Излучение

6. Источники оптического излучения

Источником ОИ называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в ОИ.

Оптическое излучение отдельных атомов, ионов, молекул, а также жидких и твердых тел возникает в результате переходов их электронов из возбужденных состояний, в состояния с меньшей энергией. Частота испускаемых при этом электромагнитных волн , как известно, равна = (W2 — W1) / h, где W2 и W1 — соответственно энергии начального (до излучения) и конечного состояний; h

— постоянная Планка.

По физической природе различают два вида ОИ: тепловое и люминесценцию. К отдельной группе ОИ относят лазерные излучения.

Тепловыми излучателями являются все источники, свечение которых обусловлено нагреванием: электрические ЛН, простые угольные дуги, все пламенные ИС.

Параметры источников ОИ.

Излучение ламп характеризуется световым потоком Фе, силой излучения Ie, энергетической (световой) яркостью Lе, ее распределением по поверхности светящегося тела по направлениям, спектральной плотностью вышеперечисленных величин (спектром излучения).

Электрический режим характеризуется мощностью лампы Pл, рабочим напряжением на лампе Uл, напряжением питания U, током I и родом тока (постоянный, переменный с частотой f и т.д.). Основными показателями долговечности являются полный и полезный сроки службы. Под полным сроком службы понимают продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента полной или частичной утраты ими работоспособности. Полезным сроком службы называют продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента ухода за установленные пределы одного из параметров.

ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Основные законы теплового излучения установлены для идеализированного тела, называемого черным телом, полным излучателем или излучателем Планка. В качестве него принято тело, которое поглощает все подающие на него излучения (коэффициент поглощения = 1) независимо от длины волны, направления падения и состояния поляризации.

Закон Стефана — Больцмана определяет соотношение между энергетической светимостью черного тела Res (Вт/м2) и его температурой:

3акон Планка устанавливает распределение спектральной плотности энергетической светимости черного тела в зависимости от температуры

mes ( ,T ) c1 5[ec2 /( T ) 1] 1

где с1 = 2 hc02 = 3,742·10-16 Вт·м2; с2 = hc0 / k = 1,439·10-2 м·К; h = 6,626·10-34 Дж·с — постоянная Планка; с0 = 299792,5·10-23 м/с — скорость света в вакууме; k = 1,380662·10-23 Дж/К — постоянная Больцмана. Все реальные тела являются либо серыми (спектральный коэффициент излучения у них меньше 1 и не зависит от длины волны), либо селективными, у которых спектральный коэффициент теплового излучения зависит от длины волны. Тепловое излучение реальных тел, в том числе металлов, описывается законами излучения черного тела с внесением в них экспериментально установленных коэффициентов. Так, для оценки интегрального значения тепловой энергетической светимости металлов Ме(Т) применяется выражение, аналогичное закону Стефана — Больцмана

Me (T ) (T )Mes (T ) (T ) T 4

где (Т) — интегральный коэффициент теплового излучения металла Закон Вина устанавливает, что произведение длины волны, соответствующей максимуму

спектральной плотности энергетической светимости тела, и его абсолютной температуры есть величина постоянная:

max T b

где b = 2898·103 нм·К - постоянная Вина.

При повышении температуры черного тела максимум спектральной плотности энергетической светимости смещается в сторону более коротких волн.

7. Тепловые источники. Лампы накаливания

Электрические вольфрамовые накаливания лампы (ЛН) – это наиболее распространенные источники света. Главной частью является тело накала. Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразные размеры и форму.

Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки. Вольфрам имеет высокую температуру плавления (3650 ± 50 К) и малую скорость испарения.

Для обеспечения нормальной работы раскаленного вольфрамового тела накала необходимо изолировать его от кислорода воздуха. Для итого тело накала нужно разместить либо в безвоздушной среде (такие лампы называются вакуумными), либо в среде так называемых инертных газов или их смесей, не реагирующих с материалом тела накала.

ГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ (ГЛН)

Принцип действия ГЛН заключимся в образовании на стенке колбы летучих соединений — галогенида вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, испарившиеся атомы вольфрама. ГЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный световой поток и повышенный полезный срок службы.

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ(РЛ).

Разрядной лампой называют лампу, в которой ОИ возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

РЛ имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с ЛН, а также могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон значений мощности, яркости и других параметров.

Широкое и весьма разнообразное применение находят ИЛ, дающие вспышки излучения исключительно высокой яркости и очень малой длительности. Они применяются в многочисленных приборах и установках для наблюдения и изучения быстродвижущихся частей машин и механизмов (стробоскопы), фотографирования и изучения быстропротекающих процессов, аэрофотосъемки и т.д. В последнее время ИЛ широко применяются для оптической накачки лазеров.

