光学系统中的光能损失课件

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Φ`永远比进入系统的光通量Φ要少，即系统的透过率τ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τ的数值。一、光学系统中光能损失概述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Φ是入射光通量Φ``——反射光通量Φ`——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

<date/time><footer>此时不考虑吸收损失，则从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

<date/time><footer>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：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Φ，则进入光学系统的有效光通量即反射光通量：ρ×Φ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。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τ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)。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