光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件

1、光学设计基础理论光学设计基础理论第7讲 光的传播基本原理1 几何光学基本定律2 能量分配法则3 物质光学性质4 非成像光学原理第7讲 光的传播基本原理1 几何光学基本定律1 几何光学基本定律1、光线光线：一条携带能量并带有方向的几何线，它代表光的传播方向。光路：光线的传播途径。光束：无数多条光线的集合称为光线束，简称光束。光束包括平行光束、同心光束、像散光束。1 几何光学基本定律1、光线1 几何光学基本定律2、直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光线沿直线传播。局限性：没有考虑衍射现象。3、独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。 局限性：没有考虑光的

2、波动性质，干涉现象。1 几何光学基本定律2、直线传播定律3、独立传播定律1 几何光学基本定律4、反射和折射定律（1）反射光线、折射光线在由入射光线和法线所决定的平面内（称为入射面）（2）折射光线和入射光线分居法线两侧1 几何光学基本定律4、反射和折射定律（1）反射光线、折射光6 结论: 光在介质中传播时,有偏向折射率较高一侧的趋势nnIInInnIIn=n, I=InnIInn, IAQA；椭球面是光程为常数的例子。3、光程为极大、常值的实例凹球面镜反射是一个光程为极大值的例例 一束平行于光轴的光线入射到抛物面镜上反射后，会聚于焦点F。请用费马原理阐述其中原理。F 为抛物面的焦点，MN为其准线

3、抛物线性质即讨论：如果将点光源置于焦点处，由光的可逆性可知，光源发出的光线经抛物面镜反射后成为平行于光轴的平行光束。抛物面与球面反射镜性能比较例 一束平行于光轴的光线入射到抛物面镜上反射后，F 为抛物解：S 发出的光波经 面折射后成平面光，各折射光线路径是等光程。S 是一个焦点例二 折射率分别为n1 ，n2的两种介质的界面为 ，在折射率为 n1的介质中有一点光源S，它与界面顶点O相距为d。设S发出的球面波经界面折射后成为平面波，试求界面 的形状。（ n1 n2 ）解：S 发出的光波经 面折射后成平面光，各折射光线路径是S 是一个焦点椭圆的几何参量：S 是一个焦点椭圆的几何参量：理想光学系统物像

4、之间的等光程性理想光学系统成像时，物点s到像点S的个光线的光程相等，请用费马原理解释理想光学系统物像之间的等光程性理想光学系统成像时，物点s到像等光程面物像对应只需单个反射面或折射面该面物像共轭点的等光程面等光程面物像对应只需单个反射面或折射面这样，得到的是一个四次曲线方程，将此曲线绕光轴旋转而形成的曲面称为笛卡儿卵形面，它就是 等光程面。此面只是轴上物点的等光程面。这样，得到的是一个四次曲线方程，将此曲线绕光轴旋转而形成的曲8、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 这种正交性表明，垂直于波面的光线束经过任意

5、多次折、反射后，无论折、反射面形如何，出射光束仍垂直于出射波面。1 几何光学基本定律8、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始9、光路的可逆性原理若光线在折射率为n的介质中沿CO方向入射，由折射定律可知，折射光线必沿OA方向出射。同样，如果光线在折射率为n的介质中沿BO方向入射，则由反射定律可知，反射光线也一定沿OA方向出射。由此可见，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。1 几何光学基本定律9、光路的可逆性原理若光线在折射率为n的介质中沿CO方向入光的偏振菲涅尔公式2 能量分配法则光的偏振2 能量分配法则SEH一：光的偏振1、线偏振：xYEOZSEH一：光的偏振1、线偏振：xY

