光学系统中的光能损失.ppt

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 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 本节主要内容 任何实际光学系统都不可能完全透明 从系统射出的光通量 永远比进入系统的光通量 要少 即系统的透过率 永远小于1 为了求出光学系统成像的实际光亮度和光照度 必须求出 的数值 一 光学系统中光能损失概述 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 一 光学系统中光能损失概述 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 一 光学系统中光能损失概述 光能损失产生两个方面的主要负面影响 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 一 光学系统中光能损失概述 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 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 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 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 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 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 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 二 反射损失计算 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 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 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 三 光能的吸收损失计算 将上式变为 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 结果为 三 光能的吸收损失计算 整理得 令 如果透镜材料的厚度l 1 则 则 三 光能的吸收损失计算 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 该透镜的透过率为 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 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 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 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 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 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 作业 第六章习题 第4题