Энергетические и световые параметры
Энергетические параметры характеризуют излучение безотносительно к его действию на какой-либо приемник излучения и связаны с переносимой излучением энергией.
С помощью световых параметров оценивают излучение в случае, если приемником излучения служит человеческий глаз. Чувствительность глаза к свету с различными длинами волн не одинакова. Она имеет максимум при X = 0,555 мкм и быстро снижается при удалении от этого максимума. На границах видимого диапазона (X = 0,38 мкм и 0,78 мкм) чувствительность глаза практически падает до нуля [23].
Для количественного описания оптического излучения, а также источников и приемников излучения используются пять основных энергетических параметров: поток излучения и
На рис. 2.6 показана относительная спектральная световая эффективность глаза, адаптированного на дневной (У) и ночной (2) свет. Относительная спектральная световая эффективность У(Х) представляет собой результат усреднения многих исследований. Оптическое излучение в видимом диапазоне описывается световыми параметрами и характеристиками. Таким образом, энергетические и световые параметры излучения по смыслу одинаковы, но характеризуют излучение в различных диапазонах волн и имеют различные единицы измерения. Количественные характеристики видимого света связывают со зрительным ощущением; и в инфракрасном, и ультрафиолетовом поддиапазонах оптического излучения, не воспринимаемого глазом, параметры характеризуют непосредственно энергию, переносимую излучением. Световые и энергетические параметры связаны пропорциональной зависимостью.
Рис. 2.6. Спектральная характеристика чувствительности человеческого глаза
Сила излучения — параметры, характеризующие излучение; энергетическая светимость и энергетическая яркость — характеризуют источник излучения с учетом площади излучающей поверхности; энергетическая освещенность (облученность) — характеризует облучаемую, т. е. принимающую излучение, поверхность. Для видимого излучения применяются, соответственно, пять световых параметров: световой поток, сила света, светимость, яркость и освещенность.
В ряде случаев эксплуатации излучателей требуется перевод имеющихся световых параметров в энергетические, и наоборот. Так, в паспортных данных на СИД излучение характеризуется обычно силой света или яркостью. Применение же таких приборов, например, в устройствах оптической связи и сигнализации не позволяет непосредственно использовать световые параметры. Переход к энергетическим параметрам осуществляется с помощью световой эффективности, которая в общем случае:
Где Ф, — поток излучения, Вт; Фч, — световой поток, лм; 1е — сила излучения, Вт/ср; /у — сила света, кд = лм/ср; Ц — энергетическая яркость, Вт/(ср м2); /,у — яркость, кд/м2.
Параметры оптического излучения
Параметры оптического излучения, а также их определения, расчетные формулы, единицы величин и обозначения сведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Энергетические и световые параметры оптического излучения
Энергетические параметры | Определение | Формула | Световые параметры | ||
Название и обозначение | Единица измерения | Название и обозначение | Единица измерения | ||
Поток излучения Фе | Вт | Скорость переноса энергии излучения | | Световой поток ФV | лм |
Сила излучения Iе | Вт/ср | Поток в единице телесного угла | | Сила света I V | кд = лм/ср |
Энергетическая светимость (излучательность) Мe | Вт/м 2 | Поток с единицы площади излучающей поверхности | | Светимость МV | лм/м 2 |
Энергетическая яркость Le | Вт/(ср×м 2 ) | Поток в единице телесного угла, отнесенный к площади излучающей поверхности под углом относительно нормали к ней | | Яркость LV | кд/м 2 = лм/(ср×м 2 ) |
Энергетическая освещенность (облученность) Ее | Вт/м 2 | Поток на единицу площади поверхности приемника излучения | | Освещен-ность ЕV | лк = лм/м 2 |
Излучение в оптическом диапазоне может характеризоваться как волновыми, так и корпускулярными категориями и параметрами и может быть представлено в виде потока фотонов. Энергия каждого фотона определяется соотношением
, (2.80)
с – скорость света в вакууме, равная 3×10 8 м/с;
n – показатель преломления оптической среды;
n, l – частота колебаний, Гц, и длина волны, м, оптического излучения.
