Странични източници



Дата03.09.2017
Размер181.52 Kb.
#29444
-технически – създават се специално за излъчване на светлинен поток. Към тях се отнасят и т.нар. странични източници на излъчване, при които електромагнитното излъчване се явява като страничен продукт (напр. Двигателите на самолетите)
Естествени източници – Слънце
Слънцето е най-мощният енергиен източник – изпусканата от него енергия достига Земята. Представлява газово кълбо с диаметър 1,4.106, а разтоянието до Земята е средно 150 000 000км. Видимата част от Слънцето е диск, който наблюдаван от Земята има диаметър 32км. Над 100 км височина се счита, че Слънцето е топлинен източник с t◦=6000◦K. При преминаване на електромагния поток през атмосферата той се променя, т.е. изменя спектъра си.
Земя и атмосфера
Земята излъчва по два начина:
1) Собствено излъчване: подчинява се на законите на тплинното излъчване и Земята се разглежда като сиво тяло, с температура - температурата на самата повърхност на Земята, и с коефициент на сивота 0,35
2) Отразено слънчево излъчване: приема се, че Земята дифузно отразява слънчевото излъчване (подчинява се на законите на Ламбер). Атмосферата излъчва по същия начин.

Обяснение за синия цвят на небето: Върху земята пада успореден сноп от източника (Слънцето). Най-силно в атмосферата се пречупва синият цвят, затова виждаме небето синьо. Вълни с по-голямя дължина също преминават, но не ги збелязваме, защото се пречупват много слабо.



Топлинни източници на оптично излъчване. Модел на Абсолютно Черно Тяло (АЧТ)
Моделите на АЧТ са топлинни изтояници, които се създават от човека и се използват за лабораторни измервания. През 1945 Гоурс предлага модели и начина на изчисляването им.


Представлява метално тяло, в което има куха сфера. Параметрите на електромагнитното излъчване се определят от температурата на стените на тази сфера.

Тук ε е коефициент на излъчване на материала, от който е изработен модела. При подходящи d и D може да се постигне ε`=1.Вътрешните стени на модела трябва да са огледални (гладко полирани). Това условие трудно се реализира и затова в тялото се прави кух цилиндър.



За този модел е в сила следната формула:



Модел на АЧТ е възможно да се реализира като кух конус в паралелепипед:



За този модел е в сила зависимостта:


,
където ρ е коефициента на отражение за дадения материал, от който е направен модела.

Още един възможен модел на АЧТ:



За него е валидна формулата:





Конструкция на АЧТ


По-горе е показан опростен вид на АЧТ. Цялата конструкция се поставя в няколко въздушни ризи за изолация от околната среда. Предната част се охлажда от воден радиатор. Счита се, че излъчването е дифузно и площта се определя от диафрагмата. Потокът, излъчван от АЧТ е:



Получава се голяма чувствителност спрямо Т:



Вижда се, че точността на поддържане на температурата е 4 пъти по-голяма от необходимата точност на поддържане на потока. Двата нагревателя могат да се управляват поотделно, като температурата се отчита със съответната термодвойка. Този вид АЧТ се изработват до температури 400-500°C


Щифт на Ернст

Това е модел на АЧТ за температури от порядъка на 1000-1400°C


През щифта се пропускат десетки ампери. Той се нагрява и излъчва.



Лампи с нажежаема жичка
Електромагнитен поток в лампите с нажежаема жичка се получава вследствие на пропускане на ток през жичка, която в следствие на това се нагрява и излъчва ЕМП. Тя е затворена в балон, от който е изтеглен въздуха за по-добро охлаждане, тъй като се загрява до 2500°C. У нас крушките са със слаб вакуум и такива, които са напълнени с криптон. За да се подобри светенето, може да се увеличи температурата на жичката, но това скъсява живота на крушката.

Максимумът на излъчване на лампите с нажежаема жичка е около 1µm. Това означава, че около 80% от излъчването е в инфрачервената област и само 10-20% във видимата.

Основни електрически параметри на крушките са напрежение и мощност. Основни оптични са:
-яркост

-коефициент на запълване – това е отношение на площта на жичката, към цялата и площ, т.е. гъстота на навивките. Най-добре е ако между навивките няма разстовние.

-К.П.Д. (светлинно отдаване):

За обикновените крушки η=20-40 lm/W.


