Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Очевидно, что до тех пор, пока поток излучения не выходит за пределы линейного участка полной амплитудной характеристики. средняя крутизна постоянна и сигнал синусоидален. В дальней- 276 п1ем при увеличении потока имеет место нелинейность, причем в пределе сигнал приобретает форму прямоугольных импульсов, амплитуда первой гармоники которых практически не изменяется, т. е. значение средней крутизны стремится к нулю, Наибольшее распространение получило понятие крутизны для модулированного сигнала, или дифференциальной крутизны (дифференциальной чувствительности). Когда пользуются Г/5, этим понятием, то под амплитудной (энергетической или световой) характеристикой приемника излучения подразумевают зависимость дифференциальной крутизны (чувствительности), выраженной в относительных Ф величинах 3/Яо. от УРовнЯ по- Рис. 219.
О~ ий вид зависим ти фстоянной засветки (немодулиро- ф, „ц„„ной „рутизны «чувстви ванного потока излучения) Ф . тельности) приемника излучения от '1'акая характеристика вазы уровня постоянной засветки — ампливается фщд78ой удр~цсщ~рц~уу$и тудная «энергетическая или световая) характеристика кой чувствительности фото~.
приемника «рис. 219). Экспериментальное определение дифференциальной крутизны производится следующим образом (рис. 220). Модель абсолютно черного тела АЧТ„имеющая температуру Т, (К) и площадь выходного отверстия А„устанавливается на Рис. 220. Принципиальная схема экспериментального определения дифференциальной крутизны приемника излучения Расстоянии Ь от приемника излучения Пр с площадью чувствительной поверхности а. Немодулированный поток излучения (Вт), падающий на приемник, в этом случае равен о7"4 А1 Ф = — — а 1 и У е где о = 5,7 10 " Вт.см ' К '.
Если этот поток модулируется синусоидально модулятором М, установленным непосредственно у выходного отверстия АЧТ„ то действующее (среднеквадратическое) значение первой гармоники падающего на приемник потока равно (рис. 221) Ф -=- И»„ где й = 3l 'У4 = 0,35. Сигнал, вырабатываемый приемником, регистирируется прибором, измеряющим среднеквадратическое (действующее) значение первой гармоники У.
(На рис. 220 предполагается, что прибор отградуирован в действующих значениях первой гармоники входного сигнала, т. е. сигнала на зажимах приемника излучения.) Уровень постоянной засветки Ф в общем случае определяется потоком изл- ~ — l~'=-у чения Ф, АЧТ„постояннои составляющей потока излучения 0,5Ф, АЧТ, и побочными потоками излучения Ф, Рис. 221. Процесс синусоидальиой мо- дуляции потока излучения Ф вЂ” Ф +0 5Ф + Ф Обычно измерения проводятся в условиях, когда Ф )~ 0,5Ф, -1- + Фф.
Следовательно, Ф =- Ф, = (от,'Ъ) аА,ТР. При заданном значении Ф дифференциальная чувствительность Я = — Ц~Ыэ, = 2 ~/ 2 К~Ф, = 2,8Ж~Ф,. Если модулятор не обеспечивает синусоидальпой модуляции потока излучения, то осуществляется измерение действующего значения первой гармоники сигнала, выделяемой соответствующим электрическим фильтром.
Соотношение между этим действующим значением и фактической величиной полного размаха модулированного потока Ф, зависит от формы модуляции. При прямоугольной форме модулированного потока коэффициент А равен 0,45, при треугольной форме — 0,286. В других случаях значения этого коэффициента могут вычисляться путем разложения сигнала в ряд Фурье. Основные характеристики приемника измеряются при интегральном облучении (от абсолютно черного тела или другого эталонного источника излучения). Поэтому соответствующее значение крутизны (чувствительности), определяющее меру реакции приемника на сложный поток, называют интегральным. Приводимые в паспортах приемников значения интегральной крутизны обычно определяются для излучения эталонных источников, какими являются: 278 источники типа А (2855,6 К), В (4800 К) и С (6500 К) для фотоэлементов с внешним фотоэффектом и других приемников, чувствительных в видимой области спектра; абсолютно черное тело с температурами 100' С, 300" С, 500 К и 1273 К для приемников, чувствительных в инфракрасной области спектра.
Сведений об интегральной чувствителыюсти оказывается недостаточно, и возникает потребность в дополнительной информации о спектральной крутизне (чувствительности) приемника, определяющей его реакцию на монохроматический поток. Такая информация необходима потому, что один и тот же поток излучения оказывает различное действие на различные приемники излучения; например, глаз человека не видит излучения тела, нагретого до температуры 500 К, в то время как с помощью эвапорографа это излучение можно легко обнаружить. Различный эффект воздействия излучения на приемники связан с их селектнвностью (избирательностью).
Поэтому при работе с оптико-электронными приборами часто пользуются, наряду с энергетическими характеристиками излучения, так называемыми эффективными характеристиками (единицами), учитывающими не только абсолютную величину излучения, но и его спектральный состав. Поток, эффективно воспринимаемый приемником излучения, Ф, = — ЕФ„, где Ф, — полный (энергетический) поток, излучаемый источником во всем спектральном диапазоне и достигающий приемника; 5 — коэффициент использования, показывающий, какая доля полного потока воспринимается приемником. Коэффициент использования $ вводится следующим образом. Пусть дФ, — монохроматический (от Х до Х+ Ю) поток, падающий на приемник, а Ф,„— спектральная плотность этого потока. Тогда сФ, = Ф„„Ю, а полный поток, излучаемый источником во всем спектральном диапазоне и достига1ощий приемника, Если Ф„„— максимальное значение спектральной плотности потока, то <~(Х) = Ф„УФ...
представляет собой распределение спектральной плотности потока излучения по спектру в относительных единицах, т. е. относительное спектральное распределение. Пусть Я (Х) — спектральная дифференциальная крутизна (чувствительность) приемника, равная йl сМ/ з(л) =- „ а Я „ — максимальное значение этой величины *; тогда ь (~(') = ) (~('Ипих представляет собой распределение спектральной дифференциальной крутизны приемника по спектру в относительных единицах, т.
е. относительное спектральное распределение крутизны (чувствительности) приемника излучения. Имеют место также следующие очевидные соотношения: ~(~ — '-' Р') Фэх ((~~(' Фв п)ах ~(пах Ч~ (~(') ь" Р') ((~~('э (р= ~в(),р),(), =а, а ~ р())ц).),(). О О Таким образом, действие сложного излучения Ф, на приемник, имеющий спектральное распределение крутизны 5 (Х), вызывает появление сигнала У на зажимах приемника. Тот же сигнал может быть получен, если предположить, что приемник имеет не зависящую от длины волны крутизну Я, а падающий на приемник поток равен некоторой величине Ф >, которая подлежит определению.
Так как У = Я,„Ф,Ф, то Ф,~ — Ф, ) ~р())й())Ю; О но ©, = ) ©„~(), = ~)~, ~, ) ~р ().) Й).; О О следовательно, (р(~(,~ й(Ц (~~ Ф ф —— (р (Х)дХ если обозначить Ц = ) ~р (Х)Й(Х) ю() ) кр(/)НР~, О О найдем * При отсутствии максимума в спектральном распределении падающего потока и крутизны приемника в качестве Фп,~„и Яп)~„могут бьггь приняты соса'- ветствующие значения на некоторой заданной длине волны (своей для каждо" величины). 28О При расчете коэффициентов использования различными при- мниками излучения абсолютно черного тела необходимо иметь в виду следующие соотношения: р ) цАчт~рАчт 1~Ачт (1Л о оТ4 о,(Я (рАчт Р) сй =- ~АЧ т ббть т о ПИХ Так как о 5,7-10 '~ — =4400К мкм У 1,З 1О 1ь.
Ф МАЧТ = 44щ ~МАЧТ (~)~(ЧЮ. т о Действие излучения на глаз человека можно оценивать также в эффективных величинах (эффективных световых ваттах): Фсв = Ъг~Фэ. где Ԅ— эффективный поток, воспринимаемый глазом человека, т. е. световой поток; Ф, — полный (энергетический) поток, излучаемый источником во всем спектральном диапазоне и достигаю- 1б щий приемника; ф„— коэффициент использования полного по- ба тока глазом человека. Очевидно, что б,б В качестве относительного спектрального распределения чув- 4бб 4ы иб ы ббб т вб кон СтеитЕЛЬНОСти гЛаэа Йгл (Х) МОЖНО Рис.
222. Относительная спектральиспользовать функцию относи- пая световая эффективность излучетельной видности глаза кото)рую ния для~~ стандартного фотометриназывают также нор нализованной ческого наблюдателя МКО приме- нительно к дневному и 1Л) и ночному функцией относительной спек- и' (Л) зрению тральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО (Международной комиссии по освещению) применительно к дневному о (Х) или ночному о' (Х) зрению. Эти функции приведены в табл.
13 и на рис. 222. Поскольку в СССР принято, что все световые величины должны определяться только с при- 281 Таблица 13 Относительная спектральная световая аффективность иалучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО Днезное Ночное зрение и (Л) зрение о' (Л) Л ° н~ Дневное зрение и (Л) Ночное зрение о' (Л) Л, нм менением функции о (Л) для дневного зрения, в дальнейшем будем использовать именно эту функцию. Следовательно, относительное спектральное распределение чувствительности глаза ~,.
(Л) =- о(Л). Коэффициент использования глазом излучения 4„в фотометрии называют относительной световой эффективностью и обозначают буквой о, т. е. ~„„= о = ) ~рР.) о(Х) Ю При оценке зрительного восприятия световой ватт оказывается слишком большой величиной, и для этих целей используется спепиальная единица — люмен, вводимая через максимальную спектральную световую эффективность излучения Яи„„; (лм. Вт '), которая имеет место на длине волны 555 нм для дневного зрения, т. е.
Й„(Л) =- о (Л) =- Я,.„(Л)/5„„, „, где Я,„(Ц вЂ” спектральная световая эффективность излучения. 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 0,0000 0,0001 0,0004 0,0012 0,0040 0,0116 0,023 0,038 0,060 0,091 0,139 0,208 0,323 0,503 0,710 0,862 0,954 0,995 0,995 0,952 0,870 0,000589 0,002209 0,00929 0,03484 0,0966 0,1998 0,3281 0,455 0,567 0,676 0,793 0,904 0,982 0,997 0,935 0,811 0,650 0,481 0,3288 0,2076 0,1212 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 0,757 0,631 0,503 0,381 0,265 0,175 0,107 0,061 0,032 0,017 0,0082 0,0041 0,0021 0,00105 0,00052 0,00025 0,00012 0,00006 0,00003 0,000015 0,0655 0,03315 0,01593 0,00737 0,003335 0,001497 0„000677 0,0003129 0,0001480 0,0000715 0,00003533 0,00001780 0,00000914 0,00000478 0,000002546 0,000001379 0,000000760 0,000000425 0,000000241 0,000000139 Следовательно, световой поток (лм) (1) (Л) а(Л) сР.
р =-,. 5 и „г)т„ ---- 5 ,Г 9. " „ — Ф, =-- 3 ,„ „„, ) г)гй о (й) г()ь ~р(Л1 1Л где Фй~ — спектральная плотность потока Ф,. Значение максимальной спектральной световой эффективности излучения можно определить из предыдущей формулы, имея в виду, что если в качестве источника излучения использовать абсолютно черное тело при температуре затвердевания платины (2042 К), то световой поток равен 1 лм *. Таким образом можно найти 3~,,„=680 лм.Вт 1, т. е. Е= 680)1, ~ йт (й)н(й)е)й ) йт(й)г)). В заключение рассмотрим связь между интегральной и спектральной крутизной (чувствительностью) приемника излучения и между интегральными значениями крутизны приемника, определенными по отношению к различным источникам излучения. Интегральная крутизна, определяющая реакцию приемника на сложный (по спектру) поток, Щ1)5 (Ц (1Л (1) (Л1 Й (Л1 Ю Я= —— У о О ~П)9Х РтаХн Ф,.й„Б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
