国家计划实施细则说明厦门大学实用教案

1、第1页/共30页第一页，共31页。下面首先(shuxin)分析一下光学系统的光能损失和由它造成的影响。第2页/共30页第二页，共31页。光学系统中的光能损失主要有：反射光学系统中的光能损失主要有：反射(fnsh)(fnsh)损失、吸收损失、散射等，而所损失能量中大损失、吸收损失、散射等，而所损失能量中大部分是由反射部分是由反射(fnsh)(fnsh)和吸收造成的。和吸收造成的。如图所示一球面折射如图所示一球面折射(zhsh)(zhsh)透镜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折射(zhsh)(zhsh)光通光通量量第3页/共30页第三页，共31页。由此可见，造成由此可见，造成(

2、zo chn)(zo chn)折射透镜折射透镜光能损失的原因有两个：光能损失的原因有两个：第一，光束在光学零件表面的反射；第一，光束在光学零件表面的反射；第二，光束通过介质时的吸收。第二，光束通过介质时的吸收。第4页/共30页第四页，共31页。 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表面反射由于反射光再经过它前面的表面反射回到像平面回到像平面(pngmin)(pngmin)上，使像平上，使像平面面(pngmin)(pngmin)形成一个亮的背景，形成一个亮的背景，降低了像平面降低了像平

3、面(pngmin)(pngmin)的对比，的对比，使像的清晰度下降。使像的清晰度下降。下面分别讨论光学系统中光能反射和吸收下面分别讨论光学系统中光能反射和吸收损失损失(snsh)的计算的计算第5页/共30页第五页，共31页。二、反射损失二、反射损失(snsh)(snsh)计算计算 反射系数：介质(jizh)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假定(jidng)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： 第6页/共30页第六页，共31页。根据反射系数定义有： 将该式代入对光学折射透镜的第一表面(biomin)来说，有如下的关系式：

4、二、反射(fnsh)损失计算 )1 (11第7页/共30页第七页，共31页。此时不考虑吸收损失，则从第一表面(biomin)折射的光通量1，便是第二表面(biomin)入射光通量2，即：因此对第二表面(biomin)应用与第一个表面(biomin)相同的分析方法有：二、反射损失二、反射损失(snsh)(snsh)计算计算 )1(222)1 (112第8页/共30页第八页，共31页。这样将二个折射面的反射光能损失合起来(q li)，从透镜最终出射的光通量为：)1)(1(212如果光学系统有K个折射面，则从最后(zuhu)一个折射面出射的光通量为：)1()1)(1(21kk第9页/共30页第九页，

5、共31页。由此得到只存在折射光学元件(yunjin)，只考虑折射面的反射损失时的光学系统的透过率为：)1 ()1)(1 (21kk第10页/共30页第十页，共31页。二、反射二、反射(fnsh)(fnsh)损失计算损失计算 2、反射(fnsh)镜的光能损失对于光学系统中有反射(fnsh)镜时，此时反射(fnsh)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，则进入光学系统的有效(yuxio)光通量即反射光通量：第11页/共30页第十一页，共31页。二、反射损失二、反射损失(snsh)(snsh)计算计算 如果(rgu)在光学系统中有m个反射镜（反射系数相同），则进入光学

6、系统的有效光通量为：m如果在光学(gungxu)系统中有m个反射镜，则对只有m个反射光学(gungxu)元件时的光学(gungxu)系统透过率为：m第12页/共30页第十二页，共31页。二、反射损失二、反射损失(snsh)(snsh)计计算算这样光学系统中由折射(zhsh)面造成的反射损失和反射镜的光能损失综合考虑，可以得到光学系统透过率为：mk)1 ()1)(1 (21反折第13页/共30页第十三页，共31页。三、光能三、光能(gungnng)(gungnng)的吸的吸收损失计算收损失计算光通量和通过的介质的厚度(hud)有关，随厚度(hud)增加而减少。如图所示，我们在介质中取出一个无限小

7、的簿层dl,dlKd当光通量为的光通过(tnggu)厚度为dl的簿层时，光通量变化了d,显然该变化为负的。则有下式1+d2l第14页/共30页第十四页，共31页。三、光能的吸收损失三、光能的吸收损失(snsh)(snsh)计算计算将上式变为：Kdld仍以单折射透镜仍以单折射透镜(tujng)(tujng)为例，为例，透镜透镜(tujng)(tujng)厚度为厚度为l l，对上，对上式两边分别积分，得：式两边分别积分，得：KleKllnlnln12v结果结果(ji gu)(ji gu)为：为：lKdld021第15页/共30页第十五页，共31页。三、光能的吸收损失三、光能的吸收损失(snsh)(

