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第四章第四章 光学元器件光学元器件4.1 4.1 光学玻璃光学玻璃 一、无色光学玻璃种一、无色光学玻璃种类 我国无色光学玻璃的牌号我国无色光学玻璃的牌号 能否属于生能否属于生态玻璃玻璃 玻璃玻璃类型型 玻璃玻璃型号型号 无色光学玻璃的数字代号无色光学玻璃的数字代号 A A，，B B，，C C的数的数值由玻璃的折射率由玻璃的折射率ndnd及阿及阿贝数数νd νd 构成：其中构成：其中A A为折射率〔折射率〔ndnd〕〕减减1 1后的个位数；后的个位数；B B为折射率〔折射率〔ndnd〕小数点后的三位〕小数点后的三位数；数；C C为是阿是阿贝数〔数〔νdνd〕〕的前三位数的前三位数表表4-14-1无色光学玻璃类型及称号表无色光学玻璃类型及称号表 表表4-2 4-2 新种类光学玻璃新种类光学玻璃 二、无色光学玻璃的光学性能二、无色光学玻璃的光学性能 无机光学玻璃的折射率与光波无机光学玻璃的折射率与光波长之之间有以下有以下阅历关系：关系： nλ nλ是波是波长为λλ的折射率，的折射率，A0A0～～A5A5是是计算算折射率的常数折射率的常数 色散系数也称色散系数也称为阿阿贝数数νd νd nd nd 是玻璃是玻璃对氦黄光折射率〔氦黄光折射率〔d d线波波长587.6nm587.6nm〕；〕；nF nF 是是对紫光折射率〔紫光折射率〔F F线波波长486.1 nm486.1 nm〕；〕；nC nC 是是对红光折射率〔光折射率〔C C线波波长656.3 nm656.3 nm〕，其中〕，其中nF nF ～～ nC nC称称为中部色散，也是中部色散，也是产品的等品的等级考核目的。

考核目的表表4-3 4-3 无色玻璃的光学常数表无色玻璃的光学常数表 三、无色光学玻璃质量目的三、无色光学玻璃质量目的折射率、色散系数折射率、色散系数 光学均匀性光学均匀性 应力双折射应力双折射 条纹度条纹度 气泡度气泡度 光吸收系数光吸收系数 四、四、 有色光学玻璃有色光学玻璃 五、光学石英玻璃 石英玻璃是SiO2单一组分玻璃，由水晶、脉石英或合成硅化物〔如：SiCl4〕原料经高温熔化或化学气相堆积〔CVD〕而成石英玻璃的物理、化学特性是：高纯度、化学稳定、光谱透射宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电绝缘等掺入少量杂质元素的石英玻璃，可获得特殊性能，如：超低膨胀石英玻璃、荧光石英玻璃、颜色石英玻璃等 表4-11 光学石英玻璃的牌号与称号 光学石英玻璃的光谱透射曲线光学石英玻璃的光谱透射曲线  六、透红外玻璃六、透红外玻璃 表表4-15 4-15 一些透红外玻璃的主要性能一些透红外玻璃的主要性能 七、透紫外玻璃七、透紫外玻璃 表表4-16 4-16 一些透紫外光学玻璃组成及运用一些透紫外光学玻璃组成及运用 附附附附 4.2 4.2 透镜元器件透镜元器件 1 1 正透镜和负透镜正透镜和负透镜 2 2 柱面透镜柱面透镜 凡由两个母线相互平行的柱面，一个柱面和一个平面凡由两个母线相互平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。

或一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜 当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线方向一致的直线线方向一致的直线  3 3 放大放大镜 普通眼睛于明普通眼睛于明视间隔隔250250毫米毫米处看物，那么可得看物，那么可得M = M = 250 / f ′ 250 / f ′ 4 4 目目镜 在目在目视光学光学仪器中用于察看物体被物器中用于察看物体被物镜所成像的透所成像的透镜组称称为目目镜 设目目镜的焦距的焦距为fe′fe′，那么放大率，那么放大率为Me = 250 / fe′ Me = 250 / fe′  5 5 物物镜 (1) (1)显微微镜物物镜 显微微镜物物镜为到到达达高高的的分分辨辨身身手手，，必必需需有有尽尽能能够大大的的数数值孔孔径径，，显微微镜的的总放放大大率率M M是是物物镜垂垂轴放放大大率率ββ〔〔简称称物物镜倍倍率率〕〕和和目目镜放大率放大率MeMe的乘的乘积，它与物，它与物镜的数的数值孔径之孔径之间应有恰当的比例关系。

