WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Факультет оптико-информационных систем и технологий Г. Г. Ишанин, Н. К. Мальцева, В. Л. Мусяков ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОСОБИЕ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ Санкт-Петербург 2006 УДК 621.383 Ишанин Г. Г., Мальцева Н.К., Мусяков В. Л. Источники и приёмники излучения. Пособие по решению задач. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006, 85 с.

Пособие предназначено для студентов СПб ГУ ИТМО, изучающих дисциплину «Источники и приёмники излучения».

Пособие состоит из четырех разделов, каждый из которых содержит краткие теоретические сведения, примеры решения и оформления типовых задач, а также контрольные задачи, которые предлагаются решить студентам для проверки качества усвоения прочитанного материала. Все разделы пособия соответствуют курсу лекций. В конце пособия приведен список литературы, которой можно пользоваться с целью более детального изучения предмета.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки Оптотехника и оптическим специальностям.

Рецензенты: Прокопенко В.Т., д.т.н., профессор СПб ГУИТМО Сидельников С.С., доцент ПЭИПК Список литературы - 18 наименований.

© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики 2006 2 Оглавление ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 5 СОКРАЩЕНИЯ....................................................................................................... 5 ТЕРМИНЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ…………………………………………...... 6 1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ…………………........................ 11 1.1 Теоретические положения........................................................................... 1.2 Примеры решения задач.............................................................................. 1.3 ЗАДАЧИ........................................................................................................ 2. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.......................................................................... 2.1 Теоретические положения........................................................................... 2.2. Примеры решения задач.............................................................................. 2.3. ЗАДАЧИ........................................................................................................ 3. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ. ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ............................................................................................... 3.1 Теоретические положения........................................................................... 3.2 Примеры решения задач.............................................................................. 3.3 ЗАДАЧИ........................................................................................................ 4. ПРИЁМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ....................................... 4.1. Теоретические положения........................................................................... 4.2. Примеры решения задач.............................................................................. 4.3 ЗАДАЧИ……………………………………………………………………ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………….Таблица 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ..................................................... Таблица 2. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ СВЕТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ДНЕВНОГО ЗРЕНИЯ......................................................................... Таблица 3. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧТ ГЛАЗОМ........................................................................................................Таблица 4. ЗНАЧЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛАНКА y = f(x).....................................Таблица 5. ЗНАЧЕНИЯ ФУНКЦИИ z(x).............................................................Таблица 6. КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОПУСКАНИЯ АТМОСФЕРЫ ПО МЕТОДУ ЭЛЬДЕРА-СТРОНГА................................Таблица 7. ПРЕДЕЛЬНАЯ АБСОЛЮТНАЯ ВЛАЖНОСТЬ ВОДЯНОГО ПАРА............................................................................................................ Таблица 8. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПОИ.....................................................................Таблица 9. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ПИД АЛ107Б.............................................Таблица 10. КОЭФФИЦИЕНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧТ РАЗЛИЧНЫМИ ПОИ...................................................................................Таблица 11. ПАРАМЕТРЫ ПОИ..........................................................................ВВЕДЕНИЕ Курс “Источники и приемники излучения” рассчитан на один семестр, в котором студентам 3 курса факультета оптико-информационных систем и технологий предлагается прослушать курс лекций, выполнить ряд лабораторных работ и несколько самостоятельных заданий.

Этот курс призван служить некоторым переходным звеном от общеинститутских курсов физики и математики к инженерным расчетам и реальной работе в научно-исследовательской лаборатории.

Цель данного пособия заключается в том, чтобы показать на конкретных примерах основные методы расчета фотометрии радиометрии, применяемые при решении задач, связанных с выбором приемника оптического излучения в процессе проектировании оптико-электронных приборов. Опыт приема лабораторных работ по курсу показал, что чтения лекций и проведения лабораторных занятий, как правило, недостаточно для глубокого понимания данного предмета. Решение задач дают возможность студентам почувствовать масштаб величин, научиться делать конкретные численные оценки на основе имеющихся данных, что совершенно необходимо при проектировании оптико-электронных приборов и экспериментальной работе в лаборатории.



Основные разделы пособия соответствуют курсу лекций. Во всех главах пособия добавлен раздел с примерами расчета задач по тематике разделов.

Каждый из разделов соответствует циклу лекций. Раздел завершается контрольными задачами, которые предлагается решить студентам для проверки качества усвоения прочитанного материала. В конце пособия приведен список литературы, которой можно пользоваться для более детального изучения предмета.

