光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件

1、光學設計基礎理論光學設計基礎理論第7講 光的傳播基本原理1 幾何光學基本定律2 能量分配法則3 物質(zhì)光學性質(zhì)4 非成像光學原理第7講 光的傳播基本原理1 幾何光學基本定律1 幾何光學基本定律1、光線光線：一條攜帶能量并帶有方向的幾何線，它代表光的傳播方向。光路：光線的傳播途徑。光束：無數(shù)多條光線的集合稱為光線束，簡稱光束。光束包括平行光束、同心光束、像散光束。1 幾何光學基本定律1、光線1 幾何光學基本定律2、直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中，光線沿直線傳播。局限性：沒有考慮衍射現(xiàn)象。3、獨立傳播定律 不同的光源發(fā)出的光線在空間某點相遇時，彼此互不影響，各光束獨立傳播。 局限性：沒有考慮光的

2、波動性質(zhì)，干涉現(xiàn)象。1 幾何光學基本定律2、直線傳播定律3、獨立傳播定律1 幾何光學基本定律4、反射和折射定律（1）反射光線、折射光線在由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)（稱為入射面）（2）折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)1 幾何光學基本定律4、反射和折射定律（1）反射光線、折射光6 結(jié)論: 光在介質(zhì)中傳播時,有偏向折射率較高一側(cè)的趨勢nnIInInnIIn=n, I=InnIInn, IAQA；橢球面是光程為常數(shù)的例子。3、光程為極大、常值的實例凹球面鏡反射是一個光程為極大值的例例 一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，會聚于焦點F。請用費馬原理闡述其中原理。F 為拋物面的焦點，MN為其準線

3、拋物線性質(zhì)即討論：如果將點光源置于焦點處，由光的可逆性可知，光源發(fā)出的光線經(jīng)拋物面鏡反射后成為平行于光軸的平行光束。拋物面與球面反射鏡性能比較例 一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，F(xiàn) 為拋物解：S 發(fā)出的光波經(jīng) 面折射后成平面光，各折射光線路徑是等光程。S 是一個焦點例二 折射率分別為n1 ，n2的兩種介質(zhì)的界面為 ，在折射率為 n1的介質(zhì)中有一點光源S，它與界面頂點O相距為d。設S發(fā)出的球面波經(jīng)界面折射后成為平面波，試求界面 的形狀。（ n1 n2 ）解：S 發(fā)出的光波經(jīng) 面折射后成平面光，各折射光線路徑是S 是一個焦點橢圓的幾何參量：S 是一個焦點橢圓的幾何參量：理想光學系統(tǒng)物像

4、之間的等光程性理想光學系統(tǒng)成像時，物點s到像點S的個光線的光程相等，請用費馬原理解釋理想光學系統(tǒng)物像之間的等光程性理想光學系統(tǒng)成像時，物點s到像等光程面物像對應只需單個反射面或折射面該面物像共軛點的等光程面等光程面物像對應只需單個反射面或折射面這樣，得到的是一個四次曲線方程，將此曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)而形成的曲面稱為笛卡兒卵形面，它就是 等光程面。此面只是軸上物點的等光程面。這樣，得到的是一個四次曲線方程，將此曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)而形成的曲8、馬呂斯定律 光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終保持著與波面的正交性，并且入射波面與出射波面對應點之間的光程均為定值。 這種正交性表明，垂直于波面的光線束經(jīng)過任意

5、多次折、反射后，無論折、反射面形如何，出射光束仍垂直于出射波面。1 幾何光學基本定律8、馬呂斯定律 光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始9、光路的可逆性原理若光線在折射率為n的介質(zhì)中沿CO方向入射，由折射定律可知，折射光線必沿OA方向出射。同樣，如果光線在折射率為n的介質(zhì)中沿BO方向入射，則由反射定律可知，反射光線也一定沿OA方向出射。由此可見，光線的傳播是可逆的，這就是光路的可逆性。1 幾何光學基本定律9、光路的可逆性原理若光線在折射率為n的介質(zhì)中沿CO方向入光的偏振菲涅爾公式2 能量分配法則光的偏振2 能量分配法則SEH一：光的偏振1、線偏振：xYEOZSEH一：光的偏振1、線偏振：xY

6、EOZ2、圓偏振光2、圓偏振光3：入射面、 S偏振、P偏振入射面：入射光、法線、反射光所在的平面S偏振：P偏振：與入射面垂直的分量與入射面平行的分量3：入射面、入射面：入射光、法線、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分量的振幅反射系數(shù)S和P分量的振幅透射系數(shù)二、菲涅耳公式trt1、菲涅耳公式S和P分量的振幅反射系數(shù)S垂直入射：垂直入射：例：空氣的折射率為1.0，玻璃的折射率為1.5，請求光從空氣入射到玻璃時s偏振、p偏振方向反射和透射時的振幅比與入射角的關系。例：空氣的折射率為1.0，玻璃的折射率為1.5，請求光從空氣表示成的函數(shù)表示成的函數(shù)光學設計-第7講-光

7、的傳播基本原理課件光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件結(jié)論：1：不同偏振方向透射振幅比和反射振幅比不同2：振幅比與入射角有關結(jié)論：1：不同偏振方向透射振幅比和反射振幅比不同2：振幅比與光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件光強：SEH玻印廷矢量光強：SEH玻印廷矢量2、反射率和透射率反射波、折射波與入射波的能量比 考慮界面上一單位面積，設入射波、反射波和折射波的光強分別為入射光的能流：反射波透射波2、反射率和透射率反射波、折射波與入射波的能量比 考慮界反射率和透射率反射率和透射率光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件3、布儒斯特角例：自然光從空氣照射到玻璃上，p振動分量反射特征？玻璃 n2=

8、1.5空氣 n1=1.03、布儒斯特角例：自然光從空氣照射到玻璃上，p振動分量反射特玻璃 n2=1.5空氣 n1=1.0玻璃空氣空氣和玻璃界面的布儒斯特角：玻璃照射到空氣界面，布儒斯特角為多少？空氣和玻璃界面的布儒斯特角：玻璃照射到空氣界面，布儒斯特角為光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件玻璃 n2=1.5空氣 n1=1.0玻璃照射到空氣界面，布儒斯特角為多少？全反射角為：41.83320玻璃空氣玻璃照射到空氣界面，布儒斯特角為多少？全反射角為：4布儒斯特窗的應用布儒斯特窗外腔式激光器諧振腔布儒斯特窗的應用布儒斯特窗外腔式激光器諧振腔例：550nm的LED光源，照射到折射率為1. 5、厚度為

9、1cm的玻璃上（P光入射） 。求垂直入射時的透過率（不考慮界面的二次反射）玻璃n1=1.0 n2=1.5解：垂直入射時，入射角為0123n3=1.0例：550nm的LED光源，照射到折射率為1. 5、厚度為1玻璃n1=1.0 n2=1.5123n3=1.0玻璃n1=1.0 n2=1.5123n3=1.0藍寶石的折射率約為1.8，把發(fā)光層看成是點光源，功率為100mW，其發(fā)出的光集中在-8080的二維平面角內(nèi)，功率均勻分布。問，LED的出射功率為多少，與角度的分布關系。假設發(fā)光層發(fā)出的光為S偏振，不考慮GaN與藍寶石之間的折射率差異。n2=1.0 n1=1.8藍寶石的折射率約為1.8，把發(fā)光層看

10、成是點光源，功率為100n2=1.0 n1=1.8n2=1.0 n1=1.8光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件n2=1.0 n1=1.8n2=1.0 n1=1.8作業(yè)：550nm的LED光源，照射到折射率為1.732、厚度為1cm的玻璃上（P光入射） 。求垂直入射和以60度角入射時的透過率（不考慮界面的二次反射）如果是S偏振的光入射，求相應的透過率玻璃n1=1.0 n2=1.732123n3=1.0作業(yè)：550nm的LED光源，照射到折射率為1.732、厚度金屬的吸收1、金屬的折射率：AlAg金屬的吸收1、金屬的折射率：AlAgAlAgAl與Ag的吸收系數(shù)AlAgAl與Ag的吸收系數(shù)垂直入

11、射時金屬表面的反射率垂直入射時金屬表面的反射率AgAlAgAl金屬做背電極會吸收光金屬做背電極會吸收光例：入射光波長為600nm時，Al的折射率為：n=0.6+6i，試求當入射光垂直入射時的反射率和吸收率。例：入射光波長為600nm時，Al的折射率為：n=0.6+61、光的反射光射向透明或非透明物體表面時,部分光射回原介質(zhì)的現(xiàn)象反射比：被物體反射的光通量與入射光通量i之比反射種類：定向（規(guī)則、鏡面）反射、擴散反射、漫反射、混合反射、全反射符號：公式： 3 物質(zhì)光學性質(zhì)1、光的反射光射向透明或非透明物體表面時,部分光射回原介質(zhì)定向和擴散反射:混合反射:定向+漫定向擴散+漫定向+定向擴散定向定向擴

12、散均勻漫散定向和擴散反射:混合反射:定向+漫定向擴散+漫定向+定向擴散3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)擴散反射：經(jīng)散射處理的鋁板、經(jīng)涂刷處理的金屬板、毛面白漆涂層漫反射：粗糙表面、無光澤鍍層的表層3 物質(zhì)光學性質(zhì)擴散反射：經(jīng)散射處理的鋁板、經(jīng)涂刷處理的金屬板、毛面白漆涂層3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)高斯分布3 物質(zhì)光學性質(zhì)高斯分布光射向透明或半透明材料表面時,部分光線透過該材料的現(xiàn)象透射比：透過材料的光通量與入射光通量i之比2、光的透射 公式： 符號：3 物質(zhì)光學性質(zhì)光射向透明或半透明材料表面時,部分光線透過該材料的現(xiàn)象透定向透射擴散及混合透射透射種類：定向透射、擴散透射定

13、向擴散透射漫透射混合透射定向透射漫透射定向透射擴散及透射種類：定向透射、擴散透射定向擴散透射漫透光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件3、光的吸收光在介質(zhì)中傳播時，其強度越來越弱的現(xiàn)象吸收比：被介質(zhì)吸收的光通量與入射光通量i之比符號： 公式： 3 物質(zhì)光學性質(zhì)3、光的吸收光在介質(zhì)中傳播時，其強度越來越弱的現(xiàn)象吸收比布爾-朗伯定律3 物質(zhì)光學性質(zhì)式中，是與光強無關的比例系數(shù)，稱為介質(zhì)的吸收（消光）系數(shù)（非前面的吸收比）；I0和I分別是x=0和x=l處的光強。 若一束單色平行光在某種均勻介質(zhì)中沿x方向傳播，通過厚度為l的均勻介質(zhì)層后，實驗表明，其光強為物質(zhì)對光的吸收，光的強度按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系

14、數(shù)在數(shù)值上等于光強度因吸收而減弱到1/e時透過的物質(zhì)厚度的倒數(shù)，其單位為m-1。各種物質(zhì)的吸收系數(shù)相差很大，對可見光來說，玻璃的10-2cm-1，金屬的106cm-1，而1atm(101kPa)下空氣的10-5cm-1。顯然，光在空氣中傳播時很少被吸收，而極薄的金屬片就能吸收掉通過它的光能，呈現(xiàn)出對光不透明的性能。布爾-朗伯定律3 物質(zhì)光學性質(zhì)式中，是與光強無關的比例系數(shù)復折射率和消光系數(shù)3 物質(zhì)光學性質(zhì)衰減因子 復折射率和消光系數(shù)3 物質(zhì)光學性質(zhì)衰減因子 透過率（無散射）3 物質(zhì)光學性質(zhì)條件：垂直入射或小角度入射透過率（無散射）3 物質(zhì)光學性質(zhì)條件：垂直入射或小角度入射3 物質(zhì)光學性質(zhì)名稱折

15、射率色散系數(shù)透過率（3.2mm）%吸收系數(shù)（估算）mm-1PMMA有機玻璃1.491.5157.2922*10-4PS聚苯乙烯1.581.631.1900PC聚碳酸酯1.5851.58734888*10-33 物質(zhì)光學性質(zhì)名稱折射率色散系數(shù)透過率（3.2mm）%吸收4、物質(zhì)的光譜選擇性 彩色表面在與它色彩相同的光譜區(qū)域內(nèi)，光譜反射系數(shù)最大即:有色彩表面對與它色彩相同波長的光的反射能力最強 3 物質(zhì)光學性質(zhì)4、物質(zhì)的光譜選擇性 彩色表面在與它色彩相同的光譜區(qū)域3 物質(zhì)光學性質(zhì)5、界面散射漫反射（透射）體散射：瑞利散射、米氏散射適用于擴散板3 物質(zhì)光學性質(zhì)5、界面散射漫反射（透射）體散射：瑞利散射

16、、3 物質(zhì)光學性質(zhì)BSDF（Bidirectional Scattering Distribution Function）雙向散射函數(shù)單位：sr-1單位入射照度的散射亮度3 物質(zhì)光學性質(zhì)BSDF（Bidirectional Sca散射模型BSDF模型BSDF（Bidirectional Scattering Distribution Function）雙向散射分布函數(shù)光從一個表面上的不同方向散射強度的度量既包括入射方向又包括散射方向的函數(shù)，因此稱“雙向”的定義：單位入射光照度的散射亮度散射模型BSDF模型BSDF（Bidirectional 3 物質(zhì)光學性質(zhì)BRDF(Bidirectional

17、 Reflectance Distribution Function)雙向反射分布函數(shù)BTDF(Bidirectional Transmittance Distribution Function)雙向透射分布函數(shù)BDDF(Bidirectional Diffraction Distribution Function)雙向衍射分布函數(shù)3 物質(zhì)光學性質(zhì)BRDF(Bidirectional RefABg BSDF模型（準冪數(shù)倒數(shù)模型）能量守恒吸收鏡面反射鏡面透射散射ABg BSDF模型（準冪數(shù)倒數(shù)模型）能量守恒吸收鏡面反射鏡光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件3 物質(zhì)光學性質(zhì)PC3 物質(zhì)光學性質(zhì)P

18、C3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)散射測試儀REFLET Mini-Diff 散射測試儀REFLET Mini-Diff 3 物質(zhì)光學性質(zhì)透過率：透過試樣的光通量與射到試樣上的光通量之比。霧度（混濁度） haze：透過試樣而偏離入射光方向的散射光通量與透射光通量之比（GBT 2410-2008，僅把偏離入射光方向2.5以上的散射光通量用于計算霧度）3 物質(zhì)光學性質(zhì)透過率：透過試樣的光通量與射到試樣上的光通量3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)JIS K7361JIS K7

19、3613 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)3 物質(zhì)光學性質(zhì)6、折射率和色散3 物質(zhì)光學性質(zhì)6、折射率和色散光的色散 （一）正常色散和反常色散 色散光在物質(zhì)中傳播時其折射率(傳播速度)隨光波頻率(波長)而變的現(xiàn)象 色散分兩種情況： 1、正常色散 發(fā)生在物質(zhì)透明區(qū)(物質(zhì)對光的吸收很小)內(nèi)的色散，表現(xiàn)為折射率隨波長增大而減小，色散曲線n()呈單調(diào)下降.正常色散曲線 正常色散可用1836年科希(A.L.Cauchy)由實驗得出的經(jīng)驗公式描述 式中，A、B、C是與物質(zhì)有關的常數(shù)，叫做科希常數(shù)。只要測出三個已知波長的折射率的值，便可由上式求出A、B、C。在可見光波段，科希公式與物質(zhì)的正常色散實驗曲線很好吻合。

20、光的色散 （一）正常色散和反常色散 色散光在 發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)的色散，此時折射率隨波長的增大而增大，稱這種色散為反常色散。 當考察的波長范圍不大時，科希公式只需取頭兩項，即 2、反常色散 在接近反常色散區(qū)域，科希公式不再成立。實驗表明，反常色散與物質(zhì)的吸收區(qū)相對應，正常色散與物質(zhì)的透明區(qū)相對應?？疾旄鞣N物質(zhì)的全波段色散曲線，類似地有如右圖所示的形貌，它由一系列正常色散曲線(滿足科希公式)和反常色散曲線(吸收帶)組成。吸收帶附近的反常色散一種介質(zhì)的全波段色散曲線 發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)的色散，此時折射率隨波長的增大而增光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件名稱折射率色散系數(shù)透過率（3.2mm）%P

21、MMA有機玻璃1.491.5157.292PS聚苯乙烯1.581.631.190PC聚碳酸酯1.5851.5873488名稱折射率色散系數(shù)透過率（3.2mm）%PMMA1.491 為了提高光熱或光伏轉(zhuǎn)換設備的光能接收效率，增加單位面積上的光照強度，如何設計一款高效的聚光器?4 非成像光學原理1966年，Hinterberg和Winster在一篇提高太陽能收集效率的文獻中，首次提出“非成像光學” 的概念。1967年，Baranov 提出應用于太陽能收集系統(tǒng)中的復合拋物聚光器。 為了提高光熱或光伏轉(zhuǎn)換設備的光能接收效率，增光學設計-第7講-光的傳播基本原理課件 非成像光學系統(tǒng)設計關心的是光源能量的

22、利用和光分布控制。 在LED照明系統(tǒng)的非成像光學設計中，基本的光學元件主要有透鏡、非球面反射鏡和折光板。通過這些光學元件使點光源發(fā)出的光線匯聚或發(fā)散，起到改變光束角大小的作用，從而達到改變被照表面的照明面積和照度值的目的。 非成像光學就是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學系統(tǒng)進行研究的。 4 非成像光學原理 非成像光學系統(tǒng)設計關心的是光源能量的利用和光分布 在成像光學設計中，光學系統(tǒng)作為成像工具，基本上都用幾何光線的概念來研究其規(guī)律，對能量傳遞的研究較少。 從物理角度來看，光線攜帶著輻射能，光線的方向也就是輻射能的傳播方向。因此從能量的角度考慮，光學系統(tǒng)也是傳遞輻射能的渠道，是能量傳播的過程，非成像光學就是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學系統(tǒng)進行研究的。 在成像光學設計中，光學系統(tǒng)作為成像工具，基本上都4 非成像光學原理能量守恒原理（光通量守恒）擴展度守恒原理邊緣光線原理費馬原理4 非成像光學原理能量