Пусть в единицу времени через единичную площадь проходит Nф фотонов. Тогда поток излучения Ф определяется выражением
, (2.81)
Поток излучения при заданном Nф тем больше, чем короче длина волны излучения. Полезно выразить число фотонов через энергетические параметры излучения
, (2.82)
Тестовые вопросы к главе 2 «Физические основы оптоэлектроники»
2.1. Какой длине волны соответствует максимальная чувствительность глаза:
а) 0,41 мкм; б) 0,56 мкм; в) 0,63 мм; г) 0,72 мм. |
2.2. Какой длине волны соответствует минимальная чувствительность глаза в области близкой к ультрафиолетовому излучению:
2.3. Какой длине волны соответствует минимальная чувствительность глаза в области близкой к инфракрасному излучению:
2.4. Какой из материалов относится к непрямозонным материалам:
2.5. Какие из пар материалов позволяют создавать гетеро оптоэлектронные приборы:
а) Ge – Ge; б) Si – Si; в) GaAs – GaAlAs; г) GaAs – GaAs. |
2.6. Какой механизм генерации излучения реализуется в полупроводниках:
а) эффект термоэлектронной эмиссии;
б) эффект генерации электронно-дырочных пар;
в) эффект рекомбинации;
г) эффект фотолюминесценции.
2.7. Какие из указанных материалов пригодны для изготовления излучающих приборов:
а) Ge; б) Si; в) Cu; г) GaP. |
2.8. Какие из указанных материалов пригодны для изготовления фотоприемников:
а) Аl; б) Аu; в) Ge; г) Si. |
2.9. Материалы с какой шириной запрещенной зоны используются для изготовления оптоэлектронных приборов видимой области спектра:
а) EG = 0,1 эВ; б) EG = 1,5 эВ; в) EG = 3,5 эВ; г) EG = 6 эВ. |
а) обратный ток р-n – перехода;
б) прямой ток р-n – перехода;
г) ток утечки по поверхности р-n – перехода.
Дата добавления: 2017-05-02 ; просмотров: 2898 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Энергетические и световые параметры
Количественно оптическое излучение характеризуют
энергией, которая переносится излучением. Параметры и
характеристики, связанные с переносимой излучением энер-
гией, называют энергетическими 2 параметрами (характе-
ристиками) излучения.
|
При количественном описании видимого излучения(света) необходимо учитывать особенности человеческого глаза, являющегося основным приемником света. Чувствительность глаза к свету с разными длинами
волн не одинакова. Она имеет максимум при λ=0,555 мкм и быстро снижается при удалении от этого максимума. На границах видимого диапазона при λ=0,38 и 0,78 мкм чувствительность глаза практически падает до нуля. На рис.
1.2 показана относительная спектральная световая эффективность глаза, адапти-
рованного на дневной (1) и ночной (2) свет. Относительная спектральная световая эффективность V(λ) представляет собой результат усредне-
ния данных многих исследований. Оптическое излучение
в видимом диапазоне описывается световыми (фотометри-
ческими) параметрами и характеристиками.
Таким образом, энергетические и световые параметры излучения по смыслу идентичны, но характеризуют излучение в различных диапазонах волн и имеют различные единицы величин. Количественные характеристики видимого света связывают со зрительным ощущением; в инфракрасном и ультрафиолетовом поддиапазонах оптического излучения, не воспринимаемого глазом, параметры характеризует непосредственно энергию, переносимую излучением.
Световые и энергетические параметры, очевидно,
связаны пропорциональной зависимостью.
Прежде чем перейти к рассмотрению параметров излу-
чения, рассмотрим геометрическое понятие — телесный
угол, который является мерой раствора некоторой кониче-
ской поверхности.
|
Рис.1.3 К определению телесного угла
Очевидно, что полный телесный угол, равный отношению поверхности сферы к квадрату ее радиуса, составляет 4π ср.
