ —————————————————————————————————————————————— 总结果： 物空间不动 棱镜绕 转θ 像空间首先绕 转(-1)n-1θ 然后绕 转θ 一、 在平行光路中工作的棱镜，绕垂直于棱镜主截面的z轴转动 二、 在平行光路中，入射和出射光轴平行的棱镜，绕入射光轴x转动 三、 出射和入射光轴垂直，棱镜绕入射光轴转动 例：如图，如果棱镜2、3一起绕O1O2转θ，然后棱镜3再按同一方向绕O4O3转θ，假设物平面的方向和入射光轴方向都不变，求出射光轴的方向和像的方向的变化。 ［例二］要求设计一棱镜系统，入射和出射光轴之间有300mm的潜望高，物方光轴0O1能在水平和垂直两方向上转动，出射光轴方向维持不变，物与像相似并反向(即物方光轴转动时，像不产生旋转)。 §4-9共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合 当棱镜的总反射次数n为偶数时 当棱镜的总反射次数n为奇数时 如果反射次数为偶数，像空间首先绕出射光轴统-θ，然后绕入射光轴转θ；如果反射次数为奇数，则像空间首先绕出射光轴转θ，然后再绕入射光轴转θ。 ① 确定成像方向。单一主截 面系统，没有屋脊面，z′与 z同向，光轴同向，总反射次 数为4次，偶数，y′与y也同向。 ② 棱镜2、3的入射光轴就是O1O2，出射光轴与入射光轴垂直，棱镜2、3一起绕O1O2转θ，也就是绕入射光轴转θ。根据前面的结论，棱镜2、3共反射三次，奇次反射，故像平面首先绕出射光轴x′转θ，然后出射光轴再绕O1O2转θ。 ③ 接着棱镜3再绕O4O3转θ，由于O4O3和棱镜3的入射光轴反向，相当于棱镜3绕它的入射光轴转-θ，此时入射光轴和出射光轴垂直，反射一次，故像平面将绕出射光轴转-θ，然后出射光轴再绕O4O3转θ。 综合起来，第一次绕O1O2转θ，第二次再绕O4O3转θ，因为O1O2和O4O3同向，相当于出射光轴绕O1O2转2θ，而像平面y′z′相对于出射光轴没有转动。此系统可改变光轴方向，而像保持不转 为了在水平面和垂直面内改变光轴的方向，可在光轴上端O1点的位置安置一个直角棱镜，使之绕水平和垂直轴转动。当棱镜绕经过O1点垂直于主截面的水平轴转动时，像的方向不会发生旋转。但当棱镜绕O1O2轴转动时，如果物平面相对主截面不动，像平面亦将随之转动。我们要求像平面不转，必须使像面产生个相反方向的转动。由于要求出射光轴的方向不变，系统下端使光轴改变90°的棱镜显然不能转动。这样就必须加入一个棱镜，利用它的旋转来补偿像平面的转动，而不使光轴的方向改变。 根据前面的规则，在光轴同向的情形，欲利用棱镜的旋转使像面转动，反射次数应为奇数。因此必须在系统中加入下列性能的棱镜： 0°-1; 0°-3; 0°-5 顶端的直角棱镜与转像棱镜的反射次数之和为偶数。系统要求物和像反向，并且整个系统的入射和出射光轴同向，因此下端反射棱镜在同一主截面内的反射次数应为奇数。故可采用一个90°-1的直角棱镜，但成“镜像”。为了使物和像相似，必须把上下两个棱镜中的一个反射面改为屋脊面(屋脊面不能加在转像棱镜上，因为这样会使转像棱镜的反射次数变为偶数，则棱镜转动时，像不转)。例如，将下端的直角棱镜用直角屋脊棱镜90°∧2代替 当棱镜1和2一起转动时，如果物空间坐标跟着转，即物相对棱镜主截面不动，像面将和棱镜同时转动。当棱镜