 |
Тема 3. Спектры излучения и приёмники оптического излучения
|
|
|
|
Рассматриваемые вопросы:
- действие оптического излучения;
- спектры излучения;
- приёмники оптического излучения;
- основные характеристики приёмников.
Рекомендуемая литература:
- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. – М.: Колос, 1982
- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. М.: Агропромиздат, 1991
- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Учебное пособие.- Астана: Каз АТУ, 2009
Краткое содержание
Электромагнитные излучения имеют различия, определяемые энергией фотона. Оптические излучения, в диапазоне длин волн от 1 нм до 1 мм, условно выделены из общего спектра электромагнитных излучений. В данную область излучений входит ультрафиолетовое излучение (1 ¸ 380 нм), видимое (380 ¸ 760 нм) и инфракрасное (760 нм ¸ 1 мм).
В свою очередь, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения подразделяются еще на три области А, В и С [1,3], обладающих различным воздействием на приёмники оптического излучения (ОИ).
Ультрафиолетовое излучение (УФ) области А (примерно 315 ¸ 380 нм) обладает слабой биологической активностью, может вызывать пигментацию кожи человека, положительно влияет на рост живых организмов, используется для люминесцентного анализа.
Средне волновое УФ излучение, области В, (315 - 280 нм) имеет более сильное воздействие на организмы (одно из них – эритемное).
Излучение области С (коротковолновое, менее 280 нм) обладает сильным бактерицидным действием (уничтожает бактерии, губительно действует на растения и оказывает вредное воздействие на человека и животных).
Следует отметить, что УФ излучение с длиной волны менее 200 нм хорошо поглощается атмосферой, в связи, с чем получило название вакуумного излучения.
|
|
|
Видимое излучение имеет решающее значение в жизнедеятельности человека. В результате воздействия видимого солнечного излучения человек имеет: продукты питания растительного, животного происхождения и энергетические ресурсы: имеет возможность различать цвета, ориентироваться в пространстве и выполнять необходимые технологические операции.
Инфракрасное излучение (ИК) используется во многих отраслях производства, но наиболее известно, как особый вид нагрева излучением (лучший эффект достигается при длине волны 0,8 мкм). В основе ИК -излучения находятся законы излучения Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана – Больцмана [3].
В окружающем нас пространстве все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, постоянно обмениваются энергией (излучением), в связи с чем, введено понятие поле оптического излучения (световое поле).
Единица измерения энергии оптического излучения – Дж. В светотехнике, понятием энергия излучения (лучистая энергия) пользуется редко, чаще всего применяется термин мощность излучения.
Мощность излучения, характеризующая количество энергии в единицу времени, называется потоком излучения или лучистым потоком:
Ф = 
[Вт].
Лучистый поток характеризуется распределением:
- по времени;
- по спектру;
- в пространстве.
Излучение может быть монохроматическим и сложным. По спектральному распределению лучистого потока источники ОИ принято разделять на три класса, с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами.
В линейчатых спектрах, излучение происходит в пределах узких участков спектра в виде линий. Такие спектры характерны для разрядных источников излучения (рис. 3.1).
Рисунок 3.1 – Спектр излучения ламп типа ДРТ в области видимых излучений: 
l1 = 405 нм; l2 = 436 нм; l3 = 546 нм; l4 = 577-579 нм.
Сплошные спектры имеют источники теплового излучения, лампы накаливания (монохроматические составляющие спектра заполняют без разрыва весь интервал длин волн)
|
|
|
Рисунок 3.2 – Спектр излучения ламп накаливания
Полосатые спектры имеют газоразрядные источники излучения высокого давления. Излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра в виде полос, отделенных друг от друга темными промежутками.
Для газоразрядных источников излучения предназначенных для освещения характерны смешанные спектры излучения, зависящие от состава газа и люминофора.
В качестве характеристики, для сплошных спектров, вводится понятие спектральная плотность лучистого потока:
[Вт/нм],
где dФеλ - элементарный поток;
d 
- ширина элементарного участка.
Отношение спектральной плотности потока излучения, к величине (площади) поверхности источника, называют спектральной интенсивностью плотности излучения:
.
Часть лучистой энергии, падающей на приёмники, поглощается и преобразуется в другие виды энергии (электрическую, тепловую, биологическую, химическую).
Под приёмником лучистой энергии понимают, тело, эффективно преобразующее поглощенную лучистую энергию в один из, выше указанных, видов энергии.
Приёмники лучистой энергии делятся на два класса:
- физические (фотоэлементы, люминофор, фотоэмульсии и др.);
- биологические (растения, живые организмы, глаза человека, кожа человека, животных и пр.)
По типу воздействия излучения на приёмники они делятся на: тепловые (термоэлементы, термисторы, болометры); фотоэлектрические (фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления); фотографические (фотографические слои).
Для всех видов приёмников действует закон сохранения энергии:
Qе = Qэф + 
,
где Qэф – эффективно преобразованная энергия;
- энергия потерь.
Одной из важных характеристик приёмников является чувствительность. Различают интегральную и спектральную чувствительности:
g = C 
; g 
= C 
,
где Фэф – эффективная мощность;
Фе – общий лучистый поток
С – коэффициент, зависящий от выбора системы единиц.
Спектральная чувствительность приёмников имеет максимальные значения при определенной длине волны (например, для глаза человека 
555 нм).
Очень часто достаточно знать относительную спектральную чувствительность:
|
|
|
К = 
Большинство приёмников лучистой энергии избирательно реагируют на падающее излучение, поэтому их называют селективными.
Для оценки действия оптического излучения используют образцовые приёмники:
- приёмник должен реагировать на любое однородное излучение в той области спектра, в которой расположены кривые спектральной чувствительности всех приёмников данной группы;
- мера реакции приёмника, при облучении его лучистым потоком, должна подвергаться непосредственному или косвенному измерению с достаточной точностью;
- эффективные величины системы, построенной на основе выбранного образцового приёмника, должны обладать свойством аддитивности (сложное излучение должно быть равно сумме монохроматических).
В настоящее время принято к использованию три системы эффективных величин и единиц: световая, бактерицидная, эритемная.
Как указывается ранее, не вся лучистая энергия преобразуется в эффективную, т.е. тело может поглощать, пропускать и отражать лучистый поток.
В связи с этим, вводятся соответствующие коэффициенты:
- коэффициент отражения, 
;
- коэффициент поглощения, 
;
- коэффициент пропускания, 
.
При известном спектральном составе излучения эти же коэффициенты можно найти по формуле:
; 
; 
.
В заключении отметим основные характеристики измерительных приёмников излучения:
- интегральная спектральная чувствительность;
- фотоэлектрическая характеристика, определяет зависимость тока приёмника от падающего потока излучения;
- вольт – амперная характеристика;
- угловая характеристика, зависимость реакции приёмника от угла падения одного и того же потока на его поверхность;
- частотная характеристика, которая связана понятием инерционности приёмника;
- утомление приёмников излучения, понижение чувствительности при длительном облучении;
- старение, необратимое изменение чувствительности приёмника.
В зависимости от задачи могут быть различные типы приборов:
- для измерения освещенности, люксметры;
|
|
|
- для измерения излучения при выращивании растений, пиранометр Янишевского и фитофотометры;
- для измерения УФ излучения, уфиметры, уфидозиметры, эрметры, бактметры и эрдозиметры;
- для измерения ИК-излучения, приборы типа ТФА, фотощупы типа ИВФ и др.
Как указывалось ранее, для видимого излучения в качестве приёмника излучения выступает орган зрения человека. Поэтому для понимания процессов происходящих внутри глаза следует изучить его устройство и принцип действия [1].
Здесь же, отметим основные положения. Глаз способен приспосабливаться к четкому различению разноудаленных предметов, такая способность называется аккомодацией.
Приспособление глаза к условиям освещенности называется адаптацией (различают темную и световую адаптацию).
На одноцветном фоне, объект обнаруживается при наличии разности яркостей между объектом и фоном. В связи с чем, вводится понятие контрастной чувствительности.
Более подробную информацию по данному вопросу можно получить, изучив литературу [1,2].
Тема 4. Основные понятия светотехники, тепловое излучение и люминесценция.
Рассматриваемые вопросы:
- система световых величин и единиц;
- система эффективных величин;
- цветность излучения;
- тепловое излучение и люминесценция.
Рекомендуемая литература:
- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. – М.: Колос, 1982
- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. М.: Агропромиздат, 1991
- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Учебное пособие.- Астана: Каз АТУ, 2009
Краткое содержание
Для оценки действия излучения принята система энергетических величин, система световых величин и единиц, система эффективных величин. В предыдущем курсе [3] эти вопросы рассмотрены достаточно подробно здесь, же напомним основные положения. Поток излучения или мощность излучения для оптического диапазона: Фе = dQe / dt, [Вт].
Эта же величина для видимого диапазона спектра имеет название светового потока.
Для однородного светового потока мощность излучения можно определить по формуле:
, [лм],
где 
= 680 лм/Вт, при = 555 нм.
Световой поток источников с линейчатым спектром находится по выражению:
Ф = 680 
,
где n – число линий в спектре;
- поток излучения линии, Вт;
- относительная спектральная чувствительность.
Световой поток источника имеющего сплошной спектр:
Ф = 680 
.
Если функции 
и V () заданы графиками или таблицами, тогда поток можно определить по формуле: Ф = 680 
.
Для характеристики потока излучения в пространстве используется понятие силы излучения или силы света, связанной с телесным углом:
|
|
|
Ie = d 
.
Для характеристики источника и поверхности используется понятие светимости и освещенности (облученности): М = d 
; Е = d 
.
Связь между светимостью и освещенностью устанавливается через коэффициент отражения:
М = 
.
Для характеристики пространственного распределения плотности потока излучения используется понятия: яркости - 
; или коэффициент яркости - 
= 
,
где Lu - яркость поверхности при 
.
Для оценки действия УФ – излучения используется системы эффективных величин [1,3].
Для дальнейшего изучения дисциплины необходимо повторить разделы [3]: световое поле; интегральные характеристики светового поля; излучение реальных тел; законы излучения; энергетические величины, характеризующие импульс; оптические свойства тел.
Известно, что белый свет можно разложить на монохроматические потоки, и каждый из них будет вызывать ощущение того или иного цвета (зависит от длины волны излучения).
Органы зрения человека могут различать до 150 цветовых оттенков, эти оттенки плавно переходят друг в друга, образуя семь цветовых участков [1,2,3].
Цвета, возникающие в нашем сознании, в результате воздействия на органы зрения монохроматических излучений, называются спектральными цветами, но они не передают всего многообразия цветовых оттенков.
Необходимо отметить, что длина волны излучения (цветовой тон) полностью не характеризует цвет. В связи с чем, вводится еще одно понятие – чистота цвета (определяется долей монохроматического светового потока в потоке данной смеси).
Таким образом, цветовой тон и чистота цвета являются качественными характеристиками цвета (характеристики цветности).
Для более полной характеристики используются количественные показатели, яркость или световой поток оцениваемого излучения.
Цвет любого излучения можно получить, смешивая три независимых разноцветных излучения (например, красный – зеленый - синий).
Еще в середине ХIХ в. немецкий математик Г.Грассман предложил основные законы смешения цветов:
- любые четыре цвета линейно зависимы, наряду с наличием неограниченного числа линейно независимых систем из трех цветов; (следствие: любой цвет может быть получен путем смешения, в определенных пропорциях, трех линейно независимых цветов);
- при непрерывном изменении спектрального состава излучения непрерывно меняется и его цвет;
- цвет смеси определяется только цветами смешиваемых излучений.
Данные законы находятся в основе построения всех цветовых систем (системы RGB, XУZ, Ф 
).
Количественное и качественное соотношение трех компонентов цвета описывается уравнением (цветовая система XУZ):
Ф = 
,
где 
- координаты цвета, определяющие количество единиц основного цвета в смеси;
Х, У, Z – основные цвета системы.
При построении данной системы учитывается следующее:
- координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри цветового треугольника;
- количественную сторону цвета определяет одна компонента цвета;
- световой поток единичного цвета У принят равным 680 лм, а световые потоки единичных цветов Х = Z = 0;
- координаты цветности белого равноэнергетического источника Е с цветовой температурой Тц = 5800 К удовлетворяет равенству:
.
Координаты цвета находятся по уравнениям:
;
;
,
где 
- ширина выбранного интервала спектра, нм;
- спектральная плотность лучистого потока для середины i – гоинтервала;
, 
, 
- удельные координаты цвета для i – го интервала спектра (приводятся в таблицах).
Для однородных лучистых потоков, источника с линейчатым спектром, координаты цвета находятся из выражений:
; 
; 
,
где Фi – значение однородных лучистых потоков, Вт.
Определив координаты цвета можно найти и координаты цветности излучения:
; 
; 
.
Очевидно, что х + у + z = 1.
Следует отметить, что рассмотренная система получена расчетным путем из системы RGB.
На основе экспериментальных работ В. Райта и И. Гилда международная осветительная комиссия (МОК) – в 1931 г. утвердила систему RGB.
За основные цвета системы приняты цвета однородных излучений с длинами волн: 
= 700 нм; 
= 546,1 нм; 
= 435,8 нм.
Цветовое уравнение в данной системе имеет вид:
Ф = 
,
где 
- координаты цвета;
- цвета системы.
Значения основных цветов в системе RGB.
R = 680 лм; G = 3121 лм; В = 40,8 лм.
Как и в предыдущем случае, точка цветности белого равноэнергетического источника, в центре треугольника, имеет координаты:
r= g = b = 1/3.
В цветовой системе 
, кроме светового потока введены понятия цветового тона и чистоты цвета .
Выражение для определения чистоты цвета выглядит следующим образом:
,
где 
- однородный световой поток, лм;
Фб – световой поток белого излучения, лм.
Чистота цвета определяется через координаты цветности:
,
где х, у – координаты цветности смеси белого и однородного излучений.
Из рассмотренных систем, чаще всего используется система ХУZ, на основании которой и построены цветовые графики в международной калориметрической системе, позволяющие определить чистоту цвета в зависимости от положения точки, характеризующей цветность исследуемого излучения.
Для измерения световых и энергетических величин используется субъективный и объективный методы. Объективный метод базируется на физических приёмниках излучения.
Субъективный метод используют, в основном, при градуировке измерительных приборов, измерениях на линейном фотометре, измерениях цветовой температуры, иногда при измерении яркости.
Для проведения световых измерений используют эталоны светового потока, силы света, цветовой температуры и др.
Из физических приёмников следует отметить тепловые приёмники (на основе термопар), фотоэлектрические приёмники (явление внешнего и внутреннего фотоэффекта), фотоэлементы различных типов, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы и фотохимические приёмники.
Измерение силы света проводится на линейных и распределительных фотометрах или телоцентрическим методом [1,2].
Световой поток измеряется на основе шарового фотометра (фотометрический шар), который представляет собой полый шар, внутри окрашенный белой краской. Шар может быть разборным, для установки внутри его источника излучения, шар имеет отверстие, закрытое молочным стеклом, через которое производится измерение.
Цветовые измерения проводятся субъективными или объективными калориметрами.
Работа субъективного калориметра основана на полях сравнения, в объективных приборах измерения используется селеновые фотоэлементы.
Источники излучения могут иметь различную природу. Значительную долю в общем балансе занимают тепловые источники излучения.
Следует заметить, что тела могут иметь различную энергетическую светимость, если у них разные коэффициенты поглощения.
Все тела подразделяют на черные, серые и селективные. Излучения реальных тел подразделяют на серые и избирательные. Для серых источников излучения кривая спектральной плотности энергетической светимости r ( Т) подобная кривой rs ( Т) черного тела при равенстве температур.
Спектр излучения температурных источников сплошной. Тепловое излучение подчиняется законам, рассмотренным в [1,2,3].
- законы Кирхгофа Р., устанавливающие связь между плотностями излучения и интегральными коэффициентами поглощения двух тел (ряда тел), имеющих одинаковую температуру (то же для однородных лучистых потоков);
; 
;
- закон Стефана – Больцмана для абсолютно черного тела, RS = 
;
- закон смещения Вина, 
, (
= 2896 мкм∙град);
- Михельсон В.А. предложил аналитическое выражение для определения спектральной интенсивности плотности излучения для абсолютно черного тела, Вин уточнил его:
rs ( Т) = 
, (с1 = 3,74∙10-16 Вт∙м2, с2 = 1,439 ∙10-2 м∙к);
- Релей и Джинс получили уравнение, связывающее спектральную интенсивность плотности излучения черного тела с длиной волны и его температурой,
rs ( Т) = 
,
(для ИК области);
- Планк, установил зависимость для всего диапазона спектра,
rs ( Т) = 
.
При работе с источниками излучения используется термины:
- эквивалентная температура, это температура абсолютно черного тела, при которой одна из его характеристик совпадает с аналогичной характеристикой реального тела при температуре Т °;
- энергетическая (черная) температура (Тэ), это температура черного тела, при которой его плотность излучения равна плотности излучения исследуемого тела, при истинной температуре Т,
= 
;
- яркостная температура, это температура черного тела, при которой его яркость в узкой области спектра равна яркости в той же области спектра исследуемого тела при температуре Т;
- цветовая температура, это температура черного тела, при котором его цветность излучения совпадает с цветностью излучения исследуемого тела при температуре Т.
Соотношение между истинной и цветовой температурами представлено выражением:
.
Рассмотрим, основные положения люминесценции. Люминесценция, это способность некоторых веществ излучать энергию, накопленную в пределах атома, при переходе электронов с высоких энергетических уровней на более низкие.
Принято различать следующие виды люминесценции:
- фотолюминесценция, возбуждение люминофора происходит за счет фотонов;
- рентгенолюминесценция, возбуждение происходит за счет поглощения фотонов рентгеновского излучения;
- катодолюминесценция, возбуждение происходит за счет кинетической энергии электронов, попадающих на молекулы газа или люминофор;
- электролюминесценция, возбуждение происходит за счет переменного электрического поля;
- радиолюминесценция, возбуждение происходит за счет 
или космического излучения;
- хемилюминесценция, возбуждение происходит за счет химической энергии;
- биолюминесценция, возбуждение происходит за счет биологической энергии.
Для того, чтобы отличить люминесценцию от других видов излучения С.И. Вавилов предложил определение: люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым, при длительности и его, равной или большей 10-10 с. Все выше указанные излучения имеют длительность не более 10-10 с.
Математически, люминесценцию можно представить выражением:
reл (
) = re()- 
,
где reл () – спектральная плотность энергетической светимости люминесценции;
re() – то же, полной светимости излучения люминофора;
- спектральный коэффициент теплового излучения люминофора при температуре Т.
- спектральная плотность энергетической светимости черного тела при температуре Т.
К дополнительным признакам люминесценции относятся:
- селективность излучения;
- некогерентность излучения.
Кроме выше перечисленных признаков, существует классификация по характеру физических процессов, происходящих в люминофоре:
- самостоятельное свечение люминесценции, возникает при переходе электрона из возбужденного состояния в невозбужденное состояние (длительность 10-9 с);
- вынужденное свечение, электрон переходит с невозбужденного уровня на возбужденный уровень; затем возможен переход на метастабильный уровень; под действием вторичных электронов возможен переход опять на возбужденный уровень и затем возвращение на низкий уровень; при низких температурах возможен переход сразу с метастабильного уровня на невозбужденный;
- рекомбинационное свечение характерно для кристаллических веществ с решеткой, имеющей примеси (активаторы), такие люминофоры называются кристаллофосфорами.
Практически все технические люминофоры являются кристаллофосфорами.
В зависимости от состава люминофора они подразделяются:
- на сульфиты, сернистые соединения металлов, активированные тяжелыми металлами (например, Zn S∙Ag, Zn S∙Cu);
- силикаты, соли кремниевой кислоты, активированные тяжелыми металлами;
- вольфраматы, соединения металлов с окислами вольфрама (СаWO4, ZnWO4 и т.д.);
- селениды, соединения селена с металлами (ZnSe и др.).
Кристаллофосфоры характеризуются спектрами поглощения (УФ область) и излучения (видимая или ИК-области). В качестве количественных характеристик используются:
- энергетический выход люминесценции,
= Фл / Ф 
;
- квантовый выход люминесценции,
,
где Фл - излучаемый люминофором поток;
Ф - поток, поглощенный люминофором;
nл - число квантов люминесценции;
n - число поглощенных квантов.
Световой поток фотолюминесценции:
Ф = Кл ∙Фл ,
где Кл – световая эффективность фотолюминесценции.
Если люминофор возбуждается не однородным потоком излучения, то поток от люминофора можно найти по формуле:
Фл = 
Следует отметить, что кроме перечисленных характеристик может определяться световая отдача, особенно при катодолюминесценции.
Световая отдача люминофора зависит от температуры, при достижении определенной температуры световая отдача начинает уменьшаться. Кроме этого наблюдается утомление и выгорание люминофора, что необходимо учитывать в процессе эксплуатации.
|
|
|