Халогенни лампи:
Халогенните лампи са модификация на лампите с нажежаема жичка. Освен че са напълнени с халогенен газ, при тях се осъществява и т.нар. халогенен цикъл. Той предотвратява изтъняването на жичката и животът на лампите се удължава. Освен това халогенният газ позволява по-висока температура на жичката, следователно по-висок К.П.Д. Халогенният цикъл се изразява в следното: от изпаряващия се метал от жичката (W) и халогенния газ се образува волфрамов халогенид при температура 400-500°C. Това на практика става близо до стените на крушката. Когато на дадено място жичката стане по-тънка от определена дебелина, там температурата се повишава и става достатъчна волфрамовия халогенид да се разпадне, като W се отлага точно върху това място. Така жичката пак въстановява дебелината си. За халогенните лампи η=40-100 lm/W. Те не трябва да се пипат с ръце, защото замърсяванията, които ще останат върху стъклото ще му пречат да се охладии и ще се наруши целостта му.
Захранване на лампи с нажежаема жичка:
Потокът, излъчван от лампите с нажежаема жичка зависи по-силно от тока, отколкото от напрежението:

Затова е по-добре те да се захранват с източник на ток:






Газонапълнени (импулсни лампи)

Типичен предсатвител на тези лампи са неоновите. Използват се главно за осветление. Тяхното излъчване е вредно за оптико-електронните уреди.


Структура и принцип на работа:

Тези лампи работят на принципа на тлеещия разряд. Вътрешността им е запълнена с определен газ (от групата на инертните газове), а стените им са покрити с луминофор. Този луминофор при бомбардиране със свободни електрони, полъчаващи се при разряда, излъчва електромагнитен поток. Излъчването на този тип лампи не трябва да се разглежда като излъчване на нагрято тяло, защото има неопределена спектрална характеристика. Те нямат пряко отношение към електрониката. При използването им за осветление имат живот около 500-800 часа.




Ксенонови лампи:
Тези лампи представляват кварцова тръба, напълнена с газ (ксенон, криптон, хелиий) с два електрически извода, на които се подава високо напрежение (>400V). Около лампата има навит проводник, по които се подават краткотрайни импулси с голяма амплитуда. Когато не е пдаден импулс на проводника около лампата, то вътре в лампата няма възможност за протичане на електрически ток. Когато се подаде импулс, той предизвиква разряд вътре в лампата и предизвиква интензивно отделяне н а светлинен поток.

Импулсът, излъчван от лампата, може да е с продължителност от 1 до 10 ms и има следната форма:


Основните параметри на тези лампи са:


-осветяване

-светлинно отдаване – отношението на излъчения светлинен поток и вкараната електрическа енергия:



Спектърът на тези лампи е т.нар. гребенчат спектър. Колкото са по-големи честотата и енергията на импулса, толкова е по-къс живота на лампите. Съществуват и лампи, които могат да работят продължително при сравнително високи честоти.



Електронни схеми на захранване

Захранването на всички тези лампи се извършва с помощта на къс високоволтов импулс, който се осигурява по следния начин:






Полупроводникови излъчващи светодиоди

Светлинният поток, излъчван от тези източници, има следните параметри:


1) спектрална плътност на излъчването – до 50 μm. Могат да се създадат светодиоди за всички честоти на излъчването. Светодиодите са подходящи за оптикоелектронни уреди. Когато се изрази в относителни единици се наблюдават ясно изразени максимуми:



2) светлинна характеристика – зависимостта на излъченият електромагнитен поток от тока в права посока:

В областта, в която характеристиката е линейна, съществува приблизителната зависимост:



При прекалено голяма стойност на тока в права посока, светодиодът се поврежда и престава да свети. Поради тази причина светодиодите трябва да се захранват с много къси импулси. В качеството си на светлинни източници светодиодите се считат за точкови източници.


3) интензитет
4) диаграма на насоченост – зависимост на интензитета на излъчване от ъгъла на визиране

Недостатъци при използването на светодиоди в качеството на светлинни източници:

-температурна нестабилност – в тази връзка се въвежда температурен коефициент на изменение на светлинния поток
,

който се изменя от 0,1 до 0,8%/°C.