8、snsh)计算计算整理(zhngl)得：Kle12v令：令：KePv如果如果(rgu)(rgu)透镜材料的厚度透镜材料的厚度l=1,l=1,则：则：12Pv则：则：lP12第16页/共30页第十六页，共31页。三、光能三、光能(gungnng)(gungnng)的的吸收损失计算吸收损失计算P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(chn wi)介质的透明系数。第17页/共30页第十七页，共31页。四、同时四、同时(tngsh)考虑反射和吸收损失时的计算考虑反射和吸收损失时的计算仍以单折射透镜为例。如果同时考虑反射损失(snsh)和吸收，则从第二表面出射的光通量为：)1 ()1 (

9、)1 ()1 (2121222llPP该透镜该透镜(tujng)(tujng)的透过率为：的透过率为：)1 ()1 (212lP第18页/共30页第十八页，共31页。四、同时四、同时(tngsh)考虑反射和吸收损失时的计算考虑反射和吸收损失时的计算如果一个(y )光学系统中有m个折射面、s种介质，n个反射元件，则该光学系统的透过率：slsllnmPPP21212121)1 ()1)(1 (吸收反折第19页/共30页第十九页，共31页。不同的介质材料(cilio)对光的反射率有不同的影响。下图是不同折射率的介质的反射率。五、介质五、介质(jizh)折射率及光线入射角对反射折射率及光线入射角对反射

10、率的影响率的影响第20页/共30页第二十页，共31页。五、介质折射率及光线五、介质折射率及光线(gungxin)入射角对入射角对反射率的影响反射率的影响同样在不同的入射光线入射时，同一材料的光学(gungxu)元件的反射率也不同。下图是不同入射角时某材料光学(gungxu)元件的反射率。第21页/共30页第二十一页，共31页。反射镜一般是在玻璃材料的表面镀反射膜，以实现光反射的目的。对于具有(jyu)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光学仪器设计手册中查到。目前最常用的真空镀

11、铝后氧化加固或化学镀银后镀铜，再加保护漆。六、两种典型六、两种典型(dinxng)反射镀层的反射镜反射镀层的反射镜第22页/共30页第二十二页，共31页。镀铝反射镜用于光学零件外表面反射，镀银反射镜用于光学零件内表面反射。镀铝的平均反射系数为0.85，镀银的平均反射系数为0.9。光学玻璃(gungxub l)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、两种典型六、两种典型(dinxng)反射镀层的反射镀层的反射镜反射镜第23页/共30页第二十三页，共31页。lNNNN

12、99. 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(hud)(以厘米为单位)。第24页/共30页第二十四页，共31页。七、例题七、例题(lt)(lt)以第五章中的周视(zhu sh)望远镜光学系统为例，研究光学系统的光能损失,如图所示。第25页/共30页第二十五页，共31页。零件号零件号名称名称材料材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气接与空气接触表面数触表面数镀银表面数镀银表面数1保护玻璃保护玻璃冕冕0.322直角棱镜直角棱镜冕冕2.6213道威棱镜道威棱镜

13、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第26页/共30页第二十六页，共31页。由表中看到，镀银(d yn)面1个，冕牌玻璃与空气接触表面13个，火石玻璃与空气接触表面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第27页/共30

14、页第二十七页，共31页。由计算结果可见，复杂的光学系统中光能损失是十分严重的，而造成光能损失的主要原因则是反射损失。为了减少光学零件表面的反射损失，可以(ky)在光学零件表面镀增透膜。不同的增透膜的反射系数同样可以(ky)在光学仪器设计手册中查得。最常用的化学镀双层增透膜使反射损失降到0.01，目前，镀多层增透膜可以(ky)使反射系数降低到0.5。如果所有透镜表面的反射损失系数都按0.01计算，则前例的透过率计算公式为： 12340.850.900.99NNNNl 129.170.900.990.67第28页/共30页第二十八页，共31页。作业(zuy)：第六章习题，第4题。第29页/共30页第二十九页，共31页。谢谢您的观看(gunkn)！第30页/共30页第三十页，共31页。NoIma