有恰当的比例关系 (2) (2) 望望远镜物物镜望望远镜物物镜是是望望远镜系系统中中把把无无限限远物物体体成成像像于于其其焦焦平平面面上上的的一一个个透透镜组在在无无透透镜转像像系系统的的简单望望远镜中中，，物物镜的的这一一像像面面与与目目镜的物方焦平面重合，眼睛的物方焦平面重合，眼睛经过目目镜察看察看这一物体的中一物体的中间像4.3 4.3 反射元器件反射元器件 1 1 平面反射平面反射镜 平面平面镜的主要性的主要性质 ① ①对实物成虚像，物和像物成虚像，物和像对称于反射面称于反射面 ② ②以坐以坐标系系x x，，y y，，z z表示表示实物，它被物，它被镜所成的虚像所成的虚像为x′,y′,z′x′,y′,z′，将，将x′, x′, y′,z′ y′,z′整体平移或旋整体平移或旋转都不能使其各都不能使其各轴与与x x，，y y，，z z的的对应轴同同时重合，重合， 因此称因此称x′,y′,z′x′,y′,z′为x x，，y y，，z z的的镜像像 ③ ③坚持入射光持入射光线方向不方向不变，假，假设平面平面镜偏偏转θθ角．反角．反射光射光线方向偏方向偏转2θ2θ角角  平面反射镜组平面反射镜组 二维平面二维平面 三维立体三维立体 球面反射镜球面反射镜 球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜。

球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜 设球面曲率半径为设球面曲率半径为R R，那么球面镜的焦距为只，那么球面镜的焦距为只R R／／2 2，这一数值与光的波长，这一数值与光的波长 无关，也就是说球面镜不产生色差无关，也就是说球面镜不产生色差  分束元件分束元件  4.4 4.4 其他元器件其他元器件 1 1 光楔光楔 偏向角偏向角σ= α(n - 1) σ= α(n - 1) 当光当光线垂直或近于垂直射人光楔垂直或近于垂直射人光楔时( (如如图4-15b4-15b所示所示) )，光，光楔所楔所产生的生的 偏向角偏向角仅取决于的光楔的楔角和折射率取决于的光楔的楔角和折射率  2 2 干涉干涉滤光片光片 能能从从延延续光光谱中中滤出出所所需需波波长范范围的的光光的的器器件件称称为滤光光片 利用光的干涉原理制成的利用光的干涉原理制成的滤光片那么称干涉光片那么称干涉滤光片。

光片 透透过的的光光谱范范围可可以以恣恣意意选定定，，光光谱宽度度从从 几几十十 nm nm 到到 0.1 nm0.1 nm 滤光片按构造可分光片按构造可分为：： 法布里法布里——珀珀罗型型滤光片光片 ---- ---- 干涉干涉滤光片光片 通通带外形呈尖外形呈尖头型型 多腔多腔滤光片光片 ---- ---- 矩形矩形滤光片光片 通通带外形呈矩型外形呈矩型 诱增增透透滤光光片片 ---- ---- 在在金金属属膜膜两两边匹匹配配以以适适当当的的电介介质膜系膜系 干涉干涉滤光片的光学性能目的：光片的光学性能目的： 中心波中心波长位置、位置、 通通带半半宽度、度、 透透过率率 3 3 偏振片偏振片 可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片(polarizer)(polarizer)。

偏偏振振片片由由二二向向色色性性资资料料制制成成. . 当当光光波波经经过过偏偏振振片片时时, , 其其中中正正交偏振分量之交偏振分量之 一一被被偏偏振振片片剧剧烈烈吸吸收收, , 而而对对另另一一分分量量那那么么吸吸收收较较弱弱, , 因因此此可可以以用用偏振片将自然光偏振片将自然光 转转换换为为线线偏偏振振光光. . 和和偏偏振振棱棱镜镜相相比比, , 它它允允许许入入射射角角大大, , 且且可可以以制制成较大孔径成较大孔径. . 由于偏振片对能量选择吸收由于偏振片对能量选择吸收, , 因此它不能运用在大功率场所因此它不能运用在大功率场所  人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状构造的聚乙烯醇高人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状构造的聚乙烯醇高 分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液复原稳定后，分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液复原稳定后， 再把它定向拉伸再把它定向拉伸 4-5 4-5 倍，使大分子定向陈列即经拉伸后，使高分子资料由倍，使大分子定向陈列。