Захранване на светодиодите
Еквивалентна схема на светодиод:


Практически диодът представлява една RC-група. Може да се представи и по друк начин, като последователно свързани източник на E.Д.Н., резистор и диод. Резисторъд имитира динамичното съпротивление на диода, а източникът на Е.Д.Н. – напрежението на отпушване.

Светодиодите се разглеждат като точкови източници. Диаграмата на насоченост позволява по определен начин да се оразмери оптичната част и захранването на светодиода. Задължително светодиода трябва да се стабилизира температурно, защото излъчването му зависи от темературата и има отрицателен температурен коефициент.Светодиодите работят включени в права посока. Напрежението им на отпушване е ниско, около 2-3V. Използва се следната опростема схема на захранване:

Тук R1 изчислява по закона на Ом, като се отчита и пада на напрежение върху диода (между точки 1 и 2).

При ниско напрежение и необходимост от зхранване на няколко диода може да се използва следната схема:


Тук диодите са свързани в паралел и за да се осигури нормална работа, за всеки е предвиден отделен резистор. За различни приложения фирмата SHARP препоръчва следните схеми:

1) С използване на транзистор като генератор на ток:



Тук диодът D1 и резисторът R1 осигуряват постоянен потенциал на базата на Q1. Така осигуряват един и същи ток за светодиода при промяна на захранващото напрежение.

2) Без използване на ценеров диод:


3) Управление от TTL изход:

Тази схема работи, когато и на двата входа има 0. При поява на логическа единица на някой от входовете, изходът на съответния преминава в ‘0’, потенциалът на базата на транзистора става нисък и транзисторът се запушва – светодиодът престава да свети.

Друг вариант е използването на PNP транзистор:

При тази схема светодиодът излъчва при поне една логическа единица на входа. Тогава потенциалът на базата на Q1 става нисък и транзисторът се отпушва.

Ако искаме токът през светодиода да е стабилен, може да се използва следната схема:

Тази схема работи аналогично на горната, но за да се фиксира токът през диода се внасят някои допълнения. Когато Q1 е запушен, напрежението BE на Q2 е фиксирано на 1,2V, което определя и фиксиран ток в колектора на Q2. При отпушване на Q1 напрежението BE на Q2 спада приблизително до напрежението CE на Q1, което е недостатъчно за отпушването на Q2 и следователно светодиодът престава да излъчва.


Използвайки следната схема можем да получим амплитудна модулация на светлинния поток:

При подаване на синосуидален сигнал на входа, през светодиода ще преминават само положителните полувълни. По този начин можем да получим амплитудно премодулиран поток.

Ако искаме светодиодите да излъчват по-голям светлинен поток, трябва да повишим тока в права посока. Но такова повишаване ще доведе до по-бързото му изтощаване. Затова светодиодите се захранват с импулси, като специално се изчисляват времето на пауза и времето на импулса. Следните схеми могат да се използват при импулсно захранване на светодиоди (при тях енергията се повдига от междинен кондензатор):

При тази схема при запушен Q1, тоест при липса на импулс на входа, токът протича през веригата, указана с тънката стрелка. При появата на входен импулс транзисторът се отпушва и ток протича във вериата, указана с дебелата стрелка, като енергията, натрупана в кондензаторите се отдава за много кратко време и имулсът, който преминава през диодите, е с много висока енергия. При тази схема пулсациите могат да породят смущения за останалите схеми.




При тази схема могат да се постигнат големи мпулсни токове. Диодът D1 е преднзанчен за такива.

Лазерни източници на електромагнитен поток

Съкращението L.A.S.E.R. идва от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, или накратко стимулирано излъчване на електромагнитен поток. Лазерното излъчване се характеризира със строго монохроматичен поток (строго определена честота на излъчването). В същото време излъчването е и кохерентно, т.е. колебанията са в една и съща плоскост.


Принцип на действие и устройство на лазерен източник


Опростена схема на лазерен източник


Идеята е в определен обен, т.нар. активно вещество, да се възбудят атомите така, че част от електроните им да преминат забранената зона и да достигнат по-високо енергийно ниво. Там те не могат да се задържат дълго и след определено кратко време се връщат в нормалното си състояние, излъчвайки фотон. За да се осъществи лазерно излъчване, в АВ трябва да се създаде т.нар. инверсна населеност, т.е. повечето от атомите да са във възбудено състояние. При слабо електромагнитно излъчване от материала, част от фотоните се връщат през полупрозрачния резонатор, като предизвикват преминаването на още атоми във възбудено състояние. Така се предизвиква лавинообразен процес, чрез който се получава високоенергийно електромагнитно излъчване. Тази схема е характерна за хелий-неонов лазер.

