Теория и расчет оптических систем

7.ПРОХОЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

7.1.Энергетические величины

Энергетические передаточные характеристики описывают передачу оптическим прибором энергии предмета. Поскольку через ОС проходят не все лучи, исходящие из предмета, а в самой системе происходят потери света на поглощение и отражение, освещенность изображения всегда ниже освещенности предмета.

Энергетические величины служат для количественной и качественной оценки всего диапазона оптического излучения. Определяющей характеристикой является средняя мощность, переносимая электромагнитным полем за единицу времени, которая называется потоком излучения Ф. Поток излучения измеряется в ваттах (Вт).

51

7.2.Видимая область спектра. Световые величины

Для оценки действия излучения на глаз используют световые величины.

Световой поток – поток излучения, приведенный к чувствительности среднего глаза. Единицей светового потока принимается люмен (лм). Воздействие потока излучения с нм условно принимают за единицу; действие излучения на глаз других длин волн оценивается спектральной световой эффективностью излучения. На рис. 7.1 приведены кривые относительной спектральной эффективности излучения ( ) :1 – для дневно-

го зрения; 2 – для ночного зрения.

Световой поток монохроматического излучения с длиной волны рассчитывается по формуле

Фν,λ KmФе,λ ν(λ) ,

где Km – коэффициент, характеризующий максимальное значение спектральной световой эффективности, называемый световым эквивалентом лучистого потока.

Km 680 лм Вт-1 (1 Вт потока монохроматического излучения = 555 нм равен 680 лм светового потока). При оценке условий освещения прибегают к понятию светового потока, падающего на поверхность.

52

Поверхностная плотность потока излучения, падающего на поверхность площадью S, называется освещенностью, лк (1 люкс равен освещенности такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в 1 люмен).

E ФS

Для характеристики самосветящихся источников света и поверхностей, которые пропускают или отражают падающий на них световой поток, используют поверхностную плотность излучаемого светового потока

(светимость M ).

Сила света J характеризует точечный источник света; это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла , в пределах которого он распространяется, за направление силы света принимают ось телес-

ного угла. Сила света измеряется в канделах.

J Φ

Ω

Телесный угол в стерадианах (ср): Ω rS2 , где S – площадь сферической поверхности с радиусом r .

Освещенность:

Е rJ2 cos θ.

Яркость – величина, характеризующая уровень светового ощущения или видимость элементов поверхности для протяженного источника. Для излучающей площадки S , перпендикулярной направлению излучения:

L SJ

измеряется в кд м-2, зависит от угла между направлением излучения и нормалью к площадке:

S cos θ

53

Светосила H определяется апертурой и коэффициентом спектрального пропускания. Характеризует способность прибора давать более или менее яркие изображения:

H E , L

где L – яркость предмета, E – освещенность изображения.

Функция светораспределения характеризует равномерность освещенности по полю изображения.

54

7.3.Коэффициенты отражения, поглощения, рассеяния и пропускания

Поток излучения, падающей на оптическую систему, проходит через нее не весь; часть потока отражается от поверхностей ( dФρ ,e ), часть поглощается ( dФe ,α ) и рассеивается ( dФe ,ζ ) средами и только оставшаяся часть

dФe,η проходит через оптическую систему. Для количественной оценки пользуются коэффициентами отражения

, поглощения , рассеяния и пропускания . Согласно закону сохранения энергии:

dФе dФе,ρ dФе,α dФе,ζ dФе,η .

55

7.4.Яркость отраженных и преломленных лучей, световые трубки

Световая трубка представлена на рис.7.3.

Рис.7.3.

Практическое значение элементарных световых трубок состоит в том, что их свойства можно перенести на трубки конечных размеров. Каждую световую трубку конечных размеров можно рассматривать как трубку, состоящую из бесконечно большого числа элементарных трубок.

56

7.5.Инвариант Штраубеля

Инвариант Штраубеля описывает световые трубки, у которых площадки нормальны к оси трубки

(рис.7.4).

Рис.7.4

57

7.6.Коэффициент пропускания оптической системы

Потери энергии в оптической системе характеризуются коэффициентом пропускания , для определения которого необходимо знать:

–коэффициенты отражения от преломляющих поверхностей;

–число преломляющих поверхностей системы, граничащих с воздухом и другими средами;

–коэффициенты поглощения оптических стекол и других материалов, из которых изготовлены оптические детали;

–коэффициенты отражения 3 для отражающих покрытий, если в системе имеются призмы и зеркала;

–длину хода луча dk вдоль оптической оси в каждой оптической детали, входящей в систему;

типы светоделительных покрытий, если они имеются в оптической системе.

Потери энергии вследствие отражения при преломлении в сложных оптических системах могут достигать больших величин (до 80 %). Их можно уменьшить путем просветления оптических деталей. Сущность просветления состоит в том, что на преломляющие поверхности наносят одно или несколько покрытий (пленок), обеспечивающих в результате интерференции резкое уменьшение отраженной части потока излучения.

Для отражающих поверхностей (зеркал) используют покрытия из алюминия, серебра, золота, родия и др. Для серебряных покрытий коэффициент отражения 3 =0,94; для алюминированных покрытий 3 =0,87. Для оптической системы, не имеющей просветляющих и светоделительных покрытий:

η 0,95Nкр 0,94Nфл 0,99d ρN3 ,

где Nкр – число несклеенных поверхностей кронов; Nфл – число несклеенных поверхностей флинтов; N3 – число зеркальных поверхностей; d - суммарная толщина для всех стекол в сантиметрах вдоль оптической оси.

58

7.7.Световой поток, проходящий через оптическую систему

Элементарный световой поток dФν идет от элемента dQ0 , расположенного перпендикулярно оптической оси, и поступает в систему через бесконечно малый элемент входного зрачка (рис. 7.5).

Рис.7.5

59