即经拉伸后，使高分子资料由 网状构造变成线状构造，碘分子那么整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检网状构造变成线状构造，碘分子那么整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检偏偏 性能，这种偏振片称为性能，这种偏振片称为 H -- H -- 偏振片偏振高，可达偏振片偏振高，可达 99.5 99.5 ％，适用于整个可％，适用于整个可 见光范围其运用范围广；缺陷是强度差，不能受潮，易退偏振等见光范围其运用范围广；缺陷是强度差，不能受潮，易退偏振等 图中小朋友手中拿着一块方形偏振片，图中小朋友手中拿着一块方形偏振片， 右上方还有一块偏振片，它们的透光方向右上方还有一块偏振片，它们的透光方向 相互垂直，两个偏振片重叠在一同的部分，相互垂直，两个偏振片重叠在一同的部分， 透射光最弱透射光最弱 偏振棱镜：偏振棱镜： 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射景象制成的一种偏振仪尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射景象制成的一种偏振仪 器取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上器。

取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上 的角度为的角度为6868度将晶体沿着垂直于主截面及两端面的度将晶体沿着垂直于主截面及两端面的ANAN切开，再用加拿大树胶切开，再用加拿大树胶 粘合起来粘合起来 渥拉斯顿〔渥拉斯顿〔Wollaston)Wollaston)棱镜棱镜 它由两个方解石直角棱镜组成两棱镜的光轴相互垂直它由两个方解石直角棱镜组成两棱镜的光轴相互垂直 自然光垂直入自然光垂直入 射到射到ABAB面上，面上，o o 光和光和e e 光以不同的速度沿同一方向传播当它们进入第二棱光以不同的速度沿同一方向传播当它们进入第二棱 镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于no > ne no > ne ，所以，所以 e2 e2远离法远离法线，线， o2 o2接近法线，两束光在第二棱镜中分开接近法线，两束光在第二棱镜中分开 4.5 4.5 光光调制器制器 在在检测技技术中需求光中需求光调制的制的缘由是：由是： (1) (1)在光在光电检测中中经常有自然光或其他常有自然光或其他杂散光与散光与检测的光信号的光信号混合在一同，混合在一同， 使它使它们成成为干干扰和噪声的来源。

和噪声的来源为了使有用的光信号与它了使有用的光信号与它们区区别开来，开来， 光信号光信号应以某一以某一频率率变化 (2) (2)各种光各种光电器件由于温度、暗器件由于温度、暗发射或外加射或外加电场的作用，当无的作用，当无外界光信号外界光信号 作用作用时，在其任，在其任务回路中都会有暗回路中都会有暗电流流产生，它是噪声源生，它是噪声源之之——假设采采 用用调制制检测那么可消除探那么可消除探测器暗器暗电流的影响流的影响 (3) (3)与直流放大器相比，交流放大器的与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，定性高，零点漂移小，受受电源源电 压动摇、温度、老化的影响、温度、老化的影响较小假设与光信号的与光信号的调制特制特性相匹配，性相匹配， 采用采用选频放大或放大或锁相放大等技相放大等技术方案，又可有效地抑制噪方案，又可有效地抑制噪声，从而声，从而实 现高精度的高精度的检测 一、光强度调制一、光强度调制 1 1 调制盘调制盘 调制盘调制盘 调制线光源调制线光源 2 2 利用电磁感应的机械调制利用电磁感应的机械调制 3 3 受抑全反射调制器受抑全反射调制器 4 4 挪动光轴的调制器挪动光轴的调制器二、光相位调制二、光相位调制 光相位调制应包括两部分：光相位调制应包括两部分： 一是产生光波相位变化的物理机理；一是产生光波相位变化的物理机理； 二是光的干涉。

二是光的干涉 1 1 利用干涉景象实现光相位调制利用干涉景象实现光相位调制 2 2 利用声光效应的光相位调制利用声光效应的光相位调制。