Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 5 )

2.1. Оптический спектр электромагнитных колебаний

Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны или частоты принято называть его спектром. В значительной степени условно принято делить спектр электромагнитных колебаний на радиодиапазон (длина волны l меняется от 1мм до нескольких десятков километров), оптический диапазон (l меняется от 1нм=10-3 мкм до 1мм) и рентгеновский диапазон (l=10-5...10-3 мкм). Весьма широкий оптический диапазон в свою очередь подразделяют на ИК область (от 0,76 мкм до 1 мм), видимую (0,4... 0,76 мкм) и УФ область (10-3... 0,4 мкм).

Инфракрасная область делится на коротковолновый (ближневолновый) участок (0,76...1,7 мкм); средневолновый (3,0…5,0 мкм), длинноволновый (8,0…14,0 мкм) и дальний ( 20 мкм… 1 мм). Следует указать, что границы этих диапазонов и участков также в значительной степени условны, и в ряде случаев можно встретить другое деление спектра электромагнитных волн.

В зависимости от характера распределения энергии излучения по спектру источники излучения принято делить на источники с непрерывным спектром, к которым в первую очередь относятся источники теплового излучения (излучения, возникающего в результате теплового возбуждения частиц вещества: атомов, молекул, ионов), источники с полосовым и линейчатым спектрами, к которым относятся люминесцентные излучатели и лазеры (энергия различных видов превращается в энергию излучения без промежуточного преобразования в тепловую), а также источники смешанного типа, излучение которых наряду со сплошным спектром имеет отдельные заметные полосы или линии.

Элементарными источниками излучения являются атомы и молекулы вещества. Атомарное излучение происходит при переходе электронов с одного энергетического уровня (более высокого) на другой. Каждому типу перехода соответствует монохроматическое излучение. Излучение молекул возникает при их колебательном и вращательном движениях, причем спектр вращательного движения молекул расположен в более длинноволновой области (обычно в длинноволновой ИК-области). При колебательно-вращательном движении молекул спектр состоит из группы монохроматических линий, образующих полосу излучения. Монохроматическое излучение, т. е. излучение с практически одной частотой n или длиной волны l=c/n, где с – скорость распространения электромагнитного излучения, можно представить как поток квантов с одинаковой энергией:

E=hn=hc/λ ,

где h = 6, 626×10-34 Дж×с – постоянная Планка. Поскольку частота оптического излучения больше частоты радиоволн, кванты излучения в оптическом диапазоне более мощны, чем в радиодиапазоне.

Величины, описывающие монохроматическое излучение, обычно обозначают индексами l и n. Иногда вместо длин волн l используют обратные им величины – волновые числа s, которые выражаются в см-1.

2.2. Основные энергетические и фотометрические величины и соотношения между ними

Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения Fe – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний.

Спектральный состав излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения – функцией, описывающей зависимость монохроматического излучения Fe(l) от длины волны (частоты). Произведение Fe(l)dl определяет мощность, переносимую потоком в интервале длин волн dl. Таким образом,

Наиболее часто встречающиеся в оптико-электронном приборостроении величины, характеризующие оптическое излучение, приведены в табл. 2.1.

Условимся в дальнейшем индексом 1 обозначать элементы и параметры, относящиеся к излучателю, а индексом 2 – к облучаемому объекту.

Таблица 2.1

Основные энергетические и фотометрические величины и единицы их измерения

(в соответствии с системой СИ и рекомендациями Международной комиссии по освещению)

Таблица 2. 1 (окончание)

Примечание. Если энергетические и световые величины нельзя спутать, то индексы е (энергетический) и v (визуальный) могут быть опущены.

Для расчета ОЭП особый интерес представляет распределение потока излучения в пространстве, которое достаточно полно описывается следующими величинами.

Энергетической светимостью Me называется отношение потока излучения, испускаемого малым элементом поверхности по одну сторону от себя, т. е. в полусферу, к площади этого элемента dA1.

Энергетической освещенностью (облученностью) Ее называется отношение потока излучения dFe, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dA2.

Силой излучения называется отношение потока излучения dFe, распространяющегося от источника в определенном направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу dW1, т. е.

(2.1)

Нужно отметить, что здесь имеется в виду точечный источник излучения, т. е. тело, имеющее малые размеры по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается его действие.

Энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности, т. е.

(2.2)

где – энергетическая сила света в направлении 1; – видимая площадь элемента поверхности dA1 в направлении, образующем угол 1 с нормалью к элементу dA1.

Так как ,то

Для плоских источников с яркостью, одинаковой во всех направлениях, справедлив закон Ламберта, согласно которому сила излучения пропорциональна косинусу угла 1. Для поверхностей, подчиняющихся этому закону,

откуда

Закон Ламберта строго справедлив только для идеально рассеивающих или идеально поглощающих поверхностей. Широко используется следствие из закона Ламберта, по которому устанавливается связь между Мe и Le, а именно:

.

Качественной характеристикой каждой из указанных величин является ее спектральная плотность, определяемая как отношение энергетической величины (освещенности, силы света, яркости), взятой в малом спектральном интервале длин волн, к ширине этого интервала Dl. Например, спектральная плотность энергетической светимости Мl=M(l) является величиной Me, приходящейся на интервал l...l+Dl.

Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется выражениями вида

и т. д.

При оценке мощности излучения по производимому им световому ощущению, т. е. по реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения, пользуются понятием о световом потоке Fv и соответствующими световыми величинами. Определения световых величин аналогичны определениям соответствующих энергетических величин.

Рассмотрим переход от энергетических величин к световым. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если для некоторого излучателя измерить поток излучения в бесконечно малом диапазоне длин волн l...l+Dl и световой поток, т. е. поток, воспринимаемый глазом в том же диапазоне спектра, то отношение значения светового потока Fvl к значению потока излучения Fel будет характеризовать спектральную световую эффективность

Отношение Kl для какой-либо длины волны излучения к максимальному значению Km называется относительной спектральной световой эффективностью для дневного зрения:

где Km=683 лм×Вт-1 – световой эквивалент потока излучения.

Часто график Vl называют кривой спектральной чувствительности глаза или кривой видности (рис. 2.1). Ее максимум соответствует lmax = 0, 555 мкм.

Если поток излучения определяется как то, очевидно, световой поток

Пределы интегрирования зависят от диапазона значений Kl. Нужно отметить, что не только для глаза, но и для любого селективного приемника, имеющего неодинаковую чувствительность к излучению различных длин волн, оценка эффективности потока может быть проведена аналогично. Вместо абсолютной спектральной кривой чувствительности глаза Kl следует взять спектральную характеристику приемника sl.