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1、工程光学工程光学郭郭 峰峰青岛理工大学青岛理工大学 机械工程学院机械工程学院Engineering OpticsChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012第四章第四章 平面、棱镜及光学材料平面、棱镜及光学材料 平面镜棱镜在光学系统中的作用平面镜棱镜在光学系统中的作用改变共轴系统的光轴方向（减少体积和减轻重量）改变共轴系统的光轴方向（减少体积和减轻重量）改变像的方向改变像的方向 利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率改变观察方向扩大仪器的观测范围改变观察方向扩
2、大仪器的观测范围实现分光、合像和微位移实现分光、合像和微位移Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012第四章第四章 平面、棱镜及光学材料平面、棱镜及光学材料 4.1 平面镜 4.2 平行平板 4.3 反射棱镜 4.4 折射棱镜 4.5 光学材料简介Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124.1 平面镜4.1.1 平面镜成像1 平面镜是唯一能成完善像的最简单的光学元件.2实物成虚像
3、, 虚物成实像.3 像与物完全对称于平面镜. Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124 平面镜反射, 右手坐标 -左手坐标 奇数反射, 右手坐标 -左手坐标, 镜像 偶数反射, 右手坐标 -右手坐标, 一致像Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124.1.2 平面镜旋转 当入射光线方向不变而转动平面镜一角度, 反射光线方向改变2 Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 En
4、gineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124.1.2 平面镜旋转 光学杠杆Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124.1.3 双平面镜成像 入射光线与出射光线的夹角和入射角无关,只取决于双面镜的夹角. Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20124.1.3 双平面镜成像双面镜折转光路，只需加工并调整好双面镜的夹角，而对双
5、面镜的安置精度要求不高，不像单个反射镜折转光路存在调整闲难。双面镜的连续一次像-物体绕棱边旋转2Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.2 平行平板 4.2.1 平行平板的成像特Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.2 平行平板 4.2.1 平行平板的成像特光线经平行平板后方向不变.平行平板的焦距为无穷大,无光焦度.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Eng
6、ineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 侧向位移及轴向位移的计算侧向位移T=DG轴向位移Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012轴向位移随入射角(即孔径角)的不同而不同，即轴上点发出不同孔径的光线经平板后与光轴的交点不向，亦即同心光束变成了非同心光束，因此，平行平板不能成完善像.像点距第二面的距离Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH
7、Spring 2012 4.2.2 平行平板等效光学系统平行平板在近轴区以细光束成像, 很小, 近轴区横向位移在近轴区，平行平板的轴向位移只与其厚度和折射率有关，与入射角无关.因此平行平板在近轴区以细光束成像是完善的。这时，不管物体位置如何，其像可认为是由物体移动一个轴向位移得到的。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.2.2 平行平板等效光学系统等效空气平板 在光路算时可以将平行玻璃平板简化为一个等效空气平板。如所示，人射光线经玻璃平板ABCD后出射光线平行于入射光线，过H点
8、作光轴的平行线交PA于G,过G作光轴的垂线EF, 将玻璃平板的出射面平面及出射光光路HA起沿光轴方向移动l ，则CD与EF重合，出射光线在G点与入射光线重合，A与A重合。这表明，光线经过玻璃平板的光路与无折射的通过空气层ABEF的光路完全一样。这个空气层就称为玻璃平板的等效空气平板，其厚度为Q 到到 A and A 之之 OPL？Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.2.2 平行平板等效光学系统 引入等效空气平板的作用在于，如果光学系统的会聚或发散光路中有平行平板，将其等效为空
9、气平板，对光学系统的外形尺寸计算将非常有利，只需计算出无平行平板时的像方位置，再沿轴向移动一个轴向位移，就得到有平行平板时的实际像面位置.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3 反射棱镜实现光路转折, 转像和扫描Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3 反射棱镜 光学系统的光轴在棱镜中的部分称为棱镜的光轴. 反射棱镜的工作面为两个折射面和若干个反射面，光线从个
10、折射面入射，从另一个折射而出射，因此，两个折射面分别称为入射面和射出面，大部分反射棱镜的入射面和出射面都与光轴垂直。 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。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3 反射棱镜BACAB+BC= =棱镜光轴长度棱镜光轴长度Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4
11、.3 反射棱镜主截面Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012FF 平行光经透镜成像时加一平行光经透镜成像时加一平面镜平面镜Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012AChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.1 一次反射棱镜1 等腰直角棱镜(Porro prism
12、)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.1 一次反射棱镜2 道威棱镜(Dove prism)入射面和出射面与光轴不垂直，出射光轴与入射光轴方向不变。道威棱镜的重要特性之一是，当其绕光轴旋转，当其绕光轴旋转 角时，反射像同方向旋转角时，反射像同方向旋转2 角角。周视瞄准仪, P44Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 道威棱镜(Dove prism)yozxyo
13、zxyozxyxozChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.2 二次反射棱镜 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.因为是偶次反射，像i物致，不存在镜像。1 五角棱镜(Penta prism)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.2 二次反射棱镜(2)斜方棱镜 (Rhomboid)Chapter 4 平面、棱镜及光
14、学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.2 二次反射棱镜(3) 直角棱镜(Porro)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.3 三次反射棱镜斯密特棱镜(Schmidt )Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.4 屋脊棱镜(Roof prism)屋脊棱镜屋脊棱镜: 把普通
15、棱镜的的一个反射面用两个互成直角的反射面来代把普通棱镜的的一个反射面用两个互成直角的反射面来代替替. 两直角面的交线为两直角面的交线为棱线棱线, 棱线平行于原反射面棱线平行于原反射面, 在主截面上在主截面上.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.4 屋脊棱镜(Roof prism) 在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，增加一次反射增加一次反射，使系统总的反射，使系统总的反射次数由次数由奇数变成偶数奇数变成偶数，从而达到，从
16、而达到物像相似物像相似的要求。的要求。x xy yz zx x y y z z x xy yz zxxyyz zChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.4 屋脊棱镜(Roof prism)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.4 屋脊棱镜(Roof prism)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. G
17、uo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.5 分光棱镜薄膜分光面, pellicle beamsplitter非完善成像虚像Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.6 棱镜成像方向判断(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，则其像坐标轴入向与物坐标轴方向相反；没有屋脊固或屋脊面个数为偶数，则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的方向视反射画个数(屋脊面算
18、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坐标釉按右手坐标系确定；而当反射面个数为奇数时 OX坐标轴依左手坐标系确定.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.7 反射棱镜的等效作用与展开反射棱镜在光学系统中等价为一块平行平板, 依次对反射面逐个作出整个棱镜被其所成的像,即可将棱镜展开为平板.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.3.
19、7 反射棱镜的等效作用与展开反射棱镜的结构常数KD : 棱镜的通光直径, L 光轴长度直角一次反射 Dove Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.4 折射棱镜折射棱镜是通过两个折射表面PB和PD对光线的折射进行工作的. 两折射面的角线称为折射棱，两折射面间的二面角称为折射棱镜的折射角.垂直于折射棱的平面称为折射棱镜的主截面。入射光和出射光的夹角为偏向角Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH
20、 Spring 20121 折射棱镜的偏向角计算Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20121 折射棱镜的偏向角计算光线经过折射棱镜折射后，产生的偏向角与、n和I有关.对于给定棱镜和n是一定的，所以偏向角只随光线的入射角I1而变化。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20121 折射棱镜的偏向角计算随I1变化的过程中有一极小值m,这个极小值称为折射棱镜的最小偏向角。Chapter 4
21、平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20121 折射棱镜的偏向角计算经推导,得这表明，光线的光路对称于折射棱镜时，偏向角取得最小值Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 光楔折射角很小的棱镜为光楔. 偏向角公式可简化.当I1为有限大小当I1很小当光线垂自入射或接近垂直入射时，所产生的偏向角仅由光楔的折射角和折射率决定。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics
22、Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 光楔折射角很小的棱镜为光楔. 偏向角公式可简化.当I1为有限大小当I1很小当光线垂自入射或接近垂直入射时，所产生的偏向角仅由光楔的折射角和折射率决定。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 光楔当两光楔同向放置, 光线偏向角最大当一个光楔绕光轴旋转180度, 偏角为零当两个光楔绕光轴相对旋转2, 偏角用途: 补偿光线偏差或小角度测量Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics
23、 Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20123 棱镜色散Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20123 棱镜色散Fraunhofer lines Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012Fraunhofer lines The lines were originally observed as dark features (absorption line
24、s) in the optical spectrum of the Sun.The English chemist William Hyde Wollaston was in 1802 the first person to note the appearance of a number of dark features in the solar spectrum. In 1814, Fraunhofer rediscovered the lines and began a systematic study and careful measurement of the wavelength o
25、f these features. In all, he mapped over 570 lines, and designated the principal features with the letters A through K, and weaker lines with other lettersIt was later discovered that each chemical element was associated with a set of spectral lines, and deduced that the dark lines in the solar spec