Среди основных типов газоразрядных ламп, применяемых в ОНК: Люминесцентные лампы Люминесцентные лампы представляют собой разрядные ИС низкого давления в которых УФ излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в более длинноволновое излучение. Ксеноновые лампы. Их классификация основана на конструктивных признаках: 1) трубчатые лампы высокого давления с естественным и водяным охлаждением; и 2) лампы сверхвысокого давления с короткой дугой с естественным и принудительным (воздушным и водяным) охлаждением.

Импульсные лампы Рассчитаны на мощные импульсные электрические разряды.

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

В светоизлучающих диодах излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». Если к p-n переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности, то приложенное поле будет заставлять перемещаться электроны и «дырки» навстречу друг другу и они будут рекомбинировать в зоне контакта, частично испуская при этом фотоны.

Спектр излучения зависит от материала полупроводника и вводимой примеси. Наиболее широко применяется арсенид галлия GaAs, дающий излучение в близкой ИК

области с max 920 нм.

Светоизлучающие диоды работают от источника постоянного напряжения 1—3 В при токах от 10 до 100 мА. Сила света порядка 0,01 – 0,02 кд. Световая отдача желто-зеленого светоизлучающего диода из фосфида галлия достигает нескольких сотен лм/Вт, но поток излучения очень невелик. Мощность ИК излучения составляет 5 — 7 мВт на 100 мА Спектр излучения некоторых диодов:

1 – арсенид галлия с кремнием, 2 – арсенид галлия, 3 – фосфид галлия, 4 – карбид кремния, 5 – арсенид галлия с люминофором.

ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Лазер - устройство, использующее эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей.

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер или химическая реакция. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе.

Рабочее тело — основной определяющий фактор рабочей длины волны. Существуют сотни различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу.

Излучение лазера характеризуется высокой направленностью, монохроматичностью, когерентностью, яркостью и поляризацией.

Это свойство лазерного излучения вытекает из того, что активная среда помещена в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Фактически в таком резонаторе поддерживаются только волны, распространяющиеся вдоль направления, перпендикулярного плоскости зеркал. Из теории дифракции хорошо известно, что пучок пространственно-когерентного излучения с апертурой D характеризуется собственной дифракционной расходимостью , нижний предел для

которой дается выражением

kD

где - длина световой волны, D - диаметр выходной апертуры, а k - числовой коэффициент порядка единицы. Приведенное ограничение является принципиальным и преодолеть его невозможно никаким совершенствованием оптики.

8. Элементы оптических систем НК

Оптические свойства линз зависят от параметров образующих их поверхностей, а также от соотношения между показателем преломления материала линзы и показателем преломления окружающей среды. Так, соотношение между расстояниями от тонкой линзы со сферическими преломляющими поверхностями, находящейся в воздухе до предмета s и от линзы до изображения s' определяется как

где f' - фокусное расстояние линзы;

' - ее оптическая сила; R1 и R2 - радиусы кривизны поверхностей линзы; п - показатель преломления материала линзы.

Правило знаков: Предполагая, что излучение распространяется слева направо это направление считают положительным. Отрезок считается положительным, если его можно получить путем перемещения точки от вершины по ходу распространения излучения. То же самое относится и к другим линейным величинам (радиусы кривизны, фокусные расстояния и т.п.).

Масштабом изображения называется отношение линейных размеров изображения к соответствующим линейным размерам предмета. Это отношение может быть косвенно выражено дробью m = s’ / s. На практике удобнее пользоваться следующими соотношениями: m = f / (s-f) или m= (s’-f ) / f .

Комбинация нескольких линз (центрированная система)

Линзы могут комбинироваться друг с другом для построения сложных оптических систем. Оптическая сила системы из двух линз может быть найдена как простая сумма оптических сил каждой линзы (при условии, что обе линзы можно считать тонкими, они расположены вплотную

друг к другу на одной оси): Если линзы расположены на некотором расстоянии друг от друга и их оси совпадают (система из

произвольного числа линз, обладающих таким свойством, называется центрированной системой), то их общую оптическую силу с достаточной степенью точности можно найти из следующего

выражения:

где L- расстояние между главными плоскостями линз.

Аберрации линзовых систем Продольная хроматическая аберрация (хроматизм положения)

заключаются в паразитной дисперсии света, проходящего через оптическую систему. При этом белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений.