6、EOZ2、圆偏振光2、圆偏振光3：入射面、 S偏振、P偏振入射面：入射光、法线、反射光所在的平面S偏振：P偏振：与入射面垂直的分量与入射面平行的分量3：入射面、入射面：入射光、法线、反射光所在的平面S偏振：P二、菲涅耳公式trt1、菲涅耳公式S和P分量的振幅反射系数S和P分量的振幅透射系数二、菲涅耳公式trt1、菲涅耳公式S和P分量的振幅反射系数S垂直入射：垂直入射：例：空气的折射率为1.0，玻璃的折射率为1.5，请求光从空气入射到玻璃时s偏振、p偏振方向反射和透射时的振幅比与入射角的关系。例：空气的折射率为1.0，玻璃的折射率为1.5，请求光从空气表示成的函数表示成的函数光学设计-第7讲-光

7、的传播基本原理课件光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件结论：1：不同偏振方向透射振幅比和反射振幅比不同2：振幅比与入射角有关结论：1：不同偏振方向透射振幅比和反射振幅比不同2：振幅比与光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件光强：SEH玻印廷矢量光强：SEH玻印廷矢量2、反射率和透射率反射波、折射波与入射波的能量比 考虑界面上一单位面积，设入射波、反射波和折射波的光强分别为入射光的能流：反射波透射波2、反射率和透射率反射波、折射波与入射波的能量比 考虑界反射率和透射率反射率和透射率光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件3、布儒斯特角例：自然光从空气照射到玻璃上，p振动分量反射特征？玻璃 n2=

8、1.5空气 n1=1.03、布儒斯特角例：自然光从空气照射到玻璃上，p振动分量反射特玻璃 n2=1.5空气 n1=1.0玻璃空气空气和玻璃界面的布儒斯特角：玻璃照射到空气界面，布儒斯特角为多少？空气和玻璃界面的布儒斯特角：玻璃照射到空气界面，布儒斯特角为光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件玻璃 n2=1.5空气 n1=1.0玻璃照射到空气界面，布儒斯特角为多少？全反射角为：41.83320玻璃空气玻璃照射到空气界面，布儒斯特角为多少？全反射角为：4布儒斯特窗的应用布儒斯特窗外腔式激光器谐振腔布儒斯特窗的应用布儒斯特窗外腔式激光器谐振腔例：550nm的LED光源，照射到折射率为1. 5、厚度为

9、1cm的玻璃上（P光入射） 。求垂直入射时的透过率（不考虑界面的二次反射）玻璃n1=1.0 n2=1.5解：垂直入射时，入射角为0123n3=1.0例：550nm的LED光源，照射到折射率为1. 5、厚度为1玻璃n1=1.0 n2=1.5123n3=1.0玻璃n1=1.0 n2=1.5123n3=1.0蓝宝石的折射率约为1.8，把发光层看成是点光源，功率为100mW，其发出的光集中在-8080的二维平面角内，功率均匀分布。问，LED的出射功率为多少，与角度的分布关系。假设发光层发出的光为S偏振，不考虑GaN与蓝宝石之间的折射率差异。n2=1.0 n1=1.8蓝宝石的折射率约为1.8，把发光层看

10、成是点光源，功率为100n2=1.0 n1=1.8n2=1.0 n1=1.8光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件n2=1.0 n1=1.8n2=1.0 n1=1.8作业：550nm的LED光源，照射到折射率为1.732、厚度为1cm的玻璃上（P光入射） 。求垂直入射和以60度角入射时的透过率（不考虑界面的二次反射）如果是S偏振的光入射，求相应的透过率玻璃n1=1.0 n2=1.732123n3=1.0作业：550nm的LED光源，照射到折射率为1.732、厚度金属的吸收1、金属的折射率：AlAg金属的吸收1、金属的折射率：AlAgAlAgAl与Ag的吸收系数AlAgAl与Ag的吸收系数垂直入

11、射时金属表面的反射率垂直入射时金属表面的反射率AgAlAgAl金属做背电极会吸收光金属做背电极会吸收光例：入射光波长为600nm时，Al的折射率为：n=0.6+6i，试求当入射光垂直入射时的反射率和吸收率。例：入射光波长为600nm时，Al的折射率为：n=0.6+61、光的反射光射向透明或非透明物体表面时,部分光射回原介质的现象反射比：被物体反射的光通量与入射光通量i之比反射种类：定向（规则、镜面）反射、扩散反射、漫反射、混合反射、全反射符号：公式： 3 物质光学性质1、光的反射光射向透明或非透明物体表面时,部分光射回原介质定向和扩散反射:混合反射:定向+漫定向扩散+漫定向+定向扩散定向定向扩