26、trum were caused by absorption by those elements in the upper layers of the Sun. Some of the observed features are also caused by absorption in oxygen molecules in the Earths atmosphere.Joseph von FraunhoferChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5 光学材料简介制造光学零件的
27、原材料包括:光学玻璃 无色光学玻璃 有色光学玻璃 特种光学玻璃 融石英 微晶玻璃光学晶体光学塑料Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.1 光学玻璃的成份与一般玻璃不同, 具有高度透明性，均匀性，化学稳定性，精确的光学常数.成份: 长期以来，各国对于本国所生产的各种牌号坡璃的成分和工艺是严格保密的。一般来讲主要以SiO2为主要成分,以氧化物为添加剂(硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡、铝等 ). 目前光学玻璃牌号已有数百种,由玻璃多组份的不同配比组成. 氧化物组成不同,玻璃结
28、构与性质不同.氧化铝氧化铝 : 能提高玻璃的化学稳定性和机械强度；氧化铅和氧化钡氧化铅和氧化钡: 可以增大玻璃的折射宰，但化学稳定性下降氧化钠氧化钠: 虽然玻璃的化学稳定性和机械性能变差，但它可以降低熔炼温度。氯化银氯化银: 变色玻璃 紫外光照: e+Ag+- Ag, 无紫外光照, Ag-e -Ag+Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.2 光学玻璃的性质各向同性各向同性 由于玻璃的均一化结构，使玻璃内部沿任何方向度量的物理性能(如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导电系
29、数等)是相同的。无熔点无熔点 玻璃态物质热膨胀系数热膨胀系数粘粘 度度机械性质机械性质Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.3 玻璃的光学性质1 折射特性 折射率n与色散系数 n和对应不同波长的单色光 单色光选自太阳光谱中的夫琅禾费(Fraunhofer )谱线.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.3 玻璃的光学性质平均折射率:平均色散:阿贝常数(平均
30、色散系数):D越大, 色散越低部分色散:相对色散:Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.4 无色光学玻璃无色光学玻璃按光学性质分为两类: 冕牌(Crown)和火石玻璃(Flint) ,用K和F表示Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012我国光学玻璃的品种及牌号Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qin
31、gdao TECH Spring 2012光学玻璃的色散K9玻璃, BK7(SCHOTT)Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012光学玻璃的色散Sellmier 色散方程色散方程Ohara各系数可由玻璃性能表查得.波长为微米Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012光学玻璃的nD-D分布图各类玻璃各占有一区域,为光学设计选择玻璃提供参考Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 E
32、ngineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012光学玻璃的nD-D分布图各类玻璃各占有一区域,为光学设计选择玻璃提供参考Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012光学玻璃的nD-D分布图各类玻璃各占有一区域,为光学设计选择玻璃提供参考OHARAChapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012关于光学玻璃的牌号六位数字表示光学玻璃的
33、光学特性前三位表示平均折射率小数点后的三位数,后三位表示阿倍常数K9玻璃 nD = 1.51630 D = 64.06 牌号: 516-641 新华光玻璃 BK7玻璃 nd = 1.51680 d = 64.17 牌号: 517-642 德国肖特 Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012关于光学玻璃的牌号六位数字表示光学玻璃的光学特性前三位表示平均折射率小数点后的三位数,后三位表示阿倍常数K9玻璃 nD = 1.51630 D = 64.06 牌号: 516-641 新华光玻璃 BK7
34、玻璃 nd = 1.51680 d = 64.17 牌号: 517-642 德国肖特 Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012光学玻璃的光损失当光通过光学玻璃时,光的损伤有三部分1 第一空气/玻璃界面的反射 2 玻璃对光的吸收3 第二空气/玻璃界面的反射Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20121 第一空气/玻璃界面的反射R1Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engine
35、ering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 玻璃对光的吸收玻璃对光的能量吸收与下列因素有关:玻璃材料的性质光程,与玻璃厚度有关光的波长一旦玻璃性质与波长确定, 则玻璃对光的透过率取决于玻璃几何尺寸.Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122 玻璃对光的吸收设玻璃厚度为hmm, 玻璃数据一般给出当玻璃厚度为s mm时的波长为时的光的透过率,记为:则厚度为hmm的玻璃对光的透过率3 第二空气/玻璃界面反射Chapter 4 平面、棱镜
36、及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012对光的总吸收Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2012 4.5.5 光学塑料 光学塑料指可用来代替光学玻璃的有机材料, 其具有一定的光学、机械、化学性能，用来制作各种光学零件。 加工方便，价格低廉。主要用于中、抵档光学仪器。1 光学塑料的组成及种类 光学塑料的主要成分：树脂，占总质量的40%50%，另 有增强剂，增塑剂，稳定剂等。 种类：热塑性塑料：反复加热再制造。 热
37、固性塑料：固化后不可再软化。Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20122光学塑料的主要特性优点比重小，在0.831.46, 玻璃在2.54.7; 耐冲击强度高, 是玻璃的几倍;透红外、紫外性能好，可见光区透射比接近冕牌玻璃，红外、紫外区高于光学玻璃。易成形，成本低。缺点p热膨胀系数大，吸湿性大，一般的热膨胀系数为光学玻璃10倍，吸湿后尺寸增大，变形，不能用于高精度光学。p硬度低，易划伤。p光学常数选择范围有限，折射率：1.471.6, 阿倍系数:3050.p耐腐蚀性差 Chapter 4 平面、棱镜及光学材料 Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 20123 常见光学塑料