Хроматические аберрации ведут к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствовали.

Поперечная хроматическая аберрация (хроматизм увеличения)

Называется также хроматической разностью увеличения.

Хроматическая аберрация, при которой изображения одного и того же предмета в лучах разного цвета имеют несколько различный размер.

Сферическая аберрация

Сферическая аберрация образуется из-за того, что лучи, проходящие через входной зрачок на различных расстояниях h от оптической оси, после преломления или отражения в системе пересекают ось в различных точках (рис. 1.5). В результате этого в плоскости изображения вместо точек получаются размытые изображения - кружки рассеяния. Радиус кружка рассеяния определяет величину поперечной сферической аберрации, а разница в расстоянии вдоль оси для реального изображения и изображения в идеальной системе s' называется продольной сферической аберрацией.

Кома

Кома - аберрация оптических систем, заключается в том, что каждый участок оптической системы, удалённый от её оси на расстояние d (кольцевая зона), даёт изображение светящейся точки в виде кольца, радиус которого тем больше, чем больше d. Центры колец не совпадают, в результате чего их наложение, то есть изображение точки, даваемое системой в целом, принимает вид несимметричного пятна рассеяния.

Схема образования комы: лучи, приходящие под углом к оптической оси собираются не в одной точке

Астигматизм

Астигматизм - возникает из-за того, что лучи, проходящие через меридиональную плоскость, пересекаются в фокальной плоскости на линии, перпендикулярной меридиональной плоскости. Соответственно лучи, идущие в сагиттальной плоскости, пересекаются на линии, перпендикулярной ей. Расстояние между этими двумя линиями определяет величину астигматизма. Астигматизм особенно заметен при увеличении угла падения лучей на входной зрачок. Точка, в результате астигматизма изображается в виде эллипса.

Кривизна поля изображения

Кривизна поля изображения - аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Поэтому,

когда центральная часть изображения фокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе и изобразятся нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой.

Дисторсия

Дисторсия - аберрация оптических систем, при которой линейное увеличение изменяется по полю зрения. При этом нарушается подобие между объектом и его изображением. Прямые линии изображаются кривыми, кроме тех, которые лежат в одной плоскости с оптической осью. Например, изображение квадрата, центр которого пересекает оптическая ось, имеет вид подушки (подушкообразная дисторсия, подушка) при положительной дисторсии, и вид бочки (бочкообразная дисторсия, бочка) при отрицательной. В отдельных случаях искажения формы могут иметь и более сложный вид Устранение аберраций (коррекция оптической системы) может вестись различными способами:

подбором оптических материалов, выбором радиусов и толщин отдельных элементов, наконец, соединением в одну систему компонентов с аберрациями обратных знаков и введением асферических поверхностей. В хорошо скорригированной системе минимальный размер кружка рассеяния определяется не аберрациями, а дифракцией; например, для случая системы с круглым выходным зрачком

1, 22 f '

Это выражение действительно для монохроматического излучения с длиной волны .

ОБЪЕКТИВЫ

Объектив является наиболее важным оптическим узлом СОНК строящим изображение объекта и определяющим в первую очередь качество этого изображения. Его основные характеристики: фокусное расстояние f ; относительное отверстие D : f , где D - диаметр входного зрачка; угол поля зрения 2 и разрешающая способность. Поле зрения объектива варьируется от 10° (телеобъектива / до 180° (сверхширокоугольного объектива). Фокусное расстояние доходит до 500 мм и более. Относительное отверстие обычно находится в пределах 1/5 - 1/10. Разрешающая способность лучших объективов достигает 1000 мм-1.

Спектральный диапазон пропускания объектива всегда находится в пределах 0,4 – 0,8 мкм (видимый свет), но существуют объективы для УФ и ИК-излучения.

Большинство современных фото- и телевизионных объективов имеют изменяемое фокусное расстояние (zoom), обычно в диапазоне от 1 : 4 (фотообъективы зеркальных и цифровых фотоаппаратов) до 1 : 20 (объективы телевизионных камер с матрицами ПЗС).

Управление фокусным расстоянием (zoom) фокусировка объектов обычно производится с помощью электромеханического привода.

Наиболее распространенными объективами являются двухлинзовые склеенные и несклеенные (при диаметре более 60 – 80 мм).

Двухлинзовый склеенный объектив прост по конструкции и дешев в изготовлении; склеен из положительной и отрицательной линз. Существуют объективы двух видов рис. 1а и рис. 1б. Положительная и отрицательная линзы выполнены из разных оптических стекол для уменьшения аббераций. Первый дает хорошее качество изображения при 2 6 , а при условии дополнительной компенсации другими компонентами системы до 8 – 11°; второй позволяет увеличить поле зрения до 15° при том же условии и при уменьшении относительного отверстия. Двухлинзовый несклеенный объектив (рис. 2) имеет один дополнительный параметр (радиус поверхности), позволяющий устранить кому, не прибегая к затруднительному подбору стекол, и повысить относительное отверстие при хорошем качестве изображения. Изменяя в небольших пределах воздушный промежуток между линзами, можно точно выдержать необходимую величину фокусного расстояния объектива. Недостатки объектива: трудоемок в производстве, плохо сохраняет центрировку, дополнительные потери света на несклеенных поверхностях (просветление уменьшает эти потери).

Трехлинзовый объектив из двух положительных компонентов, из которых первый – мениск, а

второй – двойная склеенная линза (рис. 3), позволяет подбором марок стекол существенно уменьшить абберации, не уменьшая относительного отверстия, что очень важно при конструировании труб большого увеличения. В остальном коррекция равнозначна двухлинзовому несклеенному объективу. В некоторых конструкциях компоненты располагаются в обратном порядке.

Четырехлинзовые объективы, обладая большим числом параметров, позволяют повысить относительное отверстие и увеличить поле зрения при хорошем исправлении аберраций высших порядков. Так, комбинация из двух одинаковых двухлинзовых склеенных, расположенных рядом объективов (рис. 4а), позволяет получить при вынесенном вперед входном зрачке поле зрения до 32° при относительном отверстии 1 : 5.

Иногда в качестве широкоугольных объективов применяют окуляры с большим фокусным

расстоянием (рис. 4б), которые позволяют также при вынесенном зрачке получить поле зрения 2 = 40°при относительном отверстии 1 : 4.

В последнее время начинают применять объективы с толстыми менисками, с помощью которых исправляется кривизна изображения.

Телеобъективы. Для сокращения длины оптической системы по сравнению с фокусным расстоянием, уменьшения колебаний визирной оси при фокусировании на различно удаленные предметы и герметизации внутренних частей в геодезических приборах применяют двухкомпонентные объективы с переменным фокусным расстоянием, состоящие из собственно объектива и фокусирующей линзы, так называемые телеобъективы (рис. 5а – простой; 5б – сложный). Сокращение длины трубы в таких системах достигает 0,80 – 0,60 от эквивалентного фокусного расстояния телеобъектива f .

Зеркально-линзовые объективы удачно сочетают коррекционные возможности отражающих и преломляющих поверхностей в одной системе и позволяют получить высокое качество изображения при существенном сокращении длины трубы. Их применяют в астрономических и геодезических приборах, микроскопах и фотооптике с использованием сферических и несферических поверхностей. На рис. 6 приведена схема зеркально-линзового объектива со сферической оптикой. Первый компонент – ахроматический мениск – является коррекционным элементом, хорошо устраняющим ошибки изображения, включая даже вторичный спектр. Комбинируя зеркала и линзы, удается конструировать малогабаритные, удобные в эксплуатации оптические приборы с хорошим по контрасту изображением и высокой разрешающей способностью.

ОКУЛЯРЫ

Окуляр – часть оптической системы, расположенная перед глазом наблюдателя и предназначенная для рассматривания изображения, образованного предыдущей частью системы, обычно объективом.

Основные характеристики окуляра: фокусное расстояние f’ок, относительное отверстие D’ : f’ок (или размер выходного зрачка D'), поле зрения 2 , удаление выходного зрачка от последней поверхности t’ (или заднее вершинное фокусное расстояние s F), переднее вершинное фокусное расстояние sF и качество изображения (разрешающая способность).

Отрезок sF определяет положение передней фокальной плоскости, в которой обычно устанавливают сетку с делениями и диафрагмой поля зрения, он обеспечивает возможность осевого перемещения окуляра для коррекции зрения наблюдателя.

По отрезку s F можно судить об удалении выходного зрачка, с которым совмещается глаз наблюдателя при пользовании зрительной трубой. Обычно входной зрачок объектива совпадает с его оправой или выносится несколько вперед, поэтому выходной зрачок трубы, являющийся его изображением, лежит вблизи заднего фокуса окуляра F’ок и тем ближе, чем больше видимое увеличение трубы Г.

Для f’ок установлен нормальный ряд значений от 10 до 40 мм (через 5) и 50 мм; наиболее распространенными являются окуляры с f’ок = 20 30 мм.