12、散均匀漫散定向和扩散反射:混合反射:定向+漫定向扩散+漫定向+定向扩散3 物质光学性质3 物质光学性质扩散反射：经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板、毛面白漆涂层漫反射：粗糙表面、无光泽镀层的表层3 物质光学性质扩散反射：经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板、毛面白漆涂层3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质高斯分布3 物质光学性质高斯分布光射向透明或半透明材料表面时,部分光线透过该材料的现象透射比：透过材料的光通量与入射光通量i之比2、光的透射 公式： 符号：3 物质光学性质光射向透明或半透明材料表面时,部分光线透过该材料的现象透定向透射扩散及混合透射透射种类：定向透射、扩散透射定

13、向扩散透射漫透射混合透射定向透射漫透射定向透射扩散及透射种类：定向透射、扩散透射定向扩散透射漫透光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件3、光的吸收光在介质中传播时，其强度越来越弱的现象吸收比：被介质吸收的光通量与入射光通量i之比符号： 公式： 3 物质光学性质3、光的吸收光在介质中传播时，其强度越来越弱的现象吸收比布尔-朗伯定律3 物质光学性质式中，是与光强无关的比例系数，称为介质的吸收（消光）系数（非前面的吸收比）；I0和I分别是x=0和x=l处的光强。 若一束单色平行光在某种均匀介质中沿x方向传播，通过厚度为l的均匀介质层后，实验表明，其光强为物质对光的吸收，光的强度按指数规律衰减。吸收系

14、数在数值上等于光强度因吸收而减弱到1/e时透过的物质厚度的倒数，其单位为m-1。各种物质的吸收系数相差很大，对可见光来说，玻璃的10-2cm-1，金属的106cm-1，而1atm(101kPa)下空气的10-5cm-1。显然，光在空气中传播时很少被吸收，而极薄的金属片就能吸收掉通过它的光能，呈现出对光不透明的性能。布尔-朗伯定律3 物质光学性质式中，是与光强无关的比例系数复折射率和消光系数3 物质光学性质衰减因子 复折射率和消光系数3 物质光学性质衰减因子 透过率（无散射）3 物质光学性质条件：垂直入射或小角度入射透过率（无散射）3 物质光学性质条件：垂直入射或小角度入射3 物质光学性质名称折

15、射率色散系数透过率（3.2mm）%吸收系数（估算）mm-1PMMA有机玻璃1.491.5157.2922*10-4PS聚苯乙烯1.581.631.1900PC聚碳酸酯1.5851.58734888*10-33 物质光学性质名称折射率色散系数透过率（3.2mm）%吸收4、物质的光谱选择性 彩色表面在与它色彩相同的光谱区域内，光谱反射系数最大即:有色彩表面对与它色彩相同波长的光的反射能力最强 3 物质光学性质4、物质的光谱选择性 彩色表面在与它色彩相同的光谱区域3 物质光学性质5、界面散射漫反射（透射）体散射：瑞利散射、米氏散射适用于扩散板3 物质光学性质5、界面散射漫反射（透射）体散射：瑞利散射

16、、3 物质光学性质BSDF（Bidirectional Scattering Distribution Function）双向散射函数单位：sr-1单位入射照度的散射亮度3 物质光学性质BSDF（Bidirectional Sca散射模型BSDF模型BSDF（Bidirectional Scattering Distribution Function）双向散射分布函数光从一个表面上的不同方向散射强度的度量既包括入射方向又包括散射方向的函数，因此称“双向”的定义：单位入射光照度的散射亮度散射模型BSDF模型BSDF（Bidirectional 3 物质光学性质BRDF(Bidirectional

