光学系统中的光能损失ppt课件

1、主讲：张建寰主讲：张建寰 副教授副教授单位：厦门大学物理与机电学院单位：厦门大学物理与机电学院 机电工程系机电工程系工程光学工程光学A-12A-12讲讲光学系统中光能损失计算光学系统中光能损失计算LOGO一、光学系统光能损失概述一、光学系统光能损失概述二、反射损失计算二、反射损失计算折射面损失计算公式折射面损失计算公式反射面损失计算公式反射面损失计算公式三、吸收损失计算三、吸收损失计算四、同时思索反射和吸收损失时的计算四、同时思索反射和吸收损失时的计算五、反射率与折射率、入射角的关系五、反射率与折射率、入射角的关系六、两种典型金属镀层的反射系数六、两种典型金属镀层的反射系数七、光能损失计算举例

2、七、光能损失计算举例v下面首先分析一下光学系统的光能损下面首先分析一下光学系统的光能损失和由它呵斥的影响。失和由它呵斥的影响。光学系统中的光能损失主要有：反射损失、光学系统中的光能损失主要有：反射损失、吸收损失、散射等，而所损失能量中大部分吸收损失、散射等，而所损失能量中大部分是由反射和吸收呵斥的。是由反射和吸收呵斥的。如下图一球面折射透镜如下图一球面折射透镜是入射光通量是入射光通量反射光通量反射光通量折射光通量折射光通量由此可见，呵斥折射透镜光能损失的由此可见，呵斥折射透镜光能损失的缘由有两个：缘由有两个：第一，光束在光学零件外表的反射；第一，光束在光学零件外表的反射；第二，光束经过介质时的

3、吸收。第二，光束经过介质时的吸收。 光能损失产生两个方面的主要负面光能损失产生两个方面的主要负面影响：影响：使光学系统成像光亮度降低。使光学系统成像光亮度降低。由于反射光再经过它前面的外表反射由于反射光再经过它前面的外表反射回到像平面上，使像平面构成一个回到像平面上，使像平面构成一个亮的背景，降低了像平面的对比，亮的背景，降低了像平面的对比，使像的明晰度下降。使像的明晰度下降。下面分别讨论光学系统中光能反射和吸下面分别讨论光学系统中光能反射和吸收损失的计算收损失的计算二、反射损失计算二、反射损失计算 反射系数：介质分界面上反射光通量和入射光通量之比，称为反射系数。 1、折射透镜介质界面反射损失

4、假定入射光通量为，折射光通量为，反射光通量为，根据能量守恒定律有： 根据反射系数定义有： 将该式代入对光学折射透镜的第一外表来说，有如下的关系式： )1 (11此时不思索吸收损失，那么从第一外表折射的光通量1，便是第二外表入射光通量2，即：因此对第二外表运用与第一个外表一样的分析方法有：)1(222)1 (112这样将二个折射面的反射光能损失合起来，从透镜最终出射的光通量为：)1)(1(212假设光学系统有K个折射面，那么从最后一个折射面出射的光通量为：)1()1)(1(21kkv由此得到只存在折射光学元件，只思索折射面的反射损失时的光学系统的透过率为：)1 ()1)(1 (21kk二、反射损

5、失计算 2、反射镜的光能损失对于光学系统中有反射镜时，此时反射的光能不是损失的光能，而是进入光学系统的有效能量。 假定入射光通量为，那么进入光学系统的有效光通量即反射光通量：二、反射损失计算 假设在光学系统中有m个反射镜反射系数一样，那么进入光学系统的有效光通量为：m假设在光学系统中有m个反射镜，那么对只需m个反射光学元件时的光学系统透过率为：m二、反射损失计算v这样光学系统中由折射面呵斥的反射损失和反射镜的光能损失综合思索，可以得到光学系统透过率为：mk)1 ()1)(1 (21反折三、光能的吸收损失计算光通量和经过的介质的厚度有关，随厚度添加而减少。如下图，我们在介质中取出一个无限小的簿层

