Глава 2. Оптическая радиометрия как область измерений

Глава 2. ОПТИЧЕСКАЯ РАДИОМЕТРИЯ КАК ОБЛАСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

 

В обширной русскоязычной научно-технической литературе, посвященной различным аспектам измерений параметров и характеристик оптического из­лучения, в последние десятилетия бытуют такие термины и определения, как «оптико-физические измерения», «энергетическая фотометрия», «импульс­ная фотометрия», «голографические измерения» и пр. На самом деле это разные «ответвления» оптической радиометрии и полезно с единых методоло­гических позиций классифицировать те направления измерительной техники, которым присвоены эти названия, обобщить и свести их в одну область измерений. Такое «упорядочение» позволит рассмотреть и по возможности унифицировать рекомендуемые методы и средства измерений при решении существенно, на первый взгляд, отличающихся друг от друга измерительных задач, присущих видам и подвидам измерений.

Напомним [7], что областью измерений называется совокупность изме­рений физических величин, свойственных какой-либо области науки и техни­ки и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений — это часть области измерений, имеющая свои особен­ности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Наконец, подвидом измерений считается часть вида измерений, выде­ляющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др. ).

2. 1. Оптическое излучение как источник и переносчик измерительной информации

Вернемся к термину «оптическая радиометрия». Добавление прилагатель­ного «оптическая» понадобилось нам для того, чтобы ограничить эту область измерений именно оптическим излучением, поскольку вообще радиометрия охватывает измерение энергетических величин, характеризующих излучение. Интересующим нас носителем измерительной информации об исследуемом объекте (например, об источнике излучения) является опти­ческое излучение, т. е. электромагнитное излучение какого-то ис­точника в интервале длин волн от 1 нм до 1 мм, охватывающем Ультрафиолетовый (УФ), видимый и инфракрасный (ИК) участки спектра. В этом смысле источники оптического излучения можно разделить на самоизлучающие и несамоизлучающие. Источник любой из этих двух групп «поставляет» средству измерений некоторое количество электромаг­нитной энергии в виде потока оптического излучения, имеющего физический смысл переносимой полем средней мощности и часто именуемого в дальней­шем для краткости просто потоком.

В видимой области спектра, т. е. в диапазоне длин волн, находящемся меж­ду границами ~ 380-400 нм и ~ 760-780 нм, этот поток называется световым потоком.

Поток самоизлучающего источника является в известном смысле его «врожденным» свойством, в то время как для несамоизлучающего источника он «порождается» обязательным наличием или введением в измерительный канал оптического элемента, у которого показатель преломления отличается от такового для среды распространения. В первом случае условно поток можно именовать первичным, во втором — вторичным. В обоих случаях изме­рительная информация об объекте «закодирована» в сигнале либо естественно (для самоизлучающего источника), либо искусственно (для несамоизлучаю­щего источника).

К числу важнейших параметров оптического излучения, отобра­жающих те или иные его свойства, в первую очередь относятся интенсивностные, спектральные, временные и пространственные параметры.

Интенсивностными параметрами служат поток (мощность) и энергия излучения.

Принято частоту в оптическом диапазоне длин волн обозначать через , а частоту следования импульсов излучения — через или .

Режим излучения характеризуется его длительностью. В дальнейшем из­ложении наиболее часто будут встречаться непрерывный и импульсный режи­мы излучения, причем во втором случае имеют место преимущественно од­нократные импульсы (моноимпульсы) или импульсные последовательности, обычно именуемые импульсно-модулированным излучением. Парамет­ром, как правило, служит длительность импульса  [с] и частота следования (повторения) импульсов  [Гц].

Рассматриваемое нами оптическое излучение, наряду с упомянутыми ра­нее параметрами описывается присущими ему пространственными характе­ристиками, при этом наиболее полной характеристикой служит распределе­ние плотности интенсивности (мощности или энергии) в пределах изучаемых поверхности или объема. В этой книге рассмотрению подлежат интенсивно­сти оптического излучения, существенно превышающие пороговые значения (последние характерны обычно для оптико-электронных систем обнаружения слабых сигналов).

 Интерес может представлять пространственное распределение как абсо­лютных, так и относительных значений плотности мощности или энергии. Во втором случае они приводятся (нормируются) к максимальному значению этой величины. Для направленных потоков оптического излучения (в первую очередь, лазерного) по распределению интенсивности в поперечном сечении пучка определяют такие параметры, как его расходимость, диаметр, коорди­наты энергетического центра.

