光學系統(tǒng)中的光能損失.ppt

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主講 張建寰副教授單位 廈門大學物理與機電學院機電工程系 工程光學A 12講光學系統(tǒng)中光能損失計算 一 光學系統(tǒng)光能損失概述二 反射損失計算折射面損失計算公式反射面損失計算公式三 吸收損失計算四 同時考慮反射和吸收損失時的計算五 反射率與折射率 入射角的關(guān)系六 兩種典型金屬鍍層的反射系數(shù)七 光能損失計算舉例 本節(jié)主要內(nèi)容 任何實際光學系統(tǒng)都不可能完全透明 從系統(tǒng)射出的光通量 永遠比進入系統(tǒng)的光通量 要少 即系統(tǒng)的透過率 永遠小于1 為了求出光學系統(tǒng)成像的實際光亮度和光照度 必須求出 的數(shù)值 一 光學系統(tǒng)中光能損失概述 下面首先分析一下光學系統(tǒng)的光能損失和由它造成的影響 光學系統(tǒng)中的光能損失主要有 反射損失 吸收損失 散射等 而所損失能量中大部分是由反射和吸收造成的 一 光學系統(tǒng)中光能損失概述 如圖所示一球面折射透鏡 是入射光通量 反射光通量 折射光通量 由此可見 造成折射透鏡光能損失的原因有兩個 第一 光束在光學零件表面的反射 第二 光束通過介質(zhì)時的吸收 一 光學系統(tǒng)中光能損失概述 光能損失產(chǎn)生兩個方面的主要負面影響 使光學系統(tǒng)成像光亮度降低 由于反射光再經(jīng)過它前面的表面反射回到像平面上 使像平面形成一個亮的背景 降低了像平面的對比 使像的清晰度下降 一 光學系統(tǒng)中光能損失概述 下面分別討論光學系統(tǒng)中光能反射和吸收損失的計算 二 反射損失計算 反射系數(shù) 介質(zhì)分界面上反射光通量和入射光通量之比 稱為反射系數(shù) 1 折射透鏡介質(zhì)界面反射損失假定入射光通量為 折射光通量為 反射光通量為 根據(jù)能量守恒定律有 根據(jù)反射系數(shù)定義有 將該式代入對光學折射透鏡的第一表面來說 有如下的關(guān)系式 二 反射損失計算 此時不考慮吸收損失 則從第一表面折射的光通量 1 便是第二表面入射光通量 2 即 因此對第二表面應(yīng)用與第一個表面相同的分析方法有 二 反射損失計算 這樣將二個折射面的反射光能損失合起來 從透鏡最終出射的光通量為 如果光學系統(tǒng)有K個折射面 則從最后一個折射面出射的光通量為 由此得到只存在折射光學元件 只考慮折射面的反射損失時的光學系統(tǒng)的透過率為 二 反射損失計算 2 反射鏡的光能損失對于光學系統(tǒng)中有反射鏡時 此時反射的光能不是損失的光能 而是進入光學系統(tǒng)的有效能量 假定入射光通量為 則進入光學系統(tǒng)的有效光通量即反射光通量 二 反射損失計算 如果在光學系統(tǒng)中有m個反射鏡 反射系數(shù)相同 則進入光學系統(tǒng)的有效光通量為 如果在光學系統(tǒng)中有m個反射鏡 則對只有m個反射光學元件時的光學系統(tǒng)透過率為 二 反射損失計算 這樣光學系統(tǒng)中由折射面造成的反射損失和反射鏡的光能損失綜合考慮 可以得到光學系統(tǒng)透過率為 三 光能的吸收損失計算 光通量和通過的介質(zhì)的厚度有關(guān) 隨厚度增加而減少 如圖所示 我們在介質(zhì)中取出一個無限小的簿層dl 當光通量為 的光通過厚度為dl的簿層時 光通量變化了d 顯然該變化為負的 則有下式 三 光能的吸收損失計算 將上式變?yōu)?仍以單折射透鏡為例 透鏡厚度為l 對上式兩邊分別積分 得 結(jié)果為 三 光能的吸收損失計算 整理得 令 如果透鏡材料的厚度l 1 則 則 三 光能的吸收損失計算 P 代表單位長度的介質(zhì)出射光通量與入射光通量的比值 稱為介質(zhì)的透明系數(shù) 四 同時考慮反射和吸收損失時的計算 仍以單折射透鏡為例 如果同時考慮反射損失和吸收 則從第二表面出射的光通量為 該透鏡的透過率為 四 同時考慮反射和吸收損失時的計算 如果一個光學系統(tǒng)中有m個折射面 s種介質(zhì) n個反射元件 則該光學系統(tǒng)的透過率 不同的介質(zhì)材料對光的反射率有不同的影響 下圖是不同折射率的介質(zhì)的反射率 五 介質(zhì)折射率及光線入射角對反射率的影響 五 介質(zhì)折射率及光線入射角對反射率的影響 同樣在不同的入射光線入射時 同一材料的光學元件的反射率也不同 下圖是不同入射角時某材料光學元件的反射率 反射鏡一般是在玻璃材料的表面鍍反射膜 以實現(xiàn)光反射的目的 對于具有金屬鍍層的反射鏡 所產(chǎn)生光能損失是由于一部分被反射層吸收和散射 光能損失的大小隨所鍍物質(zhì)的種類和工藝方法而不同 不同反射膜層的反射系數(shù)和機械物理性能可以在 光學儀器設(shè)計手冊 中查到 目前最常用的真空鍍鋁后氧化加固或化學鍍銀后鍍銅 再加保護漆 六 兩種典型反射鍍層的反射鏡 鍍鋁反射鏡用于光學零件外表面反射 鍍銀反射鏡用于光學零件內(nèi)表面反射 鍍鋁的平均反射系數(shù)為0 85 鍍銀的平均反射系數(shù)為0 9 光學玻璃的透明系數(shù)P通常取平均值0 99 冕牌玻璃 火石玻璃與空氣接觸的折射面的反射系數(shù)分別為0 95 0 96 將這些數(shù)據(jù)代入透過率公式 得到計算光學系統(tǒng)透過系數(shù) 的公式如下 六 兩種典型反射鍍層的反射鏡 N1 鍍鋁面數(shù) N2 鍍銀面數(shù) N3 冕牌玻璃和空氣接觸面數(shù) N4 火石牌玻璃和空氣接觸面數(shù) l 沿光軸計算的玻璃總厚度 以厘米為單位 七 例題 以第五章中的周視望遠鏡光學系統(tǒng)為例 研究光學系統(tǒng)的光能損失 如圖所示 由表中看到 鍍銀面1個 冕牌玻璃與空氣接觸表面13個 火石玻璃與空氣接觸表面3個 光學系統(tǒng)中介質(zhì)總厚度為13 17cm 將以上數(shù)據(jù)代入反射系數(shù)公式得 由計算結(jié)果可見 復(fù)雜的光學系統(tǒng)中光能損失是十分嚴重的 而造成光能損失的主要原因則是反射損失 為了減少光學零件表面的反射損失 可以在光學零件表面鍍增透膜 不同的增透膜的反射系數(shù)同樣可以在 光學儀器設(shè)計手冊 中查得 最常用的化學鍍雙層增透膜使反射損失降到0 01 目前 鍍多層增透膜可以使反射系數(shù)降低到0 5 如果所有透鏡表面的反射損失系數(shù)都按0 01計算 則前例的透過率計算公式為 作業(yè) 第六章習題 第4題