光学黑箱问题

　　　　　　　　　　　　　

光学黑箱问题通常是已知黑箱外人射光线和出射光线的方向（二者方向不同或有侧向位移），来确定箱内光学元件的性质及组合方式光线在黑箱内传播方向发生了变化．在光线偏折处正是光学元件所在的位置一般是将人射光线和出射光线在箱内适当延长使其相交，若适当延长不能相交，则可另用直线在箱内对称地将它们连接起来，再根据光线方向的变化规律确定光学元件的性质以及组合方式.

　 如图16一46所示各图，单色平行光从左方射人匣内，试画出每个匣子应放何元件才会显出如下结果.出射光线的单双箭头分别对应光线的两个边界.　　　　

　 根据反射 折射规律以及各光学元件对光线的作用特点我们把以上各例分为以下各种类型： l 会聚型与发散型 其中囹（1）、（2）属于这种类型 由 图 (1）可知入射与出射光线的上下位置倒置 一定是入射光线经会聚光学元件在匣内会聚，即经元件上半部分和下半部分的人射光线 被会聚后发生交叉 才使得出射光线与人射光线对应位置对调.因此图（1）中放的是凸透镜,光路见图16—47；图（2）中出射光线与人射光线上下对应位置不变，人射光线在匣子中经光学元件发散，里面放的是凹透镜，光路见图16—48

　 2.变束型 图（3）、（4）属于这种类型 图（3）单 双箭头光线上下对应位置未变，光线在匣子中没有交叉 但由于出射光线范围变大了 ,总效果应属于发散型. 又由于出射光线是平行光，一定是光线先经凹透镜发散，再经凸透镜会聚成平行光 光路如图16—49.从图（4）可知光线在匣子中交叉，光具组相当于一个会聚光学元件，匣子中只能两个都是凸透镜，否则均不能使出射光线是平行光光路,见图16－50所示. 由图16—49 ,16—50可知，此装置可以改变光束的范围大小，故称为变束器 3侧移型 图（5）、（6）就属于此种类型，图（5）、（6）出射光线与人射光线上下对应关系未变，且出射光线都是平行光,但它们是有区别时图（5） 的出射光线平行于原人射的光线方向，并发生侧移 .而图（6）的出射光线显然下偏了，偏向角δ如图所示 故（5）、（6）中分别是平行玻璃砖与三棱镜，光路图见图16－51、16-52.

　 4.反射型 图（7）、（8） 属于反射型 .图（7）、（8） 出射光线与人射光线在匣子同侧或非右侧 此情况一定是光线经光学元件反射（包括全反射）而形成的，由于人射点与反射点是同一点.故我们可以先反向延长人射光线与反射光线，让其交于一点，如囹中的a,e、f点 图（7）延长后我们容易知道光线是发散的 内部元件是凸面镜而图（8）光线是会聚的 内部元件是凹面镜.图（9）光线偏折90⁰，内部放 的是全反射棱镜或成 45⁰放置的平面镜光路分别如图16-53的（a）、（b）、（c）、（d）.

　 一个比较复杂的光学黑箱问题，都可以根据人射光束与出射光束的特点归结为上述四种基本类型或几种基本类型的组合 .我们首先根据题意确定题型，再考虑可能是什么光学元件及怎样的组合方式．再复杂的问题都可以迎刃而解请看下述两例 　 例1 如图16—54所示，人射到方框的光束是发散的，而出射光线是平行光束，试选用光学元件达到图示改变光路的效果，请在方框内画出光学元件及光路图 　 分析与解 根据图16一54所示光路结构，首先考虑属反射型 因为出的的光线与人射光线位于同侧，这由平面镜或全反射棱镜来完成．再根据光束的变化又属会聚型，这可能是凸透镜作用的结果，根据以上分析知：首先凸透镜将发散光束变为平行光束 平行光束再通过全反射棱镜或互成90⁰的平面镜而偏转180⁰出射，图16—55给出的是其中一组解. 　 例2 如图16—56所示，单色平行光束从方框右恻射人。而变为更疏散的光束从方框上方射出 试选择适的光学元件，达到图示效果．在方框内画出所用的光学元件和光路图. 　 分析与解 根据图16一56所示光路的变化情况，首先根据出射光线偏转90”属反射型，再由平行光束变宽又属扩来型 扩束型则是共轴同焦点的透镜组合而成，又因为扩束后边缘光线的位置未变 透镜的组合应是先回透镜发散再经凸透镜变为平行光束，扩束后的平行光束经平面镜或全反射棱镜射出 如图16—57所示是符合题意的一解.