sobchuk

76.Основные энергетические соотношения.

Носителем информации в спектральных приборах является лучистый поток. Фотоприемник преобразует лучистый поток в электрический сигнал. Это преобразование должно производиться так, чтобы информация отображенная в изменениях лучистого потока сохранялась в электрическом сигнале. Чтобы фотоприемник реагировал на электрический сигнал необходимо чтобы линейные размеры источника, диаметр входного отверстия оптической системы, расстояние между источником и приемником были расчитаны определенным образом. Основные энергетические соотношения рассмотрим для случая когда линейные размеры источника излучения и диаметр входного отверстия оптической системы много меньше расстояния между излучателем и оптической системой.

Достаточно, чтобы линейные размеры излучателя не превышали 0,1*l , а передний апертурный угол α был меньше 6°. Уже при угле α < 15° можно полагать tgα≈sinα≈α не допуская погрешности больше 4%.

Предположим, что излучатель имеет определенную энергетическую яркость Le, площадь Sизл, dвх.зрачка=Dвх. Определим световой поток, который достигает чувствительной площадки поверхности фотоприемника:

Телесный угол кот-й охватывается зрачком: Энергетическая сила света: Ie=Le*Sизл.

Если коэффициент пропускания среды между источником и входным отверстием =ηср, то - поток который достигает зрачка.

Положим, что поток Ф собирается оптической системой на поверхности приемника, и учтем потери на отражение, поглощение и рассеяние в оптической системе с помощью коэффициента про-пускания ηо.Поток, достигающий поверхности приемника:

Это выражение является одним из видов записи основного энергетического уравнения, связывающего между собой величину потока на поверхности приемника, параметры излучателя и оптической системы. В зависимости от того, известны ли параметры или подлежат определению, форма записи этого уравнения видоизменяется.

Примеры использования энергетического уровнения:

1. Яркость постоянна во всех направлениях и поток излучателя распространяется в телесном угле 2π, тогда Ф0= πLeSизл.

- КПД (доля светового потока излучателя падающая на приемник).

В осветительных системах стремятся использовать поток излучателя наиболее полно. Для этого источник излучения располагают как можно ближе к оптическому компоненту (конденсору), насколько позволяют требования к качеству изображения излучателя и тепловой режим. Отношение потока, проникающего сквозь конденсор, ко всему потоку излучателя называют КПД конденсора. При точечном излучателе к. п. д. конденсора определяют по формуле:

В осветителях с источником, излучающим по всем направлениям, кпд излучателя составляет несколько сотых долей (несколько процентов). Чтобы увеличить КПД конденсора и угол α используют двухлинзовый конденсор (α=25...30), трехлинзовые и

зеркальнолинзовые (α=50...60). Если использовать светодиод то КПД достигает 80%, если лазер – 100%.

2. Основное энергетическое уравнение часто используется для определения необходимого диаметра входного отверстия. Для этого выбирают приемник излучения, источник излучения и заранее определяют величину минимального светового потока Фmin, который необходим для нормальной работы приемника и электрической части прибора.

Частоточечный излучатель характеризуют энергетической силой

света: Ie=Le*Sизл

При удаленном источнике излучения удобно вместо энергетической силы света использовать расчет по облученности: Еe=Ie/l2 из этого следует

3. Рассмотрим случай протяженного излучателя когда S его поверхности больше площади охватываемой полем зрения прибора.

1- плоскость предметов; 2- объектив; 3- плоскость изображений

l>>f’, f’ – фокусное расстояние объектива. В таком случае изображение излучателя получается в фокальной плоскости: l/l’=d/d’

Видимая площадь излучателя и площадь изображения его –S’ относятся как

квадраты линейных размеров d и d’:

Sизл= S’*l2/(l’)2, l’=f’

Если мы эти значения подставим в основное энергетическое уравнение:

Ф’=0,25ηπLeS’(Dвх/f’)2

Из этой формулы видно, что поток на поверхности приемника не зависит от расстояния l, и его величина пропорциональна (Dвх/f’)2 – относительное отверстие в оптической системе.

Поток на поверхности приемника может быть выражен через апертурный угол в пространстве изображения:

Ф’= ηπLeS’sin2α’

Если спектр излучателя распределен определенным образом по длинам волн а коэффициент пропускания различен для разных длин волн ηLeсреднее значение в исследуемом интервале.

Iф=SIФ’=SIηπLeS’sin2α’=SIηπLeSизлsin2α

Если поверхность излучателя наклонена к поверхности и образует с ней угол θ то надо учитывать направленность излучения. Для диффузно излучающей поверхности (равномерно по всем направлениям):

Icθ=Icocosθ

Ico – при перпендикулярном расположении излучателя

В излучателях с острой направленностью излучения сила света резко убывает при отклонении от перпендикулярного направления, поэтому их надо использовать так, чтобы максимум излучения совпадал с оптической осью.

77. Линейная, обратная линейная и угловая дисперсия.

Линейная дисперсия (Dl=dl/dλ) – отношение некоторого линейного расстояния на фокальной поверхности к соответствующему ему интервалу длин волн. (число мм приходящихся на единицу интервала длин волн).

Чем больше линейная дисперсия тем больше расстояние между спектральными линиями и тем детельнее можно изучать спектр.

Обратная дисперсия – определяет интервал длин волн (в ангстремах) приходящихся

на 1 мм. (D’l= dλ/ dl)

Линейная и обратная дисперсия зависят от свойств диспергирующих элементов:

1.Призма: D’l= 100-10 ангстрем/мм – зависит от участка спектра, уменьшаясь в ИК области.

2.Дифракционная решетка D’l=10-1 ангстрем/мм

3.Интерференционные приборы D’l=0,1-0,01 ангстрем/мм.

Если известна какая-либо из этих дисперсий то можно определить Dl:

∆l= Dl*∆λ ∆λ= D’l∆l

Угловая дисперсия определяет угол на который разделяются пучки близких длин волн при разложении в спектр:

Dθ=dθ/dλ= Dl*f / sinθ

f- фокусное расстояние

θ- угол наклона фокальной плоскости

78. Разрешающая способность спектрального прибора.

Чем меньше ширина выходной щели монохроматора, тем меньше спектральный интервал потока проходящего через него. Наименьший интервал ∆λmin в котором близкие спектральные линии видны раздельно определяетсяя дифракцией, аберациями, дефектами оптической системы. В результате каждая спектральная линия будет казаться размытой и прибор запишет контур конечной ширины при это 2 билзкие линии будут неразличимы. Разрешающая способность – отношение длины волны к минимальному интервалу длин волн ∆λmin между двумя соседними линиями которые могут наблюдаться раздельно:

R=

∆

Теоретический критерий R был установлен Релеем для случая когда R обусловлена дифракционным инструментальным контуром, при линии имеют одинаковую яркость, провал совещенности.

Можно получить разрешение линии при провале <20%.

Реальная разрешающая способность тем выше, чем меньше линейные искажения в фокальной плоскости.

	R=		=		×
		∆		∆

∆lminлинейный предел разрешения, чем он меньше,тме больше разрешающая способность спектрального прибора.

Для призменных приборов R≈103-105

Для дифракционных решеток R≈105-5*105 Для интерференционных приборов R≈106-107

79. Светосила и качество спектрального прибора.

Светосила – определяется количеством световой энергии падающей на приемник излучения, бывает светосила по освещенности и по току.

Для линейчатого спектра освещение входной щели монохроматора можно считать монохроматичным. В этом случае светосила по освещенности пропорциональна коэффициенту пропускания η и квадрату входного отверстия.

Светосила по току пропорциональна площади щели и угловой дисперсии.

Для сплощшного спектра светосила по освещенности пропорциональна ширине изображения входной щели и обратной дисперсии, по току – квадрату этих величин. В обоих случаях пропорциональна коэфициенту пропускания.

Важный параметр который характеризует качество спектрального прибора является скорость с которой можно получать данные. При сканировании разрешающая способность будет определяться не только искажениями вносимыми оптической частью но и свойствами приемного устройства. Для уменьшения погрешностей обусловленных электронными устройствами надо обеспечить необходимое соотношение сигнал/шум. Чаще всего требуется уменьшить уровень шума, чем он меньше и выше светочувствительность тем меньше мощность светового потока. Чем меньше постоянная фотоприемника тем выше скорость сканирования.

= (		) × ×		- обощенный показатель качества
			′
	ш		Ф ( )∆

Pcмощность сигнала Ршмощность шума

R- разрешающая способность

Р- параметр зависящий от типа прибора Ф’(λ) – световой поток который попадает на фотоприемник

∆t- время регистрации одного спектрального интервала. Чем выше Q, тем выше качество прибора.