Оптические зеркала

Зеркалом называют оптический элемент с полированной поверхностью, образующий световые потоки или изображения путем отражения падающих на него лучей.

Зеркала изготавливают из металлов или путем напыления пленок из металлов на твердые материалы.

В некоторых случаях используют полупрозрачные зеркала, частично отражающие и пропускающие световое излучение.

Оптические фильтры

Оптические фильтры, или светофильтры – устройства, предназначенные для пропускания света требуемого интервала электромагнитного спектра и задержки мешающего светового излучения. Оптические фильтры основаны на явлении спектрального поглощения, интерференции, поляризации. В зависимости от их спектральной характеристики фильтры делятся на коротковолновые 1, длинноволновые 3 и полосовые 2. Коротковолновые фильтры пропускают излучение с длиной волны меньше заданного предела, а длинноволновые – с длиной волны больше заданного предела. Полосовые фильтры пропускают излучение в определенной спектральной полосе.

Полосовый фильтр можно заменить комбинацией коротковолнового и длинноволнового фильтров. Оптические фильтры должны обладать крутой спектральной характеристикой на границе пропускания. Крутизна спектральной характеристики фильтра на границе пропускания определяется отношением величины интервала длин волн, на котором пропускание уменьшается от минимально допустимого на рабочем участке излучения (80%) до максимально допустимого на граница пропускания (3 - 5%), к длине волны границы пропускания к. На практике это отношение но должно превышать одной десятой.

Спектральные характеристики пропускании коротковолнового, полосового и длинноволнового фильтров

Основными характеристиками полосы пропускания являются длина волны, соответствующая ее середине и ширина полосы. Ширина полосы пропускания п полосового фильтра определяется интервалом длин волн, на котором коэффициент пропускания превышает 3 – 5%:

п вк нк

Спектральные характеристики интерференционных пропускающих фильтров зависят от рабочей длины волны, отношения толщин пленок к длине волны, показателей преломления диэлектрических пленок и материала подложки, коэффициентов пропускания пленок, отражения на границе оптических сред. Кроме спектральной полосы максимального пропускания, у интерференционных фильтров наблюдаются боковые спектральные полосы пропускания. Это необходимо учитывать при применении этих фильтров в приборах оптического контроля.

Оптические призмы

Призмой называют оптический элемент, выполненный из однородного материала в виде фигуры, ограниченной несколькими пересекающимися плоскостями.

Дисперсионные призмы используют в спектральных приборах для пространственного разделения излучений различных длин волн.

Наибольшее распространение призмы получили для изменения направления хода лучей.

Световоды

Световод – оптический элемент, передающий изображения, сформированное на одном его торце к другому. Световоды состоят из оптических волокон.

Под волоконной оптикой понимают совокупность методов и средств передачи излучений оптического диапазона с помощью сверхтонких оптически изолированных волокон, изготовленных из прозрачных для этих излучений материалов.

Волоконно-оптические устройства лишь переносят изображение, но сами его не формируют, поэтому для подачи изображения на вход такого прибора и снятия с выхода необходимы другие устройства. Одиночное волокно переносит только один элемент изображения, группа волокон в виде пучка или пластины может передавать ряд элементов, т.е. определенную информацию, например, видимое изображение, распределение ИК излучения на поверхности некоторого тела и т.д.

Жгуты с упорядоченным расположением волокон применяют для передачи информации без преобразования, в этом случае оба конца каждого волокна занимают во входном и выходном сечениях жгута одинаковые места. Пучки с произвольным расположением концов волокон используют для канализации энергии излучения, например, освещения труднодоступных мест. Если диаметр волокна dc существенно превосходит длину волны , то передача излучения вдоль волокна происходит на основе полного внутреннего отражения лучей от его боковой полированной поверхности по законам геометрической оптики (dc 5 6 мкм). Оптическим волокном условно называют световоды диаметром менее 0,3 мм.

Одиночное волокно переносит только один элемент изображения, группа волокон в виде пучка или пластины может передавать ряд элементов, т.е. определенную информацию, например, видимое изображение, распределение ИК излучения на поверхности некоторого тела и т.д.

При полном внутреннем отражении свет проходит по волокну, испытывая потери, в основном только за счет поглощения в стекле. Светопропускание волокна не уменьшается и при его изгибе, если при этом углы падения лучей на боковую поверхность не окажутся меньше критического значения; принимают, что допустимый радиус кривизны r dc, где dc – диаметр сечения волокна. Чтобы уменьшить потери света, оптическое волокно делают сложным; как правило, оно состоит из