СОКРАЩЕНИЯ ПИД - полупроводниковый излучающий диод ПОИ - приемник оптического излучения СКЗ - среднее квадратическое значение СППИ - спектральная плотность потока излучения СПЭС - спектральная плотность энергетической светимости CПЭЯ - спектральная плотность энергетической яркости ФМВ - фотометрическая величина ФПЗС - фоточувствительный прибор с зарядовой связью ФУ - фотоумножитель ФЧЭ - фоточувствительный элемент ФЭПП - фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения ЧТ - черное тело ЭОП - электронно-оптический преобразователь ТЕРМИНЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ Абсолютная спектральная чувствительность ПОИ - S.абс Видимое (угловое) увеличение оптической системы - Водность - Вольтовая интегральная чувствительность ПОИ - SU.инт Время накопления - tн Дисперсия генерационного шума ФПЗС - г Дисперсия количества шумовых зарядов на выходе ФПЗС - ш Дисперсия шума выходного усилителя ФПЗС - y Дисперсия шума переноса - п Дисперсия шума поверхностных состояний - SS Дисперсия шума темнового тока - т Дисперсия шума ФПЗС, обусловленного внутренними факторами, - ш.вн Дисперсия шума ФПЗС, обусловленного зарядовым пакетом, генерированным потоком излучения, - ш.с Длинноволновая граница спектральной чувствительности ПОИ - гр Звездная величина - m Интегральная чувствительность ПОИ к потоку излучения - Sинт.Ф е Интегральная чувствительность ПОИ к световому потоку - Sинт.Ф v Квантовая эффективность - К Количество фаз управляющего напряжения в ФПЗС - р Коэффициент использования излучения глазом - г Коэффициент использования излучения источника приемником оптического излучения - Коэффициент неэффективности переноса зарядового пакета в ФПЗС - Коэффициент отражения - Коэффициент поглощения - Коэффициент преобразования потока излучения ЭОП - Коэффициент усиления яркости ЭОП - L Коэффициент пропускания - Коэффициент теплового излучения - Коэффициент усиления фотоумножителя по току - M Линейное увеличение оптической системы - Линейный размер изображения - y' Линейный размер предмета - y Максимальная СПЭС ЧТ - Me.max Максимально допустимое сопротивление нагрузки ПОИ по переменному току - Zн.max Максимально допустимое сопротивление нагрузки ПОИ по постоянному току - Rн.max Напряжение теплового шума - Uш.т Напряжение фотосигнала - Uс Напряжение шума ПОИ - Uш Облучённость - Ee Относительная влажность воздуха - fв Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения - V ( ) Относительная спектральная характеристика чувствительности ПОИ - Sотн ( ) Относительная спектральная чувствительность ПОИ - S.отн Относительное спектральное распределение потока излучения - e. ( ) Относительная СПЭС - me.

Передний апертурный угол оптической системы - A Площадь элемента ФПЗС - Aэл Полоса частот - f Порог чувствительности в заданной полосе частот в световых ФМВ - Фv.п Порог чувствительности в заданной полосе частот в энергетических ФМВ - Фe.п Порог чувствительности ПОИ в единичной полосе частот - Фп.Порог чувствительности ФПЗС при реальном времени накопления - Ev.п Порог чувствительности ФПЗС при стандартном времени накопления - Ev.п.с Постоянная времени схемной релаксации ПОИ - р Поток излучения - Фe Рабочее напряжение ПОИ - U р Радиационная температура - TM Размер элемента ФПЗС - dэл Расстояние от оптической системы до изображения - a' Расстояние от оптической системы до предмета - а Световая анодная чувствительность фотоумножителя - Sv.a Световая отдача экрана ЭОПа - v Световая ФМВ - X v Световая чувствительность фотокатода - Sv.к Сила излучения - Ie Сопротивление нагрузки - Rн Сопротивление p-n-перехода при нулевом напряжении - RСпектральная плотность фотонной ФМВ - X p.

Спектральная плотность энергетической ФМВ - Xe.

Спектральная чувствительность ПОИ к потоку излучения - S.Фe Спектральная чувствительность ПОИ к световому потоку - S.Фv Спектральное распределение энергетической ФМВ - Xe. ( ) СППИ - Фe.

СПЭС - Me.

СПЭС ЧТ - Me.

СПЭЯ - Le.

Среднее количество зарядов сигнала, генерируемых в одном элементе ФПЗС, - N S Среднее количество переносов зарядового пакета в ФПЗС - nП Средняя плотность темнового тока - im.c Стандартное время накопления - tн.c Суммарный ток фотокатода - Iк Темновое сопротивление ПОИ - Rт Темновой ток - Iт Темновой ток фотокатода - Iт.к Температура в градусах Цельсия - tО Термодинамическая температура - T Ток дробового шума ПОИ - Iш.др Токовая интегральная чувствительность ПОИ - SI.инт Ток теплового шума ПОИ - Iш.т Ток шума ПОИ - Iш Удельная обнаружительная способность ПОИ - D* Удельное сопротивление металла - м * Удельный порог чувствительности ПОИ - Фп ' Фокусное расстояние оптической системы - f Фотонная ФМВ - X p Фототок - Xф Число столбцов элементов в матричном ФПЗС - N x Число строк элементов в матричном ФПЗС - N y Ширина запрещённой зоны полупроводника - EЗ Энергетическая светимость - Me Энергетическая ФМВ - X e Энергетическая яркость - Le Энергия излучения - Qe Эффективный коэффициент теплового излучения - ' Яркостная температура - TL 1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 1.1 Теоретические положения Оптическое излучение - электромагнитное излучение, длина волн которого находится в диапазоне приблизительно от 1 нм до 1 мм. При этом по спектральному составу принято подразделять весь оптический диапазон на три области спектра: ультрафиолетовую - излучение с длиной волны от 1 нм до 0,38 мкм; видимую - излучение с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм и инфракрасную - излучение с длиной волны от 0,78 мкм до 1 мм [4].





dQe Поток излучения [1,5]: Фe = Вт, (1.1) dt где: dQe - энергия, переносимая излучением за малый промежуток времени; dt - время переноса, существенно большее периода электромагнитных колебаний.