Для количественного описания оптического излучения, а также источников и приемников излучения используются пять основных энергетических параметров: поток излучения и сила излучения — параметры, характеризующие излучение; энергетическая светимость и энергетическая яркость — эти параметры характеризуют источник излучения с учетом площади излучающей поверхности; энергетическая освещенность (облученность)—этим параметром характеризуют облучаемую, т. е. принимающую излучение, поверхность. Для видимого излучения применяются, соответственно пять световых параметров: световой поток, сила света, светимость, яркость и освещенность. По определению энергетические и световые параметры аналогичны, но имеют разные единицы величин. Рассмотрим энергетические и световые параметры подробнее.
|
Поток излучения и световой поток. Пусть в вершине телесного угла расположен точечный источник излучения, т. е. источник, размеры которого значительно меньше расстояния от него до точки наблюдения (рис. 1.4,а). Этот источник излучает электромагнитные волны во всевозможных направлениях. Потоком’ излучения Фе называется отношение переносимой потоком фотонов энергии Qе ко времени переноса, т. е. мощность излучения в заданном телесном угле Ω.
Рис. 1.4 К определению энергетических и световых параметров
Поток излучения Фυ при попадании в человеческий глаз воспринимается избирательно (см. рис. 1.2).
Связь между световым потоком Ф„ и потоком излучения Фе устанавливается следующей формулой:
где K(λ)—световая эффективность, лм/Вт; Ктах— максимальная световая эффективность; V (λ)=К(λ)/Ктах— относительная световая эффективность; Фе — поток излучения, Вт; Фυ — световой поток, лм.
Естественно, что формула (1.1) имеет смысл для видимого диапазона оптического излучения; вне этого диапазона K=0 и Фυ=0. Для нормального дневного зрения на длине волны, соответствующей максимальной чувствительности глаза (555 нм), поток излучения в 1 Вт эквивалентен световому потоку в 680 лм, т. е. световая эффективность К (555 нм) =Ктах=680 лм/Вт. Значения коэффициента К (λ) также приведены на рис. 1.2. Для современных полупроводниковых излучателей — светоизлучающих диодов с различным цветом свечения типичные значения коэффициента Ктах составляют: для красного светоизлучающего диода с длиной волны излучения λ=655 нм имеем Ктах=60 лм/Вт; для красного светоизлучающего диода с λ=635 нм коэффициент Ктах=135 лм/Вт; для желтого (λ=585 нм) Ктах=540 лм/Вт; для зеленого (λ =565 нм) Kmax=640 лм/Вт.
Таким образом, чем больше коэффициент Ктах, тем большая доля оптического излучения данного излучателя воспринимается человеческим глазом и тем более этот излучатель экономичен.
Сила излучения (сила света) 1е,υ источника излучения в данном направлении равна отношению потока излучения (светового потока) ΔФ к телесному углу ΔΩ:
Точное значение силы излучения получим, перейдя к пределу:
Если источник излучает равномерно, то сила излучения Iе,υ = Ф/4π,
где Ф — полный поток излучения.
Таким образом, сила излучения характеризует пространственную плотность потока излучения, (рис. 1.4,6).
Единицей силы излучения служит Вт/ср, а силы света—кандела (кд). В системе СИ кандела является основной единицей и определяется с помощью специального эталонного источника света (1 кд = 1 лм/ср).
Светимость и яркость. Если источник излучения нельзя считать точечным, то для его описания вводятся такие параметры, как светимость и яркость, характеризующие излучение единицы площади излучающей поверхности (рис. 1.4,в).
Энергетическая светимость и светимость Ме,υ, равна отношению потока излучения ΔФ, излучаемого площадкой ΔS во всевозможных направлениях (т. е. внутри телесного угла 2π ср), к площади этой площадки:
Точечную плотность излучения (светимость в точке) получим, перейдя к пределу:
Энергетическая яркость и яркость Lе,υ в данном направлении равна отношению силы излучения dI внутри элементарного телесного угла, опирающегося на площадку dS, к площади dσ проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению излучения (рис. 1.4,г):
на квадратный метр (кд/м 2 ), это яркость поверхности, излучающей с каждого квадратного метра одну канделу в направлении,перпендикулярном поверхности.
Энергетическая освещенность (облученность) и освещенность Ее,υ некоторой поверхности равна отношению потока излучения ΔФ к площади этой поверхности ΔS:
Чтобы получить освещенность в точке, надо перейти пределу
Таким образом, энергетическая освещенность — это поток на единицу площади приемника излучения. Единицей энергетической освещенности служит ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ), единицей освещенности — люкс (лк= =лм/м 2 ).
Освещенность имеет ту же размерность единицы величины, что и светимость. Физическая сущность этих параметров совершенно различна.
В ряде случаев эксплуатации излучателей требуется перевод имеющихся световых параметров в энергетические и наоборот. Так, в паспортных данных на светоизлучающие диоды излучение характеризуется обычно силой света или яркостью. Применение же этих приборов, например в устройствах оптической связи и сигнализации, не позволяет непосредственно использовать световые параметры. Переход к энергетическим параметрам осуществляется, как отмечалось, с помощью световой эффективности, которая в общем случае
Фe(Вт) Ie(Вт/ср) Le(Вт/(ср•м²))
Например, задана сила света Iυ=3,5 мкд и световая эффективность K=150 лм/Вт.
Тогда, учитывая, что 1 кд= = 1лм/ср, получаем для силы излучения
Наоборот, если светоизлучающий диод, применяемый в сигнализации, используют для визуальных целей и значение К известно, то световые параметры можно получить из заданных энергетических параметров..
Излучение в оптическом диапазоне может характеризоваться как волновыми, так и корпускулярными категориями и параметрами и может быть представлено в виде потока фотонов. Энергия каждого фотона определяется соотношение
где к— постоянная Планка, равная 4,13 ·10** ‾15 эВ·с; с — скорость света в вакууме, равная 3 • 10 **8 м/с; п — показатель преломления оптической среды; V, ƛ— частота колебаний, Гц, и длина волны, м, оптического излучения.
Пусть в единицу времени через единичную площадь проходит Nф фотонов. Тогда поток излучения Ф определяляется выражением
Поток излучения при заданном Nф тем больше, чем короче длина волны излучения. Полезно выразить число фотонов через энергетические параметры излучения:
Рассмотрим теперь некоторые свойства оптического излучения, которые определяют область применения оптоэлектронных приборов.
4. Спектральные параметры.
Одним из основных параметров излучателя является ширина спектра излучения, т. е., диапазон частот или длин волн, который охваты- ет излучение данного прибора. Для оценки ширины спектра пользуются понятиями монохроматичности и степени монохроматичности.
Механизм излучения оптических колебаний подробно будет рассмотрен ниже. Здесь следует подчеркнуть, что излучают возбужденные атомы; возбужденный атом, имеющий избыток энергии, переходит в состояние с меньшей энергией и при этом излучает электромагнитную волну. Процесс перехода длится примерно Δ(t)=10**(˗8) с, столько же времени атом излучает. Таким образом, атом излучает не непрерывную волну, а волновой «пакет» (волновой «цуг») (рис. 1.5). Длина такого волнового «пакета» l = х2 — х1= Cо, Δt≈З м, длина же волны оптического колебания около 10 _6 м, т. е. в волновом «пакете» укладываются миллионы оптических колебаний.
Рис. 1.15 Оптическое излучение атома
На рис. 1.15 показаны колебания только электрической составляющей Е электромагнитной волны. Магнитную составляющую обычно не изображают при графическом представлении оптических колебаний.
Это связано с тем, что электрическая составляющая электромагнитной волны действует на свободные электроны значительно сильнее, чем магнитная. Однако не следует забывать, что обе составляющие — электрическая и магнитная — неразрывно связаны в электромагнитной волне. Ни при каких условиях нельзя получить волну, в которой была бы только одна составляющая поля.
В общем случае оптическое излучение некогерентных излучателей — это несинусоидальная волна, которая может быть представлена рядом гармонических составляющих. Амплитуды и начальные фазы различных гармонических составляющих определяют спектральный состав оптического излучения.
Оптические колебания могут быть представлены как периодическими, так. и непериодическими функциями. Рассмотрим некоторые свойства периодических и непериодических функций, а также способ их разложения в гармонический ряд.
Функция f(ţ) называется периодической функцией времени, если выполняется следующее условие:
где T —период функции; п — любое целое, положительное или отрицательное число.
