Параметры оптического излучения

Поток излучения - является количественной характеристикой излучения, измеряется в Дж, либо Вт. Различают поток излучения во всем спектральном диапазоне - называемый интегральным, Ф_э= dW/dt , [Дж/c=Вт] и поток в единице спектрального диапазона Ф_l=dФ/dl, [Вт/мкм] называемый спектральным потоком, спектральной плотностью.

Энергетическая сила света - поток излучения dФ, приходящийся на единицу телесного угла dW I=dФ/dW, [Вт/ср]. Для среднего по углу потока излучения вводят поток равный Ф_W= I dW, где I= Ф_э /W₀=(1/W₀)[ I(W )dW]. Для спектральной силы излучения I_l=dI/dl размерность представляется в виде [Вт/(ср мкм)] .

Поверхностная плотность потока - определяет величину потока с единицы поверхности источника, либо приходящая на единицу поверхности. Объекты с поверхности которых исходит поток характеризуются интегральной и спектральной светимостью M=dФ/dS_и ,[ Вт/см²] и M_l=dM/dl,,[ Вт/(см²мкм)]. Объекты на поверхность которых падает поток излучения характеризуются интегральной и спектральной освещенностью E=dФ/dS_пр , [Вт/см²], E_l=dE/dl, [Вт/(см²мкм)].

Яркость излучения - определяется отношением элементарного потока dФ излучения к произведению единицы площади dS, с которой он распространяется, на единицу телесного угла dW, т.е. является функцией угла в котором распространяется поток и поверхности объекта с которой он уходит Ф=f(W,S). Для интегрального потока яркость излучения равна L= d²Ф/(dWdSCosq), [Вт/срсм²].

Если яркость рассматривается в произвольной точке на поверхности объекта, то L= dE/dW. Поверхности тел, энергетическая яркость которых одинакова во всех направлениях называют диффузно-излучающими. Такие поверхности подчиняются закону Ламберта, в соответствии с которым

I=LSCosq.

Между энергетической светимостью и яркостью диффузно-излучающего тела существует связь, определяемая соотношением M=пL. Если по концам векторов I и L провести поверхности, то они будут иметь вид, показанный на рис.2.1.Такие поверхности называют фотометрическими.

Рис. 1. Вид функции энергетической яркости и силы излучения источника

Рассмотренные выше характеристики относились к потоку излучения, рассматриваемому во всем спектральном диапазоне. Поток излучения видимого диапазона длин волн описывается так называемыми светотехническими характеристиками к которым относятся: световой поток F [лм], измеряемый в люминах - поток излучения АЧТ (абсолютно черного тела) с площади излучающей поверхности равной 0,5305 мм² при температуре поверхности T= 2042 ^oC, световая энергия W= F(t)dt [Дж], измеряемая в Джоулях, сила света I=F/W [кд], измеряемая в канделлах (лм/ср), освещенность E=F/S [лк], измеряемая в люксах и яркость L=F/(SWCosq), измеряемая в [кд/м²]=[лм/ср·м²].

Между энергетической и светотехнической системами единиц существует связь, определяемая особенностями зрения человека, так как из всего падающего на входной зрачок глаза широкополосного потока излучения преобразуется только часть, а именно поток видимого диапазона длин волн. Если обозначить через k(l) спектральную чувствительность глаза, то воспринимаемый им поток излучения будет F(l)=k(l)Ф(l). В тоже время поток излучения усваиваемый глазом F= dF(l). Величина dF(l) равная f(l)dl=

Ф_о(l)Ф(l_m)k(l)dl характеризует спектральную плотность потока ( величину потока на единицу полосы пропускания). Так как спектральная чувствительность глаза неравномерна по диапазону длин волн и имеет максимальное значение в области длин волн l=0,555 мкм, часто пользуются с нормированной спектральной чувствительностью [k(l)/k_m(l)]=V(l) называемой функцией видности глаза. Используя введенное обозначение, поток излучения воспринимаемый глазом можно представить в виде F=Ф(l_m)K_m(l) Ф_о(l)V(l)dl=Ф(l_m)K_m(l) Ф_о(l)V(l)dl( Ф(l)dl)/ Ф(l_m) Ф_o(l)dl) .

Отношение ( Ф_о(l)V(l)dl)/ Ф_o(l)dl)=h называют коэффициентом полезного действия (кпд) глаза. С учетом введенного коэффициента связь потоков излучения в энергетической и светотехнической системах единиц определяется соотношением вида

F= K_m(l) Фh,

где K_m(l) определяется по излучению эталонного источника и равна F/(h_этФ_эт)= 683 [лм/Вт]. При работе с реальным источником Ф=F/(683h_p) [Вт].

Точечный источник излучения. Это источники излучения, размеры которых значительно меньше расстояния до приемника. Характеристиками таких источников является сила излучения I. Освещенность некоторой поверхности Q, создаваемая таким источником оценивается следующим образом. Выделим на освещаемой поверхности Q элементарную площадку размером dA₁ , тогда пространственный угол в пределах которого распространяется поток излучения источника, падающий на эту площадку будет равен dW =dA₁Cosq /R², а поток излучения падающий на нее равен dФ=IdW , следовательно dФ= I dA₁Cosq /R² и освещенность E= dФ/ dA₁ , будет равна

E=I Cosq/ R². Таким образом, освещенность поверхности создаваемая точечным источником пропорциональна силе излучения, косинусу угла падения лучей на освещаемую поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния до нее.

Законы теплового излучения

(см. лабораторную работу «Исследование излучения нагретых тел»)

Тема 5. Тема 6. Спектральный анализ оптических сигналов. Понятие периодического процесса, гармоническое колебание и его аналитическая запись, форма и параметры (амплитуда, частота, начальная и полная фазы колебания). Сложный периодический процесс и его представление рядом Фурье. Понятие о спектре амплитуд и спектре фаз. Периодические сигналы их свойства.

Спектр периодического сигнала, последовательность прямоугольных импульсов, ее спектр амплитуд и форма огибающей спектра. Непериодические сигналы, спектр непериодического сигнала, понятие прямого и обратного преобразования Фурье, запись преобразования Фурье в комплексной форме.