Лазерите биват следните видове:

-твърдотелни – АВ е твърдо вещество, например рубин

-газови – АВ е газова смес, например He-Ne

-течни – АВ е течност

Дължината на излъчваното електромагнитно лъчение зависи от АВ, като всяко има точна определена дължина на излъчване.

При хелиий-неоновият лазер захранването е около 3-5kV, като мощността му зависи пряко от консумирания от възбудителя ток. Тези лазери работят само в непрекъснат режим, т.е. излъчването им е непрекъснато във времето и не могат да се използват за получаване на къси импулси.


Твърдотелни лазери

Твърдотелните лазери работят само в импулсен режим. За активна среда се използва рубин, як-неодим и други вещества. Възбуждането се осъществява от ксенонова лампа, разположена около активното вещество. При подаване на импулс лампата светва, вследствие на което се създава инверсна населеност вътре в АВ и след кратко време от лазера се излъчва кратък, но мощен електромагнитен импулс. От твърдотелните най-голямо приложение намират як-неодимовите лазери, които имат λ=1,06 µm дължина на вълната и се използват в измервателната и военната техника.




Твърдотелните лазери обикновенно са изготвени както е показано по-горе. В кварцово блокче (L = 5-7cm, D = 5-8cm) се изрязва отвор с елипсовидна форма, в чиито два фокуса се поставят съответно ксеноновата лампа и активното вещество. Така при облъчване на ксеноновата лампа цялото електромагнитно излъчване попада във фокуса, т.е. там където е разположено АВ. Стените са идеално полирани и служат за резонатори.
Газови лазери
От газовите лазери най-голямо разпространение е получил този с активно вещество CO2. Този тип лазери се използват главно в промишлеността (за рязане, пробиване и др.) и са с голяма мощност. Дължината на вълната, излъчвана от тях е λ=10,6μm. По мощност се разделят на два обхвата – до 1,5 kW и от 1,5 до 5kW. С тях може да се разрязват детайли с дебелина до 10mm.

Лазерни инжекционни диоди (Полупроводникови лазери)

Лазерните инжекционни диоди са полупроводникови елементи, в които практически работят на принципа на лазера, като резонаторът се формира в самия кристал. Излъчването се осъществява от PN-прехода. Имат следната структура:



ПП лазери биват видими и невидими. Дължината на вълната може да достигне 10 µm. В сравнение с He-Ne лазер, където разходимостта на лъча може да достигне няколко mrad, то тази на ПП лазери е по-голяма. За това в лазерните ПП излъчватели се поставя оптична система, която служи за стесняване на лъча. ПП лазери могат да работят в непрекъснат и импулсен режим, като за осъществяването на втория се използват главно MOS транзисотри.


Фотометрични особености на лазерното излъчване
Основните параметри са:

-дължина на вълната – зависи от активното вещество

-поток (мощност) на излъчване - мощността на лазерите започва от mW и може да достигне до десетки kW. В импулсен режим мощността се измерва във W.s

-полуширина на вълната – ширината на спектралната характеристика на ниво 0,5

-пространствено излъчване – характеризира се със локални минимуми и максимуми, т.е. лазерният сноп няма равномерна структура. В плоскостта, паралелна на разпространението му, плътността е най-висока в центъра и след това спада по Гаусов закон. В следствие на това при тези източници не може да се говори за интензитет на излъчването. Тук се използва термина разходимост – ъгълът, на който енергията спада до ниво 1/е. Прието е минимумите/максимумите на енергията да се наричат моди. Ако имаме само един максимум, то лазерът е едномодов, в противен случай той е многомодов. Модовата структура зависи от резонатора и използваното вещество. При това параметрите яркост и интензитет губят смисъла си.

-ъгъл на разходимост θ= l/L




Най-точно лазерният сноп се описва математически с Гаусов сноп. Когато се обработва светлинният лъч, се изисква оптичната система да е монгократно по-голяма от лъча, за да може да обхване възможно по-голяма част от потока му.