Периодическая функция обладает тем свойством, что для любых двух моментов времени, отделенных друг от друга интервалом времени Т — периодом, она имеет одно и тоже значение. Периодичность явления, описываемого функцией f (t), должна существовать бесконечно долго, от
Периодическую функцию можно представить в виде гармонического ряда или ряда Фурье
где А0 — среднее значение функции за период или постоянная составляющая;
Аk•соs(2πкv0t+φk)—гармонические (синусоидальные) колебания с амплитудами Аk, начальными фазами φk и частотами кv0.
Рис. 1.16. Спектральный анализ оптического излучения: а — разложение функции на гармоники; б, в — виды спектров оптического излучения
тем точнее выражается через ряд Фурье функция f(t). Графическая иллюстрация представления периодической функции суммой гармоник дается рис. 1.6,а.
Спектр непериодических колебаний описывается спектральной плотностью интенсивности, т. е. отношением интенсивности, приходящейся на частотный интервал Δν, к частотному интервалу Δν. В составе непериодических колебаний имеются все частоты, и их спектр характеризуется непрерывной зависимостью спектральной плотности от частоты. Такой спектр называется сплошным (рис. 1.16,в).
Ширину спектра излучения характеризуют степенью монохроматичности Δν̸ v0 где Δν —-ширина спектра; v0 — центральная частота (рис. 1.16,в).
При Δν̸ v0 =0 имеем идеальное монохроматическое излучение; если Δν̸ v0 = 2,3• lg (ν2 / ν1)= 2,3• lg (λ2 / λ1) (1.10)
где λ 1 и λ2 — граничные длины волн спектрального диапазона оптического излучения; ν1 и ν2 — граничные частоты спектрального диапазона. В формуле λ 1 > λ2, а ν1
Дата добавления: 2015-04-05 ; просмотров: 175 ; Нарушение авторских прав
Энергетические и световые (фотометрические) величины оптического излучения
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
Условием для овладения оптическими и фотографическими процессами является знание основополагающих определений и закономерностей светотехники.
Оптическое излучение
Свет – это часть электромагнитного излучения.
Электромагнитное излучение охватывает очень большой интервал длин волн: от космического и гамма-излучения до радио и звуковых частот.
В широком смысле светом принято называть электромагнитное излучение, составляющее оптическую область спектра, в которую входят ультрафиолетовое (от 10 до 380 нм), видимое (от 380 до 780 нм), и инфракрасное (от 780 нм до 1 мм) излучения.
Ультрафиолетовое излучение дает самые мощные фотоны и обладает сильным фотохимическим действием.
Излучения видимого света, несмотря на довольно узкий интервал, позволяют видеть все многообразиеокружающего нас мира.
Человеческий глаз практически не воспринимает излучения с крайними диапазонами длин волн (они оказывают на глаз слабое воздействие).
На практике видимым светом принято считать излучение с диапазоном длин волн 400-700 нм. Это излучение обладает значительным фотофизическим и фотохимическим действием, но меньшим, чем ультрафиолетовое.
Минимальной энергией из всей оптической области спектра обладают фотоны инфракрасного излучения. Для этого излучения характерно тепловое действие и, в значительно меньшей степени, фотофизическое и фотохимическое действие.
Отдельные длины волн в видимой части спектра ощущаются как цвета.
Красный свет имеет наибольшую длину волны. Далее она уменьшается от оранжевого до фиолетового цвета (К-О-Ж-З-Г-С-Ф). Белый свет содержит излучения всех длин волн видимого спектра.
Существует две теории для объяснения физических свойств света: волновая Кристиана Гюйгенса и квантовая Макса Планка. Первая лучше описывает такие явления, как поляризация, дифракция, цвет, а вторая – фотографические процессы и процессы переноса энергии.
По теории Максвелла, излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой периодические колебания напряженности электрического и магнитного полей. Электрический вектор Е и магнитный вектор Н, выражающие относительные напряженности полей, находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях и оба перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 2.1).
|
Рисунок 2.1 –Схематическое изображение электромагнитной волны
В квантовой теории всякое электромагнитное излучение рассматривается как поток частиц, называемых фотонами. Фотон существует только в движении и обладает энергией, массой и волновыми свойствами, которые характеризуются частотой νф или длиной волны λф.
Планк показал, что энергия фотона (квант энергии излучения – ε) определяется по формуле
Масса фотона mфопределяется согласно выражению
где с – скорость распространения излучения.
Движение фотона сопровождает волновой процесс:
Виды излучения.
1) Монохроматическое (простое) – излучение, характеризующееся одним значением частоты или длины волны. Излучение в интервале длин волн Δλ
|
Основной величиной в энергетической системе, позволяющей судить о количестве излучения, является поток излучения Фэ, или мощность излучения, т.е. количество энергии W, излучаемой, переносимой или поглощаемой в единицу времени:
Величину Фэ выражают в ваттах (Вт). – энергетическая единица
В большинстве случаев не учитывают квантовую природу возникновения излучения и считают его непрерывным.
Качественной характеристикой излучения является распределение потока излучения по спектру.
Для излучений, имеющих сплошной спектр, вводится понятие спектральной плотности потока излучения (jl) – отношение мощности излучения, приходящейся на определенный узкий участок спектра, к ширине этого участка (рис. 2.2). Для узкого спектрального диапазона dl поток излучения равен dФl. По оси ординат отложены спектральные плотности потока излучения jl = dФl/dl, поэтому поток представляется площадью элементарного участка графика, т.е.
|
|
Рисунок 2.2 – Зависимость спектральной плотности потока jl излучения от длины волны l
|
Если спектр излучения лежит в границах от l1 до l2, то величина потока излучения
Под световым потоком F, в общем случае, понимают мощность излучения, оцененную по его действию на человеческий глаз. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). – светотехническая единица
Действие светового потока на глаз вызывает его определенную реакцию. В зависимости от уровня действия светового потока работает тот или иной вид светочувствительных приемников глаза, называемых палочками или колбочками. В условиях низкого уровня освещенности (например, при свете Луны) глаз видит окружающие предметы за счет палочек. При высоких уровнях освещенности начинает работать аппарат дневного зрения, за который ответственны колбочки.
Кроме того, колбочки по своему светочувствительному веществу делятся на три группы с разной чувствительностью в различных областях спектра. Поэтому в отличие от палочек они реагируют не только на световой поток, но и на его спектральный состав.
В связи с этим можно сказать, что световое действие двумерно.
Количественная характеристика реакции глаза, связанная с уровнем освещения, называется светлотой. Качественная характеристика, связанная с различным уровнем реакции трех групп колбочек, называется цветностью.
Сила света(I). В светотехнике эта величина принята за основную. Такой выбор не имеет принципиальной основы, а сделан из соображений удобства, так как сила света не зависит от расстояния.
Понятие силы света относится лишь к точечным источникам, т.е. к источникам, размеры которых малы по сравнению с расстоянием от них до освещаемой поверхности.
Сила света точечного источника в некотором направлении есть приходящийся на единицу телесного угла W световой поток Ф, излучаемый этим источником в данном направлении:
I = Ф / Ω
Энергетическая сила света выражается в ваттах на стерадиан (Вт/ср).
За светотехническую единицу силы света принята кандела(кд) – сила света точечного источника, который испускает световой поток в 1 лм, распределенный равномерно внутри телесного угла в 1 стерадиан (ср).
Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью и замкнутым криволинейным контуром, не проходящим через вершину угла (рис. 2.3). При сжатии конической поверхности размеры сферической площади о становятся бесконечно малыми. Телесный угол в этом случае также становится бесконечно малым:
Рисунок 2.3 – К определению понятия «телесный угол»
Освещенность (Е).Под энергетической освещенностью Еэ понимают поток излучения на единицу площадиосвещаемой поверхности Q:
Световая освещенность Евыражается плотностью светового потока F на освещаемой им поверхности (рис. 2.4):
Среди других величин, используемых в светотехнике, важными являются энергияизлучения Wэили световая энергия W, а также энергетическая Нэ или световая Нэкспозиция.
Величины Wэ и W определяются выражениями
где – соответственно функции изменения потока излучения и светового потока во времени. Wэ измеряется в джоулях или Вт с, a W – в лм с.
Под энергетической Нэ или световой экспозицией понимают поверхностную плотность энергии излучения Wэили световой энергии W соответственно на освещаемой поверхности.
То есть световая экспозиция H это произведение освещенности E, создаваемой источником излучения, на время t действия этого излучения.