Основные энергетические и фотометрические величины - Оптико-электронные (квантовые) системы и устройства

Простейший вид излучения - монохроматическое, т. е. излучение характеризуемое очень узким интервалом длин волн. 1- (1 при 0. Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой, причем связь последней с длиной волны определяет соотношение (с-скорость света).

Спектральный состав излучения, т. е. распределение электромагнитной энергии по длинам волн или частотам является как качественной характеристикой, так и количественной при определении облученности входного зрачка ОЭС.

Определим основные энергетичекие величины оптоэлектроники:

Лучистый поток ФЕ - средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время значительно большее периода электромагнитных колебаний

[Вт]

/ 1 Вт = 10-7Эргс-1= 0234 кал. с-1=6,241018 эВ с-1/.

При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:

Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) МЕ: отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя (т. е. - в полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности

//

Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Ее определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности dS2

Энергия излучения

//

Сила излучения или энергетическая сила света - отношение лучистого потока dФ к телесному углу, в пределах которого он распространяется

Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы излучения к видимой площади излучающей поверхности

Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех направлениях действует закон Ламберта

Откуда

Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах чувствительности человеческого глаза.

Световой поток

,

Где - максимальное значение так называемого коэффициента видности

, (= 683 лмВт-1)

-

Относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с кривой видности человеческого глаза, максимум которой расположен в зеленой области спектра (0,555 мкм).

Соответственно различают:

Световую энергию /1 лмс=1 тальбот/

Силу света

Светимость /1лк=1лмм-2=10-4Фот/

Яркость.

Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной температуре Для всех длин волн Максимально возможную спектральную плотность энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) - отношением его энергетической яркости к энергетической яркости АЧТ при той же температуре.

Тепловой излучатель для которого величина () не зависит от длины волны называется неселективным и, наоборот, при условии =f() мы имеем дело с селективным излучателем (см. рис.1).

Световым КПД излучателя называется отношение

Световая отдача КСв - это отношение М к величине энергетической светимости

Яркостная температура - это температура черного тела, при которой оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает закон Планка

, (1)

Где С1=3,741510-16Втм2, С2=1,4387910-2МК

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-Больцмана:

(2)

Т. е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в четвертой степени (=5,6697110-8Вт м-2К-4 - постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина - Вина

(3)

( - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой ТЗ290 К. Видно, что эта величина близка в то время как для Солнца (Т6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Для удобства использования в расчетах соотношения (1) в справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая получается заменой в (1) переменных на

.

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к кривой Планка необходимо:

Определить по (3)

Определить

Для выбранных определить

Найти y(x) и в заключение-

.

Полезно отметить, что для длин волн величина изменяется пропорционально Т, а в области - увеличивается пропорционально Т5.

Взяв производную, можно найти длину волны, при которой скорость изменения максимальна.

В частности,

(4)

Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность) характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно - систему "объект-фон-атмосфера-прибор-оператор". В указанной системе соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т. е. фона) или, как принято, их определять, контраст объекта

(5)

И его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при определении конструктивных особенностей самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по амплитуде за счет влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного излучения.

Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать следующие составляющие части трассы визирования:

Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:

Оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства, фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки и видеоконтрольное устройство.

В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного восприятия (т. е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.

Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в числе которых:

Пороговая чувствительность - это наименьшая величина потока излучения, наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность слежения, адекватность восприятия изображения и т. д.).

В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности - величине обратно пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС, работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество изделия способностью различать минимальную разность температур двух участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой изменяются в пределах 0,01-0,5, наиболее информативна и наглядна в инженерной практике.

Пороговому значению чувствительности естественно соответствует предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна работоспособность прибора.

Дальность действия - определяется порогом чувствительности ОЭС и характеризует максимальную дистанцию (или определенный диапазон дистанций), на который при строго определенных внешних условиях реализуется основная функция прибора.

Поле обзора - телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект. Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность мгновенных полей зрения.

Мгновенное поле зрения - это телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть пространства с заданным пространственным разрешением в данное время t, при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени t0=t.

Время обзора t0- время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров - величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, ее размером и фокусным расстоянием объектива.

Похожие статьи




Основные энергетические и фотометрические величины - Оптико-электронные (квантовые) системы и устройства

Предыдущая | Следующая