Оптика и оптични елементи
Схема на една оптична система в общ вид:
Обективът има за предназначение да приеме, да отселектира и да насочи към съответния фотоприемник електромагнитният поток. Той има оптично усилване. Ако имаме обектив, който възприема падналия върху него поток и в неговата фокална равнина е разположен фотоприемник, под усилване се разбира следното:
,
където:

SОБ-площ на обектива,

SФП-площ на фотоприемника,

τОБ-коефициент на пропускане на оптичната система


Потокът върху фотоприемника се изразява по следния начин:

,

където:
ЕФП-осветеност на фотоприемника,

SФП-площ на фотоприемника

Оптичната система прави редукция и площа на потока, който е след нея се приравнява на .

Изисквания към оптичната система:

1) Да обезпечи необходимите енергийни съотношения

2) Да се получи изображение с необходимото качество

3) Да отдели полезните сигнали от смущенията

Оптичната система представлява съвкупност от детайли, предназначени за формирането на оптичните снопове. Изградена е от оптични елементи, които влияят върху електромагнитното излъчване. Пълната структура на една оптична система е поакзана по-долу:

Всяка една оптична система има особено място на точки, наречено фокус – при пропускане на оптичен сноп, всички лъчи ше се съберат там. Пространството пред предната оптична повърхност е пространство на предметите, а зад задната – пространство на изображенията. Оптичната система се характеризира със своите главни плоскости (H), които в повечето случаи се намират вътре в оптичната система и между тях увеличението е 1.

В пространството на изображението фокусното разтояние f е със знак ‘+’. Разстоянието SF(S’F) между фокуса F (F’) и предната, съответно задната оптична повърхност се нарича предна (задна) фокусна отсечка. Разстоянието между главната равнина се отбелязва с а. Разстоянието между фокуса и предмета се отбелязва с Z. Радиусите на оптичните повърхности се отбелязват с r.

Ъглови размери:

-апертурен ъгъл (σА) – ъгъл от оптичната ос, под който се вижда оптичната ситема. Ако този ъгъл се отчита от оптичната ос нагоре, знакът е ‘-’, а иначе е ‘+’

-ъглово поле на зрение (ω) – ъглов размер, под който се вижда предмета за зададената оптична система

-диаметър на входната и изходната зеница: с D’(изходна зеница) се отбелязва отворът, през който лъчите излизат, а с D (входна зеница) – този през който влизат



Други параметри:

-относителен отвор -измерва се в относителни единици. Колкото е по-голямо това число, толкова е по-чувствителна оптичната система

-числена апература в предметното пространство:

,

където n е показател на пречупване на средата


Основни съотношения:

-β – увеличение на оптичната система, отношението на размерите на образа към размерите на предмета



-формула на отрязъците (на Гаус)




-
Основни оптични схеми

Падналият успореден сноп се събира върху фотоприемника. За тази система е характерно, че зрителното поле се определя от полето на фотоприемника. Важи зависимостта:



Оптичните системи са инвариантни. Ако на мястото на фотоприемника поставим излъчвател (със същите размери), който може да излъчва и в други посоки, полето на зрение се нарича ъгъл на сходимост.

По-долу е дадена оптична схема, която е с увеличение 1.

Предметът е рзположен на разстояние 2f. Излъченото на 1mm2 от излъчвателя се поглъща от 1mm2 от приемника.
Други системи: система Галилей и система Кеплер. Тези две системи се използват за по-добро виждане на предмети, отдалечени от човека, т.е. намаляват зрителният ъгъл на човека.

Система Кеплер: Двете лещи са разположеми така, че фокусните им разстояния съвпадат.

Когато лъчът преминава през средата на оптичната ос, ъгълът на влизане е равен на ъгъла на излизане. Създава се междинно увеличение във фокуса на първия обектив. Крайното изображение е обърнато.

Система Галилей: При нея няма междинно увеличение. На база на нея се правят всички театрални бинокли. Крайният образ е прав, з разлика от система Кеплер.

Предаване на информацията от оптична система
При σ<15°:

Ако с In бележим интензитета на източника, то тогава:



Тази формула е в сила, когато фотоприемникът е по-голям от изображението на източника.



Ако вместо интензитета In е зададена яркоста L, то тогава:



При l=1000m и DОП=20cm се окзава, че във фотоприемника попада само около 1,5.10-15 част от потока на източника.


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница