Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАДИОМЕТРИИ И ФОТОМЕТРИИ

Как известно, спектр электромагнитных колебаний делится на радиодиапазон (дли­на волны А, меняется от 1 мм до нескольких десятков километров), оптический диапазон (X меняется от 1 нм = 10” мкм до 1 мм) и рентгеновский диапазон (X = 10 ... 10” мкм). Весьма широкий оптический диапазон в свою очередь подразделяют на инфракрасную область (0,76 мкм...1 мм), видимую (0,40...0,76 мкм) и ультрафиолетовую (УФ) об­ласть (10~3...0,4 мкм).

В зависимости от характера распределения энергии излучения по спектру выделяют источники излучения с непрерывным спектром, к которым относятся источники тепло­вого излучения (возникающего в результате теплового возбуждения частиц вещества: атомов, молекул, ионов), источники с полосовыми и линейчатыми спектрами, к кото­рым относятся люминесцентные излучатели и лазеры (энергия различных видов пре­вращается в энергию излучения без промежуточного преобразования в тепловую), а также источники смешанного типа, излучение которых наряду со сплошным спектром имеет отдельные заметные полосы или линии.

Монохроматическое излучение, т. е. излучение с практически одной частотой V или длиной волны X = с/у, можно представить как поток квантов с одинаковой энергией:

Ед= Иу = Ьс/к,

Где И = 6,626-10“34 Дж-с - постоянная Планка; с0 ~ 3-108 м-с~‘ - скорость распростране­ния электромагнитного излучения в вакууме. Поскольку частота оптического излуче­ния больше частоты радиоволн, кванты излучения в оптическом диапазоне мощнее, чем в радиодиапазоне.

Важнейшей характеристикой излучения является поток Фе - средняя мощность, пе­реносимая излучением за время, значительно большее периода электромагнитных ко­лебаний. Распределение потока излучения в пространстве достаточно полно описыва­ется следующими величинами.

Энергетическая светимость Ме - отношение потока излучения, испускаемого ма­лым элементом поверхности по одну сторону от себя, т. е. в полусферу, к площади этого элемента dA.

Энергетическая освещенность (облученность) Ее - отношение потока излучения dG>e, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dA2.

Сила излучения - отношение потока излучения dG>& распространяющегося от источ­ника в определенном направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному углу <ЮЬ т. е.

Ie=d0JdQr (2.1)

Нужно отметить, что здесь имеется в виду точечный источник излучения, т. е. тело, имеющее малые размеры по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается его действие (обычно в 5... 10 раз меньше расстояния между источником и облучаемой плоскостью).

Энергетическая яркость излучающей поверхности в данном направлении - отно­шение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади

Излучающей поверхности: =Ia /dAm>, где 1Л - энергетическая сила света в направ­

Лении 01; dAH) - видимая площадь элемента поверхности dA в направлении, образую­щем угол 0] с нормалью к элементу dAt. Так как dA „ = dA, cos 0Ь то

1Н,

£*=Л*/(<Цс Ose,). (2.2)

Для плоских источников с яркостью, одинаковой во всех направлениях, справед­лив закон Ламберта, согласно которому сила излучения пропорциональна косинусу угла 01. Для поверхностей, подчиняющихся этому закону, cos0, = LedAt cos0,,

Откуда

/(бЦcos6,).

Закон Ламберта строго справедлив только для идеально рассеивающих или идеаль­но поглощающих поверхностей. Широко используется следствие из закона Ламберта, по которому устанавливается связь между Ме и Le:

Foft Не­качественной характеристикой каждой из указанных величин является ее спек­тральная плотность, определяемая как отношение энергетической величины (осве­щенности, силы света, яркости), взятой в малом спектральном интервале длин волн, к ширине этого интервала АХ. Например, спектральная плотность энергетической свети­мости Мх=М(Х) является величиной Ме, приходящейся на интервал Х...Х+АХ.

Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется вы­ражениями вида

Си

М'=1МХ(1Х;

О

Оо

Ьс = Ьхс[к Ьх—йЬ^дк и т. д.

О

При оценке мощности излучения по производимому им световому ощущению, т. е. по реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения, пользуются поня­тиями о световом потоке и соответствующих световых величинах. Определения свето­вых величин аналогичны определениям соответст­вующих энергетических величин (табл. 2.1).

Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если для некото­рого излучателя измерить поток излучения в бес­конечно малом диапазоне длин волн Х...Х+АХ и световой поток, т. е. поток, воспринимаемый гла­зом в том же диапазоне спектра, то отношение све­тового Фу, х и излучаемого Фех потоков будет харак­теризовать спектральную световую эффективность

Кх=К(Х)=Ф^х / Феъ

Отношение Кх для какой-либо длины волны из­лучения к максимальному значению АГщах называ­ется относительной спектральной световой эффек - X, мкм тивностью:

Рис.2.1. Кривая видимости для у _ ^ / %

Сумеречного (1) и (2) дневного зрения *■ 1тх’

Где К^- 683 лм-Вт”1 - световой эквивалент по­тока излучения. Часто зависимость Ух называют кривой спектральной чувствительно­сти глаза или кривой видимости (рис. 2.1). Ее максимум для дневного зрения соответ­ствует А-пих = 0,555 мкм, а для сумеречного = 0,505 мкм.

Го

Если поток излучения определяется как Ф =1ФАс1к, то очевидно, что световой

0

ПОТОК

Ф, =1^Фй<й. = Т^ФлЛ = 683 .

0 0,4 0,4

Пределы интегрирования зависят от диапазона значений Кх. Нужно отметить, что не только для глаза, но и для любого селективного приемника, имеющего неодинаковую чувствительность к излучению различных длин волн, оценка эффективности потока может быть проведена аналогично. Вместо абсолютной спектральной кривой чувстви­тельности глаза Кх следует взять спектральную характеристику приемника

2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии

Таблица 2.1

Основные энергетические и фотометрические величины и единицы их измерения (в соответствии с системой СИ и рекомендациями Международной комиссии по освещению)

Ознакомившись с основными энергетическими и фотометрическими величинами, можно перейти к рассмотрению некоторых соотношений между ними, часто исполь­зуемых на практике.

Используя формулу (2.1) и учитывая, что телесный угол dd * dA2 cos 02//2, где I - расстояние между источником излучения и облучаемым элементом поверхности dA2, расположенным под углом 02 к направлению облучения, получаем выражение для энергетической освещенности, создаваемой точечным излучателем:

E'=d0e/dA2 = IecosQ2/l2.

Определяя отсюда значение /е и учитывая формулу (2.2), а также то, что dCl« »fiL42cos 02/?2, находим энергетическую яркость L^ , создаваемую излучателем dA в месте

Расположения dA2 по направлению от dA] к dA2: = Ее /(dCl2 cos02). Отсюда суммарная

Освещенность в пределах угла Q2

Ес = |4Й1 cos62JQ2.

Для небольших углов Д02 при Z, ee = Le = const в пределах ДГ22

Et = L'AQ2. (2.3)

Одним из основных понятий, используемых в радиометрии, является черное тело, или полный излучатель, - тепловой излучатель, имеющий при заданной температуре максимально возможную для всех длин волн спектральную плотность энергетической светимости. Черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения неза­висимо от длины волны, поляризации и направления падения. Так как все характери-

2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии

Стики излучения черного тела могут быть опре­делены, если известен всего лишь один пара­метр - температура, оно служит эталоном, по которому калибруются источники и приемники излучения.

Важно отметить, что любое тело, например газ, имеющее коэффициент поглощения мень­ше единицы, при увеличении пути прохожде­ния излучения в нем будет излучать как черное тело. Черное тело является идеальным ламбер­товым (косинусным) излучателем, у которого яркость одинакова во всех направлениях.

Любой реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (ко­эффициентом черноты) е - отношением энергетической светимости тела к энергетической светимости черного тела при той же температуре, а также коэффициентом направленного излучения - отношением энергетической яркости тела в некотором направлении к энерге­тической яркости черного тела при той же температуре. Тепловой излучатель, спектраль­ный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра не зависит от длины волны, называется неселективным. Неселективный излучатель, спектральный ко­эффициент излучения которого меньше единицы, называется серым. Излучатель, спек­тральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра зависит от длины волны, называется селективным. Примером является вольфрамовая нить лампы на­каливания. Селективным характером излучения обладают и вещества, которым свойствен­ны селективные отражательная способность и прозрачность. Степень селективности можно определить, если известны оптические характеристики вещества.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 2.3. Интегральный коэффициент излучения е некоторых диэлектриков: 1 - каучук, 2 - фарфор, 3 - пробка,

4 - бумага, 5 - огнеупорная глина

Рис. 2.5. Спектральный коэффициент излучения некоторых металлов и графита: 1 - графит, 2 - медь, 3 - железо, 4 - алюминий, 5 - серебро

Коэффициент поглощения, или поглощательная способность, - отношение погло­щаемой телом мощности излучения к потоку излучения, падающему на тело. Важно отметить, что у большинства диэлектриков поглощательная способность растет с уве­личением длины волны падающего излучения X. Это накладывает ограничения на вы­бор материалов оптических систем для работы в длинноволновой области спектра. По­глощательная способность а зависит также от угла падения лучей на вещество, однако это изменение практически не столь сильно сказывается, как зависимость а от X. Для

Металлов справедливо соотношение ах «1 / ^аэХ, где аэ - электрическая проводимость;

X - длина волны падающего излучения.

В литературе (см., например, [17, 51]) при­водятся значения коэффициентов излучения различных материалов. На рис. 2.2-2.1 даны примеры зависимостей интегральных е и спек­тральных е*. = е(Х) коэффициентов излучения ряда веществ от температуры и длины волны, заимствованные из [17].

Зависимости интегральных коэффициентов излучения ряда излучателей от угла наблюде­ния ф приведены на рис. 2.8 и 2.9. Нагретые тела как источники излучения отличаются от идеально черного тела, так как их коэффициен­ты излучения не равны единице на всех длинах волн. Следовательно, реальный излучатель дает меньше энергии, чем черное тело при той же температуре. Для расчетов энергии испускаемой серыми и селективными излу­чателями, удобно воспользоваться понятием об эквивалентных им полных излучателях, поскольку все параметры излучения последних можно определить по известной темпе­

Ратуре. В качестве признаков эквивалентно­сти могут служить яркость, цвет (цвет­ность) или энергетическая светимость, в соответствии с которыми введены понятия

О яркостных, цветовых и радиационных температурах.

Яркостная температура - температура черного тела, при которой на какой-либо длине волны оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело. Очевидно, что ярко­стная температура тела всегда меньше ре­альной.

Температура распределения - температу­ра эквивалентного черного тела, при которой излучение данного тела в видимой части спектра практически идентично излучению черного тела, т. е. ординаты их спектрального распределения яркости пропорциональны.

Температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение, называется цветовой. Цветовая температура может быть больше или меньше фактической температуры тела и меняться с изменением последней.

Следует отметить, что некоторые се­лективные излучатели на отдельных участках спектра можно рассматривать как серые или даже черные тела, т. е. к ним этот термин вполне применим. На этих же участках представляется возможным ис­пользовать такие излучатели для модели­рования черного тела.

Чтобы сравнить интегральные вели­чины излучения черного тела и селектив­ного излучателя, введено понятие радиа­ционной температуры - температуры черного тела, имеющего такую же сум­марную (по всему спектру) энергетиче­скую светимость, что и данный селектив­ный излучатель.