Облучённость в данной точке поверхности [1,5]:

dФe Вт Ee =,, (1.2) dAп мгде dФe - поток излучения, падающий на малый участок поверхности, содержащий данную точку; dAп - площадь участка.

Сила излучения в данном направлении [1,5]:

dФe Вт Ie =,, (1.3) d ср где dФe - поток излучения, распространяющийся в малом телесном угле, содержащем данное направление; d - величина телесного угла.

Энергетическая светимость данной точки поверхности [1,5]:

dФe Вт Me =,, (1.4) dAи мгде dФe - поток излучения, испускаемый с малого участка поверхности, содержащего данную точку; dAи - площадь участка.

Энергетическая яркость данной точки поверхности в данном направлении [1,5]:

dФe Вт Le =,, (1.5) dAи cos d м2ср где dФe - поток излучения, распространяющийся с малого участка излучающей поверхности, содержащего данную точку, в малом телесном угле, содержащем данное направление; dAи - площадь участка; d - величина телесного угла; - угол между нормалью поверхности и направлением распространения излучения.

Поток излучения для любого участка спектра от 1 до k [1]:

k k = d i, (1.6) e e. e..i i =где e. - СППИ; e.i - средняя СППИ на малом спектральном интервале i.

Связь фотонных и энергетических ФМВ:

Xe.

X = ; (1.7) p hc X = X ( ) d ; (1.8) p e.

hc X ( ) p.

Xe = hc d, (1.9) где Xp, Xe - соответственно фотонная и энергетическая ФМВ;

Xe., Xp. - спектральные плотности соответственно энергетической и фотонной ФМВ; Xe.(), Xp.() - спектральные распределения соответственно энергетической и фотонной ФМВ; h - постоянная Планка (см. табл. 1); с - скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме (см. табл. 1).

Световая ФМВ [2]: Xv = Kmax Xe. ( ) V ( ) d, (1.10) где Kmax - максимальная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения (см. табл. 1); Xe.() - спектральное распределение энергетической ФМВ; V() - относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения (см. табл. 2).

Связь энергетических и световых ФМВ [8]:

Xv = Xe Kmax, (1.11) г где г - коэффициент использования излучения глазом (см. табл. 3):

e. ( ) V ( ) d =, (1.12) г e. ( ) d e.() - относительное спектральное распределение потока излучения.

Шкала звёздных величин [16]:

Ev m - m0 = - 2,5 lg, (1.13) Ev где m, m0 - звёздные величины двух звёзд; Ev, Ev.0 - освещённости, создаваемые этими звёздами. Если Ev.0 = 1 лк, то на границе земной атмосферы m0к = -13,89, а на уровне моря m0з = -14,2.

Коэффициент пропускания [9,1]:

Фпр =, (1.14) Фгде Фпр - прошедший поток; Ф0 - падающий поток.

Коэффициент отражения [9,1]:

Фотр =, (1.15) Фгде Фотр - отражённый поток.

Коэффициент поглощения [9,1]:

Фпогл =, (1.16) Фгде Фпогл - поглощённый поток.

Энергетическая светимость облучаемой поверхности, создаваемая отражённым излучением:

M = Ee, (1.17) e где Ee - облучённость поверхности; - коэффициент отражения.

Облучённость, создаваемая точечным источником на поверхности, на которую излучение падает под углом [5]:

Ie cos Ee =, (1.18) l где Ie - сила излучения источника; - угол между нормалью поверхности и падающим излучением; l - расстояние от источника до поверхности.

Облучённость, создаваемая удалённым источником:

ист Ee = Le, (1.19) где Le - энергетическая яркость источника; ист - угловой размер источника.

Поток излучения, поступающий с излучающей поверхности источника на удалённую облучаемую поверхность [1,5]:

cos 1 cos Фe = Le A1 A2, (1.20) l где Le - энергетическая яркость излучающей поверхности источника;

A1, A2 - площади излучающей и облучаемой поверхностей; 1, 2 - углы между направлением распространения излучения и нормалями соответственно излучающей и облучаемой поверхностей; l - расстояние между поверхностями.

Поток излучения, создаваемый объективом в плоскости изображений при малом переднем апертурном угле [6]:

Фe = Le A1 sin 2, (1.21) A где - коэффициент пропускания объектива; Le - энергетическая яркость источника; A1 - площадь излучающей поверхности; A - передний апертурный угол объектива.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.