第三章光路分析与光学器件 光路是光源与探测器之间的光学通道，光路由光学 元件和传输介质如真空或空气构成。在光路中，光不可避 免地要与物质发生作用，这种作用表现为透射、聚焦、折 射、反射、衍射、干涉、偏振、散射、吸收等现象。这些 作用或过程都可用于光电测量。光信号在光路中的传播时， 光的参数如幅度、相位、频率、偏振等都可能发生变化， 光束可以合路、分路、改变方向；利用物理手段实现光束 的重新定向则叫做扫描。本章分为六小节，分别讲述光路 中的光路分析的基本定律、光路中的光现象、光学元件、 光束扫描技术、光在大气中的传播与衰减，最后列举了几 种光学设计软件 2022/10/7
2022/10/7 1 光路是光源与探测器之间的光学通道，光路由光学 元件和传输介质如真空或空气构成。在光路中，光不可避 免地要与物质发生作用，这种作用表现为透射、聚焦、折 射、反射、衍射、干涉、偏振、散射、吸收等现象。这些 作用或过程都可用于光电测量。光信号在光路中的传播时， 光的参数如幅度、相位、频率、偏振等都可能发生变化； 光束可以合路、分路、改变方向；利用物理手段实现光束 的重新定向则叫做扫描。本章分为六小节，分别讲述光路 中的光路分析的基本定律、光路中的光现象、光学元件、 光束扫描技术、光在大气中的传播与衰减，最后列举了几 种光学设计软件。 第三章 光路分析与光学器件
§31■基本光学关系式 在光电探测系统的光路分析中，用几个基本定律就可以推导 出其它许多重要的关系式。在本章有关问题讨论中始终都要用到 守恒定律、折射定律、反射定律和吸收定律。 3.1.1守恒定律 对于波长为入的辐射，将被吸收、被反射、被透射的能量分数 依次记作a()、p()、T(入)，可将能量守恒定律表示成 a()+p(入)十T()=1 (3.1-1) 2022/10/7 2
2022/10/7 2 §3.1 基本光学关系式 在光电探测系统的光路分析中，用几个基本定律就可以推导 出其它许多重要的关系式。在本章有关问题讨论中始终都要用到 守恒定律、折射定律、反射定律和吸收定律。 3.1.1 守恒定律 对于波长为λ的辐射，将被吸收、被反射、被透射的能量分数 依次记作α(λ)、ρ(λ)、τ(λ)，可将能量守恒定律表示成 α(λ) + ρ(λ) + τ(λ) = 1 (3.1-1)
3.1.2反射和折射定律 电磁波在真空中的速度与在某物质中传播速度之比称为该物质的 绝对折射率，即 n=cfc=Vg/同4=√R,K (3.1-3) 这里，，为无量纲的相对介电常数、相对磁导率。 折射率随着入射波长变化的现象叫做色散，其中，随频率增加而 增加称为正常色散。 设光在介质中传播的距离记为x、速度记为U,则光线在多种不同 介质中传播的总时间 X:=515:Kw=4140 (3.1-5) 2022/10/7 3
2022/10/7 3 3.1.2 反射和折射定律 电磁波在真空中的速度与在某物质中传播速度之比称为该物质的 绝对折射率，即 (3.1-3) 这里，，为无量纲的相对介电常数、相对磁导率。 折射率随着入射波长变化的现象叫做色散，其中，随频率增加而 增加称为正常色散。 设光在介质中传播的距离记为x、速度记为υ，则光线在多种不同 介质中传播的总时间 (3.1-5)
设光在介质中传播的距离记为x、速度记为U,则光线在多种不 同介质中传播的总时间 韶 (3.1-5） 又因为ui=c0/ni,故式(3.1-5)可改写为 %x (3.1-6) f=- -1 上式的分子称为光程(OPL),等双手时间t内光在真空中的传 播距离。 光的传播服从Fermat原理：当光从一点传播到另外点时，它 将沿着具有最短光程长度的路径传播。并直由此可以得到Sne 折射定理： n1sin01 n2sin02 (3.1-7） 当光在两种不同折射率物体表面微元反射时，有反射定律：反 射角等手入射角的。反射角、入射角为光线与面微元法线方向 的夹角，在同一介质中；而入射角、折射角则在不同介质中。 2022/10/7 4
2022/10/7 4 设光在介质中传播的距离记为x、速度记为υ，则光线在多种不 同介质中传播的总时间 (3.1-5) 又因为υi = c0/ni，故式(3.1-5)可改写为 (3.1-6) 上式的分子称为光程（OPL），等效于时间t内光在真空中的传 播距离。 光的传播服从Fermat原理：当光从一点传播到另外一点时，它 将沿着具有最短光程长度的路径传播。并且由此可以得到Snell 折射定理： n1sinθ1 = n2sinθ2 (3.1-7) 当光在两种不同折射率物体表面微元反射时，有反射定律：反 射角等于入射角的。反射角、入射角为光线与面微元法线方向 的夹角，在同一介质中；而入射角、折射角则在不同介质中
3.1.3界面反射损失 如果非偏振辐射以非垂直的角度照射到界面上，根据Fresnel 的完整方程，它的反射率随入射角θ1、折射角θ2的变化是： 0得：离誉品 (3.1-9) tan2(g+62) 对于垂直入射的单色光，有Fresnel方程来描述反射率 ()= 22+21 (3.1-8) 根据公式，两种介质的折射率差别越大，反射也就越大；而 些专门调和的玻璃胶可以使两块同一材质的光学玻璃无反射地 粘合在一起。 2022/10/7 5
2022/10/7 5 3.1.3 界面反射损失 如果非偏振辐射以非垂直的角度照射到界面上，根据Fresnel 的完整方程，它的反射率随入射角θ1、折射角θ2的变化是： (3.1-9) 对于垂直入射的单色光，有Fresnel方程来描述反射率 (3.1-8) 根据公式，两种介质的折射率差别越大，反射也就越大；而 一些专门调和的玻璃胶可以使两块同一材质的光学玻璃无反射地 粘合在一起