国家863计划实施细则说明

主 讲 ： 张 建 寰 副 教 授单 位 ： 厦 门 大 学 物 理 与 机 电 学 院 机 电 工 程 系工 程 光 学 A-12讲光 学 系 统 中 光 能 损 失 计 算 LOGO 一 、 光 学 系 统 光 能 损 失 概 述二 、 反 射 损 失 计 算 折 射 面 损 失 计 算 公 式 反 射 面 损 失 计 算 公 式三 、 吸 收 损 失 计 算四 、 同 时 考 虑 反 射 和 吸 收 损 失 时 的 计 算五 、 反 射 率 与 折 射 率 、 入 射 角 的 关 系六 、 两 种 典 型 金 属 镀 层 的 反 射 系 数七 、 光 能 损 失 计 算 举 例 v下 面 首 先 分 析 一 下 光 学 系 统 的 光 能 损失 和 由 它 造 成 的 影 响 。 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 分是 由 反 射 和 吸 收 造 成 的 。如 图 所 示 一 球 面 折 射 透 镜 是 入 射 光 通 量 反 射 光 通 量 折 射 光 通 量 由 此 可 见 ， 造 成 折 射 透 镜 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 二 ， 光 束 通 过 介 质 时 的 吸 收 。 光 能 损 失 产 生 两 个 方 面 的 主 要 负 面影 响 ：1.使 光 学 系 统 成 像 光 亮 度 降 低 。2.由 于 反 射 光 再 经 过 它 前 面 的 表 面 反射 回 到 像 平 面 上 ， 使 像 平 面 形 成 一个 亮 的 背 景 ， 降 低 了 像 平 面 的 对 比 ，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 损 失 的 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 表 面 来 说 ， 有 如 下的 关 系 式 ： 二 、 反 射 损 失 计 算 )1( 11 此 时 不 考 虑 吸 收 损 失 ， 则 从 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 对 第 二 表 面 应 用 与 第 一 个 表 面 相 同 的分 析 方 法 有 ： 二 、 反 射 损 失 计 算 )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 如 果 光 学 系 统 有 K个 折 射 面 ， 则 从 最 后一 个 折 射 面 出 射 的 光 通 量 为 ： )1()1)(1( 21 kk v由 此 得 到 只 存 在 折 射 光 学 元件 ， 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( 21 kk 二 、 反 射 损 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 ， 则 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 如 果 在 光 学 系 统 中 有 m个 反 射 镜 （ 反 射 系数 相 同 ） ， 则 进 入 光 学 系 统 的 有 效 光 通量 为 ： m如 果 在 光 学 系 统 中 有 m个 反 射 镜 ， 则 对 只有 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 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 三 、 光 能 的 吸 收 损 失 计 算光 通 量 和 通 过 的 介 质 的 厚 度 有 关 ， 随 厚 度增 加 而 减 少 。 如 图 所 示 ， 我 们 在 介 质 中 取出 一 个 无 限 小 的 簿 层 dl, dlKd 当 光 通 量 为 的 光 通 过厚 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 +d 2l 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 厚度 为 l， 对 上 式 两 边 分 别 积 分 ，得 ： KleKl lnlnln 12v结 果 为 ： l Kdld 021 三 、 光 能 的 吸 收 损 失 计 算v整 理 得 ： Kle 12v令 ： KeP v如 果 透 镜 材 料 的 厚 度 l=1,则 ： 12Pv则 ： 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 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 和 吸 收 ， 则 从 第 二表 面 出 射 的 光 通 量 为 ：)1()1( )1( )1( 21 21 222 ll PP该 透 镜 的 透 过 率 为 ： )1()1( 212 lP 四 、 同 时 考 虑 反 射 和 吸 收 损 失 时 的 计 算如 果 一 个 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 ： slsllnm PPP21 212121 )1()1)(1( 吸 收反折 不 同 的 介 质 材 料 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 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 响同 样 在 不 同 的 入 射 光 线 入 射 时 ， 同 一 材 料 的 光 学 元 件 的 反 射率 也 不 同 。 下 图 是 不 同 入 射 角 时 某 材 料 光 学 元 件 的 反 射 率 。 v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 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 铝 后 氧 化加 固 或 化 学 镀 银 后 镀 铜 ， 再 加 保 护 漆 。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 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 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 lNNNN 99.096.095.090.085.0 4321 N1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 究 光学 系 统 的 光 能 损失 ,如 图 所 示 。 零 件 号 名 称 材 料 透 镜 厚 度 或 棱镜 展 开 厚 度 与 空 气 接触 表 面 数 镀 银 表 面 数1 保 护 玻 璃 冕 0.3 22 直 角 棱 镜 冕 2.6 2 13 道 威 棱 镜 冕 5.28 24 物 镜 正 透 镜 冕 0.35 1物 镜 负 透 镜 火 石 0.2 15 屋 脊 棱 镜 冕 2.9 26 分 划 板 冕 0.3 27 目 镜 第 一 透 镜 火 石 0.1 1目 镜 第 二 透 镜 冕 0.52 1目 镜 第 三 透 镜 冕 0.52 1目 镜 第 四 透 镜 火 石 0.1 1 由 表 中 看 到 ， 镀 银 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 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 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 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 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 ： 1 2 3 40.85 0.90 0.99N N N N l 1 29.170.90 0.99 0.67 v作 业 ：v第 六 章 习 题 ， 第 4题 。