6、dl,dlKd当光通量为的光经过厚度为dl的簿层时，光通量变化了d,显然该变化为负的。那么有下式1+d2l三、光能的吸收损失计算v将上式变为：Kdld仍以单折射透镜为例，透镜厚仍以单折射透镜为例，透镜厚度为度为l l，对上式两边分别积分，对上式两边分别积分，得：得：KleKllnlnln12v结果为：结果为：lKdld021三、光能的吸收损失计算v整理得：Kle12v令：KePv假设透镜资料的厚度l=1,那么：12Pv那么：lP12三、光能的吸收损失计算vP代表单位长度的介质出射光通量与入射光通量的比值，称为介质的透明系数。四、同时思索反射和吸收损失时的计算四、同时思索反射和吸收损失时的计算仍

7、以单折射透镜为例。假好像时思索反射损失和吸收，那么从第二外表出射的光通量为：)1 ()1 ()1 ()1 (2121222llPP该透镜的透过率为：该透镜的透过率为：)1 ()1 (212lP四、同时思索反射和吸收损失时的计算四、同时思索反射和吸收损失时的计算假设一个光学系统中有m个折射面、s种介质，n个反射元件，那么该光学系统的透过率：slsllnmPPP21212121)1 ()1)(1 (吸收反折不同的介质资料对光的反射率有不同的影响。以下图是不同折射率的介质的反射率。五、介质折射率及光线入射角对反射率的影响五、介质折射率及光线入射角对反射率的影响五、介质折射率及光线入射角对反射率的影响

8、五、介质折射率及光线入射角对反射率的影响同样在不同的入射光线入射时，同一资料的光学元件的反射率也不同。以下图是不同入射角时某资料光学元件的反射率。v反射镜普通是在玻璃资料的外表镀反射膜，以实现光反射的目的。对于具有金属镀层的反射镜,所产生光能损失是由于一部分被反射层吸收和散射。光能损失的大小随所镀物质的种类和工艺方法而不同。不同反射膜层的反射系数和机械物理性能可以在中查到。目前最常用的真空镀铝后氧化加固或化学镀银后镀铜，再加维护漆。六、两种典型反射镀层的反射镜六、两种典型反射镀层的反射镜镀铝反射镜用于光学零件外外表反射，镀银反射镜用于光学零件内外表反射。镀铝的平均反射系数为0.85，镀银的平均

9、反射系数为0.9。光学玻璃的透明系数P通常取平均值0.99。冕牌玻璃、火石玻璃与空气接触的折射面的反射系数分别为0.95,0.96。将这些数据代入透过率公式，得到计算光学系统透过系数的公式如下：六、两种典型反射镀层的反射镜六、两种典型反射镀层的反射镜lNNNN99. 096. 095. 090. 085. 04321N1镀铝面数；N2镀银面数；N3冕牌玻璃和空气接触面数；N4火石牌玻璃和空气接触面数；l 沿光轴计算的玻璃总厚度(以厘米为单位)。七、例题以第五章中的周视望远镜光学系统为例，研讨光学系统的光能损失,如下图。零件号零件号称号称号资料资料透镜厚度或棱透镜厚度或棱镜展开厚度镜展开厚度与空

10、气接与空气接触外表数触外表数镀银外表数镀银外表数1维护玻璃维护玻璃冕冕0.322直角棱镜直角棱镜冕冕2.6213道威棱镜道威棱镜冕冕5.2824物镜正透镜物镜正透镜冕冕0.351物镜负透镜物镜负透镜火石火石0.215屋脊棱镜屋脊棱镜冕冕2.926分划板分划板冕冕0.327目镜第一透镜目镜第一透镜火石火石0.11目镜第二透镜目镜第二透镜冕冕0.521目镜第三透镜目镜第三透镜冕冕0.521目镜第四透镜目镜第四透镜火石火石0.11由表中看到，镀银面1个，冕牌玻璃与空气接触外表13个，火石玻璃与空气接触外表3 个，光学系统中介质总厚度为13.17cm。将以上数据代入反射系数公式得：39. 099. 0)96. 0()95. 0()90. 0(17.133131由计算结果可见，复杂的光学系统中光能损失是非常严重的，而呵斥光能损失的主要缘由那么是反射损失。为了减少光学零件外表的反射损失，可以在光学零件外表镀增透膜。不同的增透膜的反射系数