光學(xué)系統(tǒng)中光能損失_第1頁
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文檔簡介

1、主講:張建寰 副教授單位:廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院 機(jī)電工程系,工程光學(xué)A-12講光學(xué)系統(tǒng)中光能損失計(jì)算,www.themegallery.com,一、光學(xué)系統(tǒng)光能損失概述二、反射損失計(jì)算折射面損失計(jì)算公式反射面損失計(jì)算公式三、吸收損失計(jì)算四、同時(shí)考慮反射和吸收損失時(shí)的計(jì)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(jì)算舉例,本節(jié)主要內(nèi)容,△任何實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)都不可能完全透明,

2、從系統(tǒng)射出的光通量Φ`永遠(yuǎn)比進(jìn)入系統(tǒng)的光通量Φ要少,即系統(tǒng)的透過率τ永遠(yuǎn)小于1。為了求出光學(xué)系統(tǒng)成像的實(shí)際光亮度和光照度,必須求出τ的數(shù)值。,一、光學(xué)系統(tǒng)中光能損失概述,下面首先分析一下光學(xué)系統(tǒng)的光能損失和由它造成的影響。,光學(xué)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(xué)系統(tǒng)中光能損失概述,如圖所示一球面折射透鏡Φ是入射光通量Φ``——反射光通量Φ`——折射光通量,由此可

3、見,造成折射透鏡光能損失的原因有兩個(gè):第一,光束在光學(xué)零件表面的反射;第二,光束通過介質(zhì)時(shí)的吸收。,一、光學(xué)系統(tǒng)中光能損失概述,光能損失產(chǎn)生兩個(gè)方面的主要負(fù)面影響:使光學(xué)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(gè)亮的背景,降低了像平面的對(duì)比,使像的清晰度下降。,一、光學(xué)系統(tǒng)中光能損失概述,下面分別討論光學(xué)系統(tǒng)中光能反射和吸收損失的計(jì)算,,,二、反射損失計(jì)算,反射系數(shù):介質(zhì)分界面上反射光通量

4、和入射光通量之比,稱為反射系數(shù)ρ。,1、折射透鏡介質(zhì)界面反射損失假定入射光通量為Φ,折射光通量為Φ`,反射光通量為Φ``,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(duì)光學(xué)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(jì)算,,,此時(shí)不考慮吸收損失,則從第一表面折射的光通量Φ1`,便是第二表面入射光通量Φ2,即:因此對(duì)第二表面應(yīng)用與第一個(gè)表面相同的分析方法有:,二、反射損失計(jì)算,這樣將二個(gè)折射

5、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(xué)系統(tǒng)有K個(gè)折射面,則從最后一個(gè)折射面出射的光通量為:,由此得到只存在折射光學(xué)元件,只考慮折射面的反射損失時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)的透過率為:,二、反射損失計(jì)算,2、反射鏡的光能損失對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)中有反射鏡時(shí),此時(shí)反射的光能不是損失的光能,而是進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有效能量。,假定入射光通量為Φ,則進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有效光通量即反射光通量:ρ×Φ,二、反射損失計(jì)算,如果在光學(xué)系統(tǒng)中有m個(gè)反射鏡

6、(反射系數(shù)相同),則進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有效光通量為:,如果在光學(xué)系統(tǒng)中有m個(gè)反射鏡,則對(duì)只有m個(gè)反射光學(xué)元件時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)透過率為:,二、反射損失計(jì)算,這樣光學(xué)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(xué)系統(tǒng)透過率為:,三、光能的吸收損失計(jì)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?cè)诮橘|(zhì)中取出一個(gè)無限小的簿層dl,,當(dāng)光通量為Φ的光通過厚度為dl的簿層時(shí),光通量變化了dΦ,顯然該變化為負(fù)的。則有

7、下式,三、光能的吸收損失計(jì)算,將上式變?yōu)椋?仍以單折射透鏡為例,透鏡厚度為l,對(duì)上式兩邊分別積分,得:,結(jié)果為:,三、光能的吸收損失計(jì)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(jì)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(shí)考慮反射和吸收損失時(shí)的計(jì)算,仍以單折射透鏡為例。如果同時(shí)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(shí)考慮反

8、射和吸收損失時(shí)的計(jì)算,如果一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中有m個(gè)折射面、s種介質(zhì),n個(gè)反射元件,則該光學(xué)系統(tǒng)的透過率:,不同的介質(zhì)材料對(duì)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(duì)反射率的影響,五、介質(zhì)折射率及光線入射角對(duì)反射率的影響,同樣在不同的入射光線入射時(shí),同一材料的光學(xué)元件的反射率也不同。下圖是不同入射角時(shí)某材料光學(xué)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(shí)現(xiàn)光反射的目的。對(duì)于具有金屬鍍層

9、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(jī)械物理性能可以在《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查到。目前最常用的真空鍍鋁后氧化加固或化學(xué)鍍銀后鍍銅,再加保護(hù)漆。,六、兩種典型反射鍍層的反射鏡,鍍鋁反射鏡用于光學(xué)零件外表面反射,鍍銀反射鏡用于光學(xué)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(xué)玻璃的透明系數(shù)P通常取平均值0.99。冕牌玻

10、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(jì)算光學(xué)系統(tǒng)透過系數(shù)τ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(jì)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(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)為例,研究光學(xué)系統(tǒng)的光能損失,如圖所示。,由表中看到,鍍銀面1個(gè),冕牌玻璃

11、與空氣接觸表面13個(gè),火石玻璃與空氣接觸表面3 個(gè),光學(xué)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(jì)算結(jié)果可見,復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中光能損失是十分嚴(yán)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(xué)零件表面的反射損失,可以在光學(xué)零件表面鍍?cè)鐾改?。不同的增透膜的反射系?shù)同樣可以在《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查得。最常用的化學(xué)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

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