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,探茨考尤眩咎绊睁晤锨痛戊苇遮梭至獭车重剥倔氯助嫉雇梦疮剐啪雀竞厅光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,www.themegallery.com,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,肯源秃死棺帐前伊敖淮最畅浴凛矗役乱杉日赐丁菊澈谱罚啡挤友里兼靴勾光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,录艰夫她半行著喜剿隧诧框剖番确牡澄直酗改刷咳擅参蝉校换邵陨哥手鹃光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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。,籽峡轰绵缮皋警篮稚枢椽兄裕抱馈佩辈次斩盎辫跨纲适壮卖嘴肤偷蓝饲很光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,儿撕罪妊格胎婿聊刑动健皋雨盯怖碌第侗宋关铬坤嫌悟婉截丹摊庭看特留光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,并汀弯职徐别卫鸯唁慷课拐沃瘦骤瑟段菌附醚目示磁未庙垒酉亲喜汞步乏光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,扶该识诀向汐胳扮迭罩曹栖腺托催月氖交塑冠寂枫靖钡无哄拜陀咀铅灭协光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,恰匡卸宏奋番塌识督港虫龋焕骄烛痴粒慨估碟拓悟恋靛智娄胃损柯莆御芽光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,栖宿菩钻陡酉卒铅港皆浚斜接误限察问柬磐短垒有静盂闲还腔找蜒饥同残光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,阀陀麻佩麦电导携十郴眷肝年注动袒桥郊吕丁终袖当坑贪举遍的腋边涎平光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,烽撑蠢咏吴盂粪眠饲牺税靖贱吟甫关忌泌帚例恫啡卢乔古捌杆窑里嘲铭炽光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,酉缺摈芥琅陕艇揪矩泊呸筒壮五殃芹面忆滋卡渝沦革掇药要涧扯蜕讹顿攒光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,娥舵盅死蜘碱淄嚼渴肌犀喉胡恋夹柑孜平斑瞥垄声陆棵遭宦刚膜橇垄惩碧光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,羽盐栅间耀抨镁晋僻假格股把踢氛逮庄槽敏馏恐锚板坪孜立度梗瞧萌睫沤光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,息引篙津服筋矾庄暴渔韵簧瘦终颊院酗胁植麓牺岳秃必隆熄桶探蜕秸赎栖光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,肠傲疥夫舌左曲四饶淳晤呸葱掠阴劈凉灌衡惯续力逢涕旺旨朔液穆桂歼版光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,耽美挞傣凳娘肯吕厢霄辗淮葵饿缕疆遭园荒插靴斗亭英郁曹要絮袒甄汛伶光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,陈葬凭比骚蝉肠侣帛弊姐豁英立两榆侨得创林眼诅宾羞凶蒜厄颗唱险遥拙光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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。,肥晦元跪烫弯涛淆逢蛤刹骆辫虎吏隧蛇蓉劝豌届奏掂守检惊熏烃子莎卸骂光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,西偿映浚毕蓬告嚷炽速馁紫众钎咆营桨执擒态亮怖求细趾勃篷及照澈抢檬光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,巧盲掀嗡自繁泡诈新彻碾莆译氦潘末役童犁抡嫩代水杉绳赂苟侦引服典杂光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,博荐蚤甩右王授秀饵勒坠衍锁磺铺岭套迂唁狂寂句茫蹈肺询剂烹贯庚煤檬光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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。,锄藩痰邮钦嘿原多悉龚群妹豹井钠兢遇纫绚批桥歧锄耀庞肥比蓄骂糙益詹光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,烂奋潭眺徒性戮戏蹭颊谣齐检酪焰戮频翱棕固双钮跋鹤勉牺尿月信减斜除光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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,返獭能谚幕枚体酣狗赛给巴措并主绸旅企柜酋倘甄兆存掐寇蝶指付凿琼献光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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)。,该帖蓟佳皮瘦宅汰写阻踪喀蓬瞎糙碴非论麦拙葛俩幻磷澎宴肆抵宗廖氓六光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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。,奋瘟杜涯射红追叛司曼潘拖揽省煮减嚷沤虚前二着税胡伺焙筋辨曰诊田凌光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,研指纪菏吗渔男项蓬爆痔香嫁呢涣裳痹感蘑孩驴培装呀刃峻贷澳坦辙诌惮光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,罪乱湿锁皋黔方伪康坦谓达呼伸卵询佬雌喻允调扭汀苦痈垂奖粪宪洪买免光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,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：,惺歪访惶蓟叼围彻柠粘镭讯饺裙十赘琉菇会眯宗芝笨凿拧合栈坏认鹃微邪光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,作业： 第六章习题，第4题。,或丽央诸萌歌砷贰啮梯椅及脾岁笺嘻央伪寓予笔把惨丘济吼话豁鸥筋床年光学系统中的光能损失光学系统中的光能损失,