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传感器用到的光学元件及光学原理(二)

 
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海伯森高端传感器胡江鹏 发布于 2020-12-10 17:44:37 浏览 5415 点赞 64 收藏 8

上次我们讲解了一些基本的光学原理,今天让我们来看看传感器中常用的一些光学元件。

一丶反射镜 我们知道,反射镜是我们使用最多,最为频繁的一种光学元件,你真的了解它吗? 光在传播的过程中只要经过不同的介质,就会有反射发生。为了增强光的反射率,我们经常会在平行板或其他形状的基板第一面或第二面涂有一到两层反射涂层。 其中第一面的反射镜最为精准,而对于第二面反射镜来说,光只能进入不同折射率的平板,第二面的反射镜实际上也是镜面与窗口的组合。 我们来看看第二面反射镜的光路图,如下

这里我们需要考虑到第二面反射镜的一些干扰因素。首先,因为面板的折射率n,反射面看上去更接近上图,对于较小的角度θ1,载体的虚拟厚度d可用简单公式计算。 第二面反射镜的前表面也能反射大量的光,导致所谓的虚反射,例如玻璃板通常在空气中反射大约4%的可见光。

二丶涂层反射镜 银,铝,铹等都可以作为可见光和近红外光的反射表面涂层。对于远红外光谱范围的我们一般采用金作为反射表面涂层。我们根据采用不同的涂层,能让反射率达到0~1的任何值。 下面给大家做出相关反射涂层与折射率的关系曲线图,应该会更为明了。 这其中纯金属涂层比较适用于宽频应用,它是利用真空沉积或者电解沉积的原理把沉积在玻璃或其他金属面上。我们在利用沉积反射之前,为了达到均化效应,可适当增加铜的金属涂层。 另一方面,反射平面实际上也能加工成任意形状从而达到改变光线传播方向的效果。在光学系统上,曲面反射产生的效果和透镜类似,它有许多优点。其中包括: 一,更高的透光率,尤其在波长较长的光谱内,透镜因吸收和反射损耗较高,所以效率就也变低了。 二,不会因折射表面的色差导致失真。 三,与其他种类的透镜相比,它的尺寸更小,重量更轻。

三丶球面镜 它可以用于需要收集聚焦光的任意场合,但是,球面反射镜只能对接近于法线入射到镜面的平行光或近平行光光束有良好的聚焦作用。我们把这种反射镜的成像缺陷称之为像差。 上图是一球面反射镜的光路图。C点是它的曲率中心点。焦点位于球面中心半径的1/2处。 球面反射镜是像散的,这也意味焦点不会在离轴光线处聚焦。但是球面反射镜探测器中作用还是非常明显的。因为我们知道,探测器它只需要探测的信号的有无,不需要高成像质量,比如我们常使用的红外运动探测器就是其中一种。

四丶棱镜 由上图所示,光线从折射率n2摄入折射率n1的介质中,方向没有发生改变,光线b以一定角度进入介质,那么另外两个角度将持续增加。如果沿着边界折射的话,当折射光线垂直,此时折射角为90°,这种特殊的入射角我们把它称之为全内射角。全内反射角是两个折射率的函数。 光线e以更大的入射角,此时光线将不会穿越边界,但是像遇到一面镜子那样,以同样的角度被反射。请注意,只有当光线从折射率大的介质射入折射率较小的介质时,才能产生TIR效应。一旦TIR形成,作为反射面的第二层表面并不需要涂层,通常用于类似图b的棱镜。棱镜的形状允许光线以一定角度进入棱镜,并发生全内反射。全内反射在可见光和红外光谱范围内最为有明显。

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海伯森高端传感器胡江鹏
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