光学元件的成像特性

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光学元件的成像特性

球面光学元件包括球面透镜和球面反射镜。球面透镜是由两个折射球面或一个折射球面和一个平面所限定的透明体；球面反射镜则只包括一个反射球面，其共同特性是能够对任意位置的物体按设计倍率成像。

平面光学元件指工作面均为平面的光学零件，包括平面反射镜、平行平板、反射棱镜和折射棱镜等。其作用是改变光路方向，使倒像转换为正像，或产生用于光谱分析的色散现象。下面讨论这些光学元件的成像特性。

球面光学元件的成像特性

球面透镜

因为球面是最易加工，最便于大量生产和检验曲面，所以球面透镜已成为大多数光学系统中的基本成像元件。按照透镜对光纤的作用可以分为两大类：对光线起会聚作用的称为会聚透镜，光焦度为正值，又称正透镜；对光线起发散作用的称为发散透镜，光焦度为负值，又称负透镜。按照形状不同有可以分为凸透镜和凹透镜两类，其下又可以细分为双凸、平凸、月凸和双凹、平凹、月凹等。

需要注意的是，凸透镜不一定都是正透镜，凹透镜不一定都是负透镜。透镜的正负不仅与形状有关，还和透镜的厚度有关。

在空气介质中，单个透镜的焦距（或光焦度）和透镜的折射率、透镜表面的曲率半径以及透镜的厚度有关。

球面反射镜

球面反射镜有凸面镜（r>0）和凹面镜（r<0）两种。

平面光学元件的成像特性

平面反射镜

平面反射镜是唯一能够完善成像的光学元件。单个平面反射镜具有以下性质：

1.像与物对称于平面镜，物距与像距相等。

2.像与物大小相等，成“镜像”。

在光学系统中加入奇数个平面镜，则成“镜像”；在光学系统中加入偶数个平面镜，像与物完全一致。与共轴球面系统组合后，可改变光路方向，但不会改变像的大小和形状，也不影响像的清晰度。

平面镜还有一个重要的性质，当入射光方向不变，平面镜转动α角时，反射光线转动2α角。这个特性可以用来测量微小角度和位移。

 

平行平板

所谓平行平板，是由两个相互平行的折射平面构成的光学元件。

平行平板成像具有以下性质：

1.光线经过平行平板折射后方向不变。

2.平行平板不使物体放大或缩小。

3.光线经过平行平板后，虽然方向不变，但产生位移。

反射棱镜

将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上的光学元件称为反射棱镜，在光学系统中主要用于转折光路、转像、倒像和扫描等。光学系统的光轴在棱镜中的部分称为棱镜的光轴；光线射入棱镜的面称为入射面；光线射出棱镜的面称为出射面。入射面、出射面和反射面都是棱镜的工作面。工作面的交线称为棱镜的棱；与各个棱垂直的面称为棱镜的主截面。

反射棱镜种类繁多，形状各异，大体上可以分为简单棱镜、屋脊棱镜、立方角锥棱镜和复合棱镜四类。

折射棱镜

折射棱镜通过两个折射表面对光线的折射进行工作的，在光学系统中的作用有两种，一是用于偏折光束的方向，二是用以产生色散。两折射面的交线称为棱，两折射面的夹角称为折射棱镜的折射角，垂直于棱的面称为主截面。

当入射光线和出射光线对称于棱镜时，有最小偏向角。利用最小偏向角可以测量玻璃材料的折射率。

光楔是一种特殊的棱镜，折射角很小。可以近似的看成平行平板。当光线垂直或近似垂直射到光楔上时，产生的偏向角只与折射角和折射率有关。光楔在角度和位移测量中有十分重要的应用。

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