Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 0,001–1000 мкм. Оптический спектр делится на поддиапазоны: ультрафиолетовое излучение (0,001– 0,38 мкм), видимый свет (0,38 –0,78 мкм), инфракрасное излучение (0,78 – 1000 мкм).

Системы энергетических и фотометрических величин. Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе величин свет рассматривается как поток частиц – квантов, энергия которых составляет:

w _к= h n,

где h =6,6256·10^-34 Дж·с – постоянная Планка. Кванты видимого света обладают энергией 2–5 эВ.

Основной величиной энергетической и фотометрической систем является поток излучения Ф, определяемый в системе энергетических величин в ваттах, а в системе световых (фотометрических) величин – в люменах. Световые величины используются для оценки излучения по производимому им световому ощущению, т. е. по реакции человеческого глаза, и связь между энергетическими и световыми величинами устанавливают через спектральную чувствительность глаза V _l. Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза K _l= V _l/(V _l)_max от длины волны называют «кривой видности». Для нормального глаза K _l=1 при l=0,555 мкм [1].

Если известна функция распределения мощности излучения по длинам волн Р _l (спектральная плотность излучения), то видимый световой поток в люменах равен

.

Основные законы теплового излучения

Закон Стефана – Больцмана определяет связь между энергетической светимостью R абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой:

R = s T ⁴,

где s=5,6697·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – постоянная Стефана – Больцмана.

Закон Планка дает качественную характеристику лучистого потока, указывая, как распределяется энергия излучения АЧТ по длинам волн:

R _l(l, T)= C ₁l^-5{exp[ C ₂/(T l)] –1}^-1,

где С ₁=3,7415·10^-16 Вт·м²; С ₂=1,4388·10^-2 м·К.

Закон Голицина – Вина позволяет определить длину волны излучения АЧТ, соответствующую максимуму кривой R _l(l, T); l_max=2898/ T, мкм.

Реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) e= f (l), который показывает, какую часть энергетическая светимость R данного тела составляет от энергетической светимости АЧТ при той же температуре.

 

Источники излучения

В измерительных преобразователях в качестве источников излучения используются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Основными характеристиками источников излучения являются характер свечения (непрерыв­ный или импульсный), спектральный состав излучения, мощность излучения (свето­вой поток, сила света, яркость), потребляемая мощность (напряжение и ток пита­ния), габариты.

Лампы накаливания имеют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Мощность излучения ламп накаливания относительно невелика, спектральный состав и интенсивность свечения зависят от темпе­ратуры нити, определяемой напряжением и током питания. Характер свечения непрерывный.

Газоразрядные лампы представляют собой кварцевый или стеклянный баллон, заполненный газом, с впаянными токоведущими электродами. Электрический разряд в газовом промежутке сопровождается интенсивным световым излучением. Газораз­рядные лампы подразделяют на лампы непрерывного свечения и импульсные, сила света во вспышках которых достигает 10⁸ кд. Газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр излучения. К недостаткам газоразрядных ламп относятся большие габариты и сложность схем включения.

Лазеры. В настоящее время применяются газовые (ГОСТ 23202–78), твердотельные и полупроводниковые (ГОСТ 17490–77) лазеры. В состав лазера обычно входят излучатель и блок питания, а также могут входить блок автоматики и вспо­могательные устройства.

Параметры излучения зависят от излучателя, а также от режима излучения лазера, который может быть непрерывным, импульсным и режимом одиночных импуль­сов. При импульсном (пульсирующем) режиме излучение лазера происходит в виде регулярной последовательности импульсов с частотой f, причем длительность импуль­сов гораздо меньше периода их повторения. В режиме одиночных импульсов длитель­ность импульса обычно не превышает 10^-3c, а промежутки между ними достигают десятков минут.

Максимальная мощность излучения достигается в режиме одиночных импульсов и для твердотельных лазеров составляет десятки мегаватт. В измерительной технике наибольшее распространение получили газовые лазеры, излучение которых отличается высокой степенью монохроматичности и поляризованности.

Светодиоды представляют собой излучающий р-n -переход. В настоящее время наибольшее распространение получили арсенидно-галлиевые светодиоды полусфери­ческой конструкции (диаметр излучающей полусферы 1,4 мм), максимум интенсив­ности излучения которых соответствует длинам волн 0,92–0,96 мкм, ширина спек­тральной линии 20–70 нм. Процессы включения и выключения светодиодов опре­деляются постоянными времени 10^-8–10^-9 с, и светодиоды могут использоваться как в режиме постоянного свечения, так и в импульсном режиме. Характеристики светодиодов зависят от температуры; при повышении температуры уменьшается мощность излучения (примерно 0,01 К^-1) и сдвигается в сторону больших длин волн максимум интенсивности излучения (около 0,3–2 нм/К).

Достоинствами полупроводниковых светодиодов являются высокий КПД, возможность модуляции излучения по произвольному закону путем управления возбуждающим током, малые габариты, способность согласования с интегральными схемами, высокая надежность.

 

Приемники излучения

Диапазон длин волн, в котором приемники излучения обладают постоянной чувствительностью, позволяет подразделить их на две группы: интегральные и селек­тивные приемники.

К интегральным относятся тепловые преобразователи, принцип действия кото­рых основан на преобразовании энергии излучения в температуру. Тепловые прием­ники поглощают всю мощность падающего на них излучения независимо от длины волны излучения.

К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи (ФП), в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта: вакуумные и газо­наполненные фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и т. д.

 

Основные структурные схемы