Источники и приёмники Излучения

чеьнИК ДЛЯ В У ЗОВ Допущено Государапвеннссм комитетом СССР по народному образованто в качаипве учебного пособип для студентов опашческил спеимаеьностей 4 Санкт-Петербург „ПОЛИТЕХНИКА" "1991 Введвние : Нй Яй йиЧВийй ', л так 'в(г«чаавйвй(й ййвТй «!' « «вайа()автаев 6 73нб 0!6~ о ББК 32.86-оо-04рг73 И89 в УДК (887,7.069.2 + 681.7.069.2.331 (075.8) А в т о р и: И«ввввв Г. Г., Ивв«.;в Э. д6 двщьм '. Л., цвл в«вквв !г В. р в н е н в в в т и кв ас гвхв, ввук Свлавмов И. М., кяФвлрв оэы м!4ВГАИК «- !сточннкн н приемники ъзлучення; У.ебпое гас Юне для И89 студентов оптических спецрвл»ногтей вуз«вНГ. 1'. '1:!анин, Э.

Р! Панков, Л. Л. А «:ш«ев, Г. В. !1олгш«ннвн« вЂ” СПб.; Почнтехччк; 19а! -- '40 и! !БВ)ч 6-7396-0!64-с 8 ув«: ввв в««во ьв впв«вн р.«л...в«в» влы в-. в ввк, в и вр н ввквв ввлв вв н«, ввл:,.вымх к ..ввьвь, вв««ввн« .ввввя к л «яв ) л" ~в в«вверх в«, вв: в вм-.врввл вв ввговв««квнвй вр ввввввм взл« ~««внъ вв .:*. ы фвви. азов~в«р:юв вы ЬНК Зз.зн-а-04втЗ ,'сг Г. Г. !!нншпн, .ч. Д. Г!ников, А. Л.

Лндреев. Г, В Полыцнков, !991 О п т и к а - э л е к т р о н н ы м и р и б о р о м (ОЭП) принято называть совокупность оптических, электронных, механических, вычислительных и других элементов и узлов, предназначенных для приема оптического сигнала, преобразования его в электрический сигнал и обработки информации об источнике излучения, содержащейся в сигнале. Различают два основных метода рабаты ОЭП: пассивныи и активный. При пассивном методе ОЭП использует оптическое излучение самого исследуемого либо рабочего объекта, либо излучение, отражаемое при освещении объекта каким-либо естественным излучателем. Б этом случае ОЭП принимает оптический сигнал, фильтрует его на фоне шумов и помех и извлекает из него полезную инфармацию.

При он«пивном методе ОЭП излучение от источника, который может входить в состав ОЭП, направляется к исследуемому либо рабочему объекту, отрзжаетсн от него н поступает в ОЭП. Приемная часть ОЭП решает те же задачи, чта и при пассивном методе работы. Обобщенная структурная схема ОЭП зависит от метода работы.

При пассивном методе она включает оптическую систему, прнемянк излучения, электронный тракт и выходное устройство, Прн активном методе в схему добавляется передающая система (источник излучении). Таким образом, в обоих случаях в структурную схему валим чены источник излучения н приемник излучения, которые представляют собой одно из ее основных звеньев. Прием оптического излучения приемникам излучения связан с прохождением оптического излучения через среду между исследуемым нлн рабочим объектам и через оптическую систему.

Именно рассмотрению источников оптического излучения, его прохождения через среду распространения н оптическую систему н приемников излувения посвящено данное учебное пособие. Б пем излагается материал курса «Источники н приемники излучения«, читаемый в вузах для студентов оптических специальностей. По вшепию авторов, польза от та~~~о пособия ну д "т несомненна «; к еак в настоясц«.в время нет публикаций, где бы осуждаемые вопросы были изложены совместно и систематизированы с единых методических позиций.

В учебном пособии авторами не рассматриваются системы фото- метрических единиц, так как они подробно освещены в курсах фотометрии. Кроме того, авторы не рассматривают источники когерентного излучения — лазеры — по той же причине. Информация о них широко дается в специальных курсах. Труд по написанию учебного пособия распределился между авторами следующим образом: гл. 2 написана Г. В. Польщиковым, гл. 6 — А. Л. Андреевым, гл.

1, 3 — 5 и 7 — совместно Г. Г. Ишаниным и Э. Д. Панковым. В подготовке материалов для гл. ! принимал участие В. Л. Мусяков, которому авторы приносят свою искреннюю благодарность. Часть ! ИСТОЧНИНИ ИЗЛУЧЕНИЯ Глава 1 ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Искусственные источники оптического некогерентного излучения можно разделить на группы: тепловые; люминесцентные; газоразрядные; светодиоды; некогерентным излучением обладают также естественные объекты.

При тепловом излучении поток излучения и его спектральный состав определяет температура. Световое излучение обусловлено спонтанными переходами электронов с высоких уровней на более низкие, ИК-излучение происходит за счет изменения колебательного и вращательного движений атомов. Тепловое излучение происходит в широком спектральном диапазоне и выходит из излучателя во все стороны.

При люмииеспввтном излучении атомы и электроны спонтанно переходят с высоких уровней на более низкие, а возбуждаются электромагнитным полем. Люминесцентное излучение выходит нз излучателя во все стороны, но спектральный диапазон его уже, чем у теплового. Г а з о р а з р я-д-н-ы-м-.источником излучения называют прибор, в котором излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей. Принцип действия излучающих п о л у п р о в о д н и к о в ы х д и о д о в (с в е т о д и о д о в) основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с р — и-пере, ходом.

$ !.!. Тепловые источники излучения Черное тело, коэффициент теплового излучения полости. Ч е р н ы м т е л о м (ЧТ) называется излучатель, поглощающий все падающее на него излучсние. ЧТ вЂ” эталонный источник потока излучения. Его применяют для паспортизации различных приемников излучения (ПИ), для определения хзралтеристик пропускания я поглощения различных материалов, а также спектральных характеристик монохроматоров, для контроля пирометров и радиометров и других измерительных приборов.

За эталон ЧТ принято потому, что мощность, излучаемую им, можно подсчитать с помощью законов теплового излучения. Поскольку по закону Кирхгофа отношение спектральной плот- ности энергетической светимости (СПЗС) и спектрального коэффи- циента поглощения есть величина постоянная для данной темпера- туры и длины волны, а спектральный коэффициент поглощения ЧТ равен единице, то СПЗС ЧТ является максимально возмож- ной для данных Т и Л.

Именно поэтому ЧТ называют полным излучателем. В природе ЧТ не существует. Однако искусственно удается создать излучатели, свойства которых приближаются к свойст- вам ЧТ. Модель ЧТ можно получить в виде замкнутой полости с не- большим отверстием в ней. Попадающее внутрь такого источника излучение многократно отражается на стенках и сильно погло- щается. Чем меньше входное отверстие, тем меньше вероятность выхода излучении из полости, т.

е. тем больше коэффициент поглощения. Такой излучатель по своим свойствам приближается к ЧТ. Излучение полого источника всегда больше излучения плос- кого источника. Различия излучательной способности вогнутой поверхности (или полости) и гладкого плоского образца можно охарактеризовать э ф ф е к т и в н ы м к О э ф ф и ц и е н т о м т е п л о в о г о и з л у ч е н и я, или коэффициентом почерне- ния 7(Л,Т)>1. В соответствии с законом Кирхгофа можно записать 7, 111л,г) -м(л, г) клир(л 7) ( )~41 1иа(л 7) аа1 (л '1") дар, 71 У( ) ' 1 ) где у (Л, Т) — коэффициент почернения; 114' (Л, Т) — СПЭС пло- ского образца; 114 (Л, Т) — СПЗС полого излучателя; и' (Л„Т)— коэффициент теплового излучения плоского образца; Ма (Л, Т)— СПЭС ЧТ.

Поскольку СПЗС любого тела меньше СПЭС ЧТ, то у (Л, Т) ьс мз' (Л, Т) < 1, Излучение полой сферы с отверстием на поверхности. Другие виды излучающих поверхностей. Часто излучение любой полости приближенно оцен:1впют приведением се к равновеликой сфери- ческой позерхпосчи, прич111 позерхио.тк полостей и плоп1зди ствеогтпй должны быть рлвиыми.

Поэтому рассмотрим излучение сфе1 ы, ьа поверхнссти которой сделан круглое окно даш выхода излучения. Эффективн.ий коэфф:циент теплоиопо излучении сферы равен ~~т,~., ч) ,'— р ьа 17) где т == .'з/Б,э ( 1; 5:= уаэ — Ь'„а — поьерхиость полости; к, г1 — ка.ордшзаты точки полости: 7., (Т) — собственная яркость пло1ц:,'1кк Й; р — коэфс) ициент Отйазисоия полости. ИЕЛИЧИлл т ОПРЕдЕЛяичоя днаыстООМ Ото*Ретив, 11ОЭтОЫу ИЗ- лучепне зависит от нетто Если отверстие уменьш11етси, чс т 1, и рис, 1д. Виды излучззаиьик полоскай при этом е,э — 1.

Чтобы получить коэффициент излучения близким к единице, необходимо иметь большую полость к малое отверстие. Полости изготавливают из различных материалов (стали, алюминия, меди), обладающих хорошей теплопроводностью для получения Т = сопз1 по всей полости. Их формы могут быть разлкчиыми (рис. 1.1). Поверхность обычно выполняют шероховатой и оксидированной.

Черные тела снабжаются набором диаФрагм Разного размера, которые охлаждаются либо водой, либо воздухом. В последнем случае они имеют радиаторы. Небольшие изменения формы полости слабо влияют на коэффициент излученияу Более важно поддерживать постоянной телшературу внутри полости'(изотермическая полость). Температуру измеряют термометрами или термопарами. Если температура ЧТ выше 1273 К, то обычно используют керамику. К хорошим результатам приводит изготовление ЧТ на оскове конической поверхности с углом ф при вершине, меньшим или равным 15 .

Если конус выполнен с коэффициентом излучения материала и = 0,7 †: 0,75 и ф =- 5", то эффективный коэффициент излучения ЧТ будет больше 0,99. Приближенная формула расчета коэффкциента излучения конической поверхности имеет вид е,е ж 1 — р 1(П'/411)7(1 + + 0з74(з)1, где ьа — выходной диаметр конуса; 1 — длина конической поверхности (рис. 1.2). Хорошие параметры имеют излучатели в виде трубок с малым отверстием или узкой щелью на цилиндрической поверхности. На рис.