Появление в середине прошлого века лазеров вызвало повышенный инте­рес к двум «врожденным» свойствам оптического излучения лазера — коге­рентности и состоянию поляризации.

С появлением лазеров важное практическое значение приобрели вопросы интерференции и дифракции когерентного излучения. Высокая временная и пространственная когерентности излучения лазеров позволяют по новому рассматривать вопросы интерференции и дифракции.

Многочисленные применения высококогерентного оптического излучения вынудили пользователей обратить внимание на волновой фронт, его градиент я распределение фазы в направлении распространения поля.

Распределением фазы (фазовым распределением) называется двухкоординатное распределение значений фазы в данном поперечном сечении относительно ее значения на оси пучка. В последние годы проявляется интерес к измерениям градиентов волнового фронта и фазы. Понятие градиента хорошо известно из теории любого поля: градиентом именуется вектор, показывающий направление наискорейшего изменения данного скалярного поля.

Законам геометрической оптики подчиняются такие явления, как отра­жение, преломление и пропускание волнового поля в средах с отлич­ными друг от друга оптическими свойствами. Эти явления характеризуются соответствующими коэффициентами или показателями.

Столь обширная совокупность явлений параметров и характеристик, отоб­ражающих различные свойства оптического излучения и обладающих рекорд­ной информативностью, привела к всестороннему использованию оптических сигналов при измерениях величин, характеризующих источники излучения и оптические среды и формированию совокупности видов и подвидов из­мерений, охватываемых оптической радиометрией как областью измерений. Приведем общепринятые [17] толкования ряда важнейших терминов и опре­делений, поясняющих суть этих видов и подвидов оптической радиометрии.

Фотометрией именуется вид измерения величин, характеризующих из­лучение по производимому им зрительному ощущению (в условиях, опреде­ляемых известными соглашениями).

Колориметрией называется вид измерения цвета, основанного на свойствах глаза и выполняемого в соответствии с международными соглаше­ниями.

Очевидно, что оба эти вида измерений охватывают лишь видимый диапа­зон спектра оптического излучения, где основной величиной служит световой поток.

К подвидам фотометрии можно отнести рефлектометрию и рефракто­метрию, занятые измерениями, соответственно, коэффициентов отражения и показателей преломления веществ. Правда, необходимо отметить, что эти измерения в последнее время нередко выполняются в УФ и ИК диапазонах спектра. Поэтому, строго говоря, оба эти подвида правильнее было бы отнести к оптической радиометрии в целом. Однако в этой области измерений сильны традиции и мы не будем их нарушать.

Подвид измерений оптических плотностей пропускающих или отража­ющих образцов называется денситометрией. Измерениями состояния по­ляризации занимается поляриметрия, которую следует отнести к видам измерений.

Широкое распространение получили два вида измерений — спектрорадиометрия и спектрофотометрия. Измерение спектральной плотности энергетической величины, характеризующей оптическое излучение, именуется спектрорадиометрией, а измерение отношения двух спектральных величин, характеризующих оптическое излучение или образец спектрофотометрией. Измерения коэффициентов отражения (рефлектометрия) и поглощения часто считаются подвидами спектрофотометрии.

Измерения параметров и характеристик лазерного излучения будем име­новать лазерометрией, несомненно являющейся самостоятельным видом измерений, имеющим важное научное и прикладное значение.

Наряду с упомянутыми фундаментальными науками — оптикой и метро­логией — основой современной оптической радиометрии следует признать и фотонику — научное направление, охватывающее генерацию, передачу, развертку, преобразование, усиление и детектирование оптического излучения, включая оптические компоненты и приборы, лазеры, другие типы излучате­лей, волоконную оптику, электронно-оптическую аппаратуру и программное обеспечение обработки информации.

Особо следует отметить расширяющееся распространение волоконно-опти­ческих измерительных преобразователей, часто именуемых волоконно-опти­ческими датчиками (ВОД). Если с середины 50-х годов прошлого века интен­сивно развивались и широко применялись методы и средства электрических измерений неэлектрических величин, то в 80-х годах к ним добавились мето­ды и средства фотоники на основе ВОД разных принципов преобразования: амплитудных, фазовых, частотных, поляризационных, интерференционных, дифракционных и пр. Широкая номенклатура ВОД обеспечила возможность высокопомехоустойчивых одно- и многоточечных измерений практически всех физических и ряда химических величин.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: