Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДАТЧИКОВ



«Там где заканчивается телескоп, начинается микроскоп. Какой из этих двух приборов имеет больший обзор ?»

Виктор Гюго

Свет может преломляться, отражаться, поглощаться, интерферировать, поляри­зоваться и распространяться. Все эти явления могут использоваться для построе­ния разнообразных датчиков. Для управления светом применяются специальные оптические устройства, которые описываются в этой главе с точки зрения гео­метрической оптики. Это значит, что свойства света, подробно изучаемые в кван­товой механике и квантовой электродинамике, здесь рассматриваться не будут. Волновые свойства света будут также игнорироваться. Свет в этой главе пред­ставляется в виде движущейся фронтальной поверхности или в виде луча, пер­пендикулярного этой поверхности. Для того чтобы эти допущения были справед­ливы, оптические элементы, геометрические размеры которых намного меньше длины волны, учитываться не будут. Например, если в оконном стекле есть не­большие включения субмикронного размера, они будут полностью проигнори­рованы в ходе всех геометрических вычислений в любом диапазоне длин волн. Другим примером является дифракционная решетка. Ее поведение не может быть описано методами геометрической оптики. В таких случаях необходимо приме­нять методы квантовой электродинамики. В этой главе рассматриваются только те оптические элементы, которые наиболее часто используются для построения датчиков. Более подробную информацию по вопросам геометрической оптики можно найти в специальной литературе (например, [1]).

Перед тем как управлять светом, его сначала надо получить. Есть несколько способов генерации света. Существуют естественные источники света, некоторые из них могут быть встроены в измерительные устройства. Самыми большими есте­ственным световыми источниками являются астрономические объекты, такие как Солнце, Луна, звезды и т.д. К естественным источникам света также относятся все материальные объекты, излучающие то или иное количество тепловой энергии, зависящее от их температуры (см. третью главу). К таким объектам относится пла-


Оптические компоненты датчиков 147

мя, экзотермические химические реакции, живые организмы и другие естествен­ные источники тепла, температура которых отличается от окружающей, и чье теп­ловое излучение может избирательно детектироваться оптическими приборами. Искусственные источники света — это нити накаливания электрических ламп, светоизлучающие диоды (СИД), газоразрядные лампы, лазеры, лазерные диоды, нагреватели и охладители.

На рис. 4.1 показано несколько примеров систем управления светом в датчиках. Большинство этих методов основаны на изменении направления света, другие — на избирательной фильтрации определенных длин волн (рис. 4.1А). Изменение направ­ления света осуществляется за счет таких физических явлений как отражение при помощи зеркал, дифракционных решеток, оптических волноводов и оптоволокон и отклонение при пропускании лучей через линзы, призмы, химические растворы, кри­сталлы, органические материалы и биологические объекты. При прохождении света через такие объекты из-за воздействия внешних факторов может произойти измене­ние некоторых его параметров, таких как: интенсивность, направление распростра­нения, поляризация, спектральный состав, и даже таких как: скорость света и фаза его волны. Задача разработчиков датчиков заключается в том, чтобы научиться опре­делять количественное изменение этих параметров и соотносить полученные резуль­таты с величиной внешних воздействий.



 


 


 


 


148 Глава 4. Оптические компоненты датчиков

 


Радиометрия

Рассмотрим прохождение света через трехслойную структуру, каждый слой кото­рой изготовлен из разного материала, называемого средой. На рис. 4.2 показана траектория луча при его распространении через все слои структуры. Часть падаю­щего света отражается от плоской границы между первыми двумя средами. Из закона отражения, исторически приписанного Евклиду, известно, что:



 

Часть света, уже под другим углом проходит дальше — во вторую среду. Величина нового угла θ2 определяется законом преломления, открытым в 1621 году В. Снел-лом (1580-1626):


где n1 и n2, — коэффициенты преломления двух сред.


среда 1 среда 2


среда 3



Рис. 4.2 Прохождение света через ма­териалы с разными коэффициентами преломления


Во всех средах свет распространяется гораздо медленнее, чем в вакууме. Коэффициент преломления — это отношение скорости света в вакууме с0 к скорос­ти света в среде с:




Поскольку с < с0, коэффициент преломления среды всегда больше единицы. Ско­рость света в среде зависит от диэлектрической проницаемости среды е, которая,



4.1 Радиометрия


в свою очередь, определяет коэффициент преломления:



 

Как правило, п также является и функцией длины волны. Зависимость коэф­фициента преломления от длины волны особенно четко проявляется в призме. Одну из таких призм использовал Исаак Ньютон в своих экспериментах при изу­чении спектра света. В видимом диапазоне спектра коэффициент преломления п часто определяется при длине волны 0.58756 мкм, соответствующей желто-оран­жевой линии гелия. В Приложении приведены коэффициенты преломления не­которых материалов.

Зависимость коэффициента преломления от длины волны называется дис­персией. Изменение п с увеличением длины волны обычно происходит очень плав­но и часто незаметно, если только длина волны не приближается к области, где материал перестает быть прозрачным. На рис. 4.3 показаны зависимости коэф­фициентов пропускания различных оптических материалов от длины волны.

 


Доля света, отраженного от границы под углом &х, зависит от скорости света в двух смежных средах. Отношение потока отраженного света Ф к потоку падаю­щего света Ф0 называется коэффициентом отражения р, который можно выразить через коэффициенты преломления двух сред:


 

Уравнения (3.139) и (4.5) показывают, что коэффициенты отражения и поглоще­ния (излучения) зависят только от коэффициентов преломления материала на определенной длине волны.



Глава 4. Оптические компоненты датчиков


Если световой поток входит в объект с коэффициентом преломления и из воз­духа, уравнение (4.5) значительно упрощается:


 

 

Как только свет достигает границы среды с коэффициентом преломления и3 (рис. 4.2), часть его отражается от нее под углом θ'2. Оставшаяся часть света входит в третью среду под углом преломления θ3 также определяемого законом Снелла. Если среды 1 и 3 с обоих сторон пластины из второго материала (например, стек­ла) являются одинаковыми (например, воздушными), выполняются следующие условия: n1 = n3, θ1= θ3 (этот случай проиллюстрирован на рис. 4.4). Из уравнения (4.5) следует, что коэффициенты отражения не зависят от направления пересече­ния светом границы двух сред: из зоны с более низким коэффициентом прелом­ления в зону с более высоким преломлением или наоборот.

Суммарный коэффициент отражения от двух поверхностей пластины может быть найден по упрощенной формуле:

 

Гдеρ1 — коэффициент отражения от одной поверхности. В реальной жизни свет, отраженный от второй границы, снова отражается от первой границы по направ­лению ко второй и т.д. Таким образом, если в материале не происходит поглоще­ния света, то зная коэффициент преломления материала, можно определить сум­марные потери на отражение внутри пластины:


Отражение усиливается при большой разности между коэффициентами преломления. Например, если види­мый свет из воздуха проходит без по­глощения через пластину из флинта (оптического стекла) и попадает сно­ва в воздух, два отражения приводят к потерям порядка 11%, в то время как при прохождении света по траекто­рии: воздух-германий-воздух (в даль­нем ИК спектральном диапазоне) ана­логичные потери на отражение состав­ляют около 59%. Для уменьшения потерь на оптические материалы час­то наносят антиотражающие покры­тия, коэффициенты преломления и толщина которых определяются кон­кретной длиной волны.


Рис. 4.4. Прохождение света через оптичес­кую пластину



4.1 Радиометрия


Уравнение баланса энергии излучения (3.134) для этого случая будет иметь вид:


 

 

Здесь α - коэффициент поглощения (излучения), а γ- коэффициент пропуска­ния. В зоне полной прозрачности, где отсутствует поглощение света, т.е.

α ≈0, выражение коэффициента пропускания принимает вид:

 

 

Уравнение (4.10) определяет теоретический максимум коэффициента пропускания оптической пластины. Для вышеприведенного примера коэффициент пропуска­ния стеклянной пластины в видимом спектральном диапазоне составляет 88.6%, а для германиевой пластины этот коэффициент в дальней ИК области спектра равен 41%. В видимом диапазоне пропускная способность германия равна нулю. Это оз­начает, что в нем отражается и поглощается 100% света. На рис. 4.5 показаны зави­симости коэффициентов отражения и пропускания от коэффициента преломле­ния в тонкой пластине. Здесь под пластиной подразумевается оптическое устрой­ство (например, линза или диафрагма), работающее в пределах присущего ему спектрального диапазона, в котором малы потери на поглощение, т.е. α = 0.

%

На рис. 4.6 показано распределение энергии внутри оптической пластины, при попадании на ее поверхность потока света Ф0. Часть падающего потока

Фρотражается назад, другая часть Фα поглощается материалом пластины, третья часть Фγ проходит ее насквозь. Часть поглощенного света превращается в тепло и увеличивает температуру пластины, а другая его часть ΔР теряется в опорной конструкции и окружающей среде через механизмы теплопередачи и конвек­ции. В ряде случаев, например, когда речь идет о диафрагме мощного лазе­ра, такое повышение температуры не­обходимо учитывать. В других случа­ях увеличение температуры, напри­мер, в инфракрасных детекторах, может стать серьезной проблемой. Это связано с тем, что рост температуры приводит к появлению дополнительно­го потока: Фε = ФαΔР, называемого вторичным излучением. Естественно, что диапазон этого излучения опреде­ляется температурой материала и на­ходится в дальней ИК области спект­ра. Спектральное распределение вто­ричного излучения соответствует распределению поглощенной энергии в материале, поскольку поглощение и излучение являются одной и той же физической величиной.



Глава 4 Оптические компоненты датчиков


Для материалов с низкой поглоща­ющей способностью выражение для ко­эффициента поглощения имеет вид:

Фс
Рис.4.6. Распределение энергии излучений в оптической пластине

где т и с — масса и удельная теплоем­кость оптического материала, Тg и TLнаклоны возрастающего и убывающего участков температурной кривой мате­риала при тестовой температуре Т0. Строго говоря, потери света в материа­лах объясняются не только его поглоще­нием, но и рассеянием. Суммарные по­тери в материале могут быть выражены через, так называемый, коэффициент ос­лабления g и толщину образца h. Тогда уравнение для коэффициента пропускания (4.10) с учетом ослабления преобразуется к виду:


 

Коэффициент ослабления (затухания) g обычно определяется производителями оптических материалов.

Фотометрия

При использовании светочувствительных приборов (фотодетекторов) необходи­мо учитывать фотометрические характеристики (спектральный диапазон излуче­ний, излучающую способность, яркость и освещенность и т.д.) как датчиков, так и источников света. В некоторых случаях источник света является независимым устройством, в других — он является частью, измерительной системы.

Для измерения интенсивности излучений и яркости были введены специ­альные единицы. Поток излучении (количество энергии, излучаемой в едини­цу времени) в видимом диапазоне спектра назвали световым потоком. Введе­ние этого понятия связано с неспособностью человеческого глаза различать уровни мощности излучений разных длин волн видимой области спектра. На­пример, синий и красный свет одинаковой интенсивности человеком воспри­нимаются по-разному, красный цвет ему кажется намного ярче. Поэтому для сравнения яркости света разных цветов была введена специальная единица люмен (лм) . Один люмен соответствует световому потоку от эталонного ис­точника излучений из расплавленной платины, изготовленного в форме чер­ного тела и наблюдаемого через определенную апертуру, образованную теле­сным углом, равным одному стерадиану. Телесный угол ω равен отношению площади поверхности А, вырезаемой на сфере конусом с вершиной в центре сферы, к квадрату ее радиуса r.



4 2 Фотометрия


 


(4 13)


 


 

Когда А = г2, а>= 1 стерадиану (ср) (см таблицу 1 7) Освещенность определяется как



 

 

Таким образом, под освещенностью понимается отношение светового потока Fк площади освещаемой поверхности А Единицей освещенности в системе СИ яв­ляется люкс (лк) = лм/м2

Сила света определяется как отношение потока света к телесному углу, в пре­делах которого он распространяется


 

 

Единицей силы света является кандела, равная люмену на стерадиан (1 кд = лм/ср) Если сила света постоянна в пределах угла излучения, уравнение (4 15) принимает вид




 

При изменении длины волны для сохранения постоянной освещенности мощ­ность излучения в ваттах необходимо также изменять Для каждого конкретного значения частоты существует своя зависимость между освещенностью и мощное тью излучения В справочной литературе за точку отсчета обычно выбирают дли­ну волны 0 555 мкм, поскольку именно она соответствует пику спектральной чув­ствительности человеческого глаза На этой длине волны 1 ватт мощности излу­чения эквивалентен 680 люменам Для удобства читателей в таблице 4 1 приведена наиболее часто используемая терминология

Таблица 4.1Радиометрическая и фотометрическая терминология

 

Описание Радиометрия Фотометрия
Суммарный поток поток излучения (F) в Вт световой поток (F) в люменах
Плотность потока излучения излучающая способность излучающая способность
на поверхности источника (W) в Вт/см2 ((.) в люмен/см2 или в люмен/фт2
Интенсивность точечного сила излучения (/г) в Вт/ср сила света (/() в канделах
источника излучений   (люмен/ср)
Интенсивность пространствен энергетическая яркость (6Г) яркость (8J в люмен/ср/см2
ного источника излучений в Вт/ср/см2 (ламбертах)
Плотность потока падающего энергетическая освещенность (Е) в люмен/см2
света на поверхность премника освещенность (Н)в Вт/см2 (канделах) или в люмен/ фт2(фут-канделах)

Источник [2]


Глава 4. Оптические компоненты датчиков

При выборе электрооптических датчиков необходимо учитывать конструктивные особенности источников света. В зависимости от соотношения между размерами источ­ника и расстоянием между ним и детектором источники света могут быть либо точечны­ми, либо пространственными. Источник считается точечным, если его диаметр составля­ет менее 10% расстояния между ним и детектором. На практике желательно так распола­гать фотодетектор, чтобы плоскость его поверхности была касательной к сфере, в центре которой находится источник. Хотя небольшие отклонения от этого правила тоже допус­каются. При выполнении этих условий плотность падающего потока (энергетическая освещенность) будет обратно пропорциональна косинусу угла наклона φ.



 

 

а освещенность определяться выражением:


 

Источники считаются пространственными, если их диаметр составляет более 10% расстояния от них до детектора. Особым случаем является ситуация, при кото­рой радиус источника света R намного больше расстояния до датчика. В этом случае:


 

 

где As - площадь источника света, а Br. энергетическая яркость. Поскольку площадь источника равна As = πR2, энергетическая освещенность определяется выражением:

 

Это значит, что плотности излучаемого и падающего потоков равны. Если площади детектора и источника одинаковы, a R»r, полная энергия падающего потока будет приблизительно равна излучаемой энергии (т.е. коэффициент связи между источни­ком и детектором будет равен 1). Когда в состав оптической системы входят разветви-тели, коллиматоры и фокусирующие компоненты, необходимо учитывать их эффек­тивность, а, следовательно, и их коэффициенты связи. В таблицах 4.2 и 4.3 приведены важные соотношения для точечных и пространственных источников света.


4 3 Светопропускающие окна I

Таблица 4.3.Полезные соотношения для пространственных источников света

 

Источник [2]


 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.