17、 Reflectance Distribution Function)双向反射分布函数BTDF(Bidirectional Transmittance Distribution Function)双向透射分布函数BDDF(Bidirectional Diffraction Distribution Function)双向衍射分布函数3 物质光学性质BRDF(Bidirectional RefABg BSDF模型（准幂数倒数模型）能量守恒吸收镜面反射镜面透射散射ABg BSDF模型（准幂数倒数模型）能量守恒吸收镜面反射镜光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件3 物质光学性质PC3 物质光学性质P

18、C3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质散射测试仪REFLET Mini-Diff 散射测试仪REFLET Mini-Diff 3 物质光学性质透过率：透过试样的光通量与射到试样上的光通量之比。雾度（混浊度） haze：透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比（GBT 2410-2008，仅把偏离入射光方向2.5以上的散射光通量用于计算雾度）3 物质光学性质透过率：透过试样的光通量与射到试样上的光通量3 物质光学性质3 物质光学性质JIS K7361JIS K7

19、3613 物质光学性质3 物质光学性质3 物质光学性质6、折射率和色散3 物质光学性质6、折射率和色散光的色散 （一）正常色散和反常色散 色散光在物质中传播时其折射率(传播速度)随光波频率(波长)而变的现象 色散分两种情况： 1、正常色散 发生在物质透明区(物质对光的吸收很小)内的色散，表现为折射率随波长增大而减小，色散曲线n()呈单调下降.正常色散曲线 正常色散可用1836年科希(A.L.Cauchy)由实验得出的经验公式描述 式中，A、B、C是与物质有关的常数，叫做科希常数。只要测出三个已知波长的折射率的值，便可由上式求出A、B、C。在可见光波段，科希公式与物质的正常色散实验曲线很好吻合。

20、光的色散 （一）正常色散和反常色散 色散光在 发生在物质吸收区内的色散，此时折射率随波长的增大而增大，称这种色散为反常色散。 当考察的波长范围不大时，科希公式只需取头两项，即 2、反常色散 在接近反常色散区域，科希公式不再成立。实验表明，反常色散与物质的吸收区相对应，正常色散与物质的透明区相对应。考察各种物质的全波段色散曲线，类似地有如右图所示的形貌，它由一系列正常色散曲线(满足科希公式)和反常色散曲线(吸收带)组成。吸收带附近的反常色散一种介质的全波段色散曲线 发生在物质吸收区内的色散，此时折射率随波长的增大而增光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件名称折射率色散系数透过率（3.2mm）%P

21、MMA有机玻璃1.491.5157.292PS聚苯乙烯1.581.631.190PC聚碳酸酯1.5851.5873488名称折射率色散系数透过率（3.2mm）%PMMA1.491 为了提高光热或光伏转换设备的光能接收效率，增加单位面积上的光照强度，如何设计一款高效的聚光器?4 非成像光学原理1966年，Hinterberg和Winster在一篇提高太阳能收集效率的文献中，首次提出“非成像光学” 的概念。1967年，Baranov 提出应用于太阳能收集系统中的复合抛物聚光器。 为了提高光热或光伏转换设备的光能接收效率，增光学设计-第7讲-光的传播基本原理课件 非成像光学系统设计关心的是光源能量的

22、利用和光分布控制。 在LED照明系统的非成像光学设计中，基本的光学元件主要有透镜、非球面反射镜和折光板。通过这些光学元件使点光源发出的光线汇聚或发散，起到改变光束角大小的作用，从而达到改变被照表面的照明面积和照度值的目的。 非成像光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究的。 4 非成像光学原理 非成像光学系统设计关心的是光源能量的利用和光分布 在成像光学设计中，光学系统作为成像工具，基本上都用几何光线的概念来研究其规律，对能量传递的研究较少。 从物理角度来看，光线携带着辐射能，光线的方向也就是辐射能的传播方向。因此从能量的角度考虑，光学系统也是传递辐射能的渠道，是能量传播的过程，非成像光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究的。 在成像光学设计中，光学系统作为成像工具，基本上都4 非成像光学原理能量守恒原理（光通量守恒）扩展度守恒原理边缘光线原理费马原理4 非成像光学原理能量