3.2. Преобразователи временных параметров оптического излучения

Роль преобразователей временных параметров оптического излучения играют модуляторы и затворы, причем первые из них могут изменять параметры пучков не только во времени, но и в пространстве. Особенно широко в опти­ческой радиометрии распространены в настоящее время электрооптические и акусто-оптические модуляторы. При необходимости «вырезания» из пучка непрерывного излучения одиночных или редко повторяющихся импульсов из­лучения заданной длительности нередко пользуются оптико-механическими затворами, метрологические характеристики которых поддаются достаточно точным расчетам и экспериментальным оценкам.

3. 3. Пассивные преобразователи интенсивности оптического излучения — оптические делители и ослабители

В основе методов ослабления или деления оптического излучения ле­жат различные физические законы. Удачная попытка классификации за­конов и технических средств ослабления интенсивности, используемых при построении как просто оптических трансформаторов интенсивности, так и ОИП, предпринята в [21], откуда и заимствована соответствующая таблица (рис. 3. 1). В [21] кратко описаны классифицированные физические принципы, положенные в основу описываемых преобразований, а в [22] впервые в доступ­ной литературе подробно рассмотрены схемы ослабителей, приведены аналитические выражения для коэффициентов ослабления и проанализированы основные погрешности этих измерительных преобразователей.

Рис. 3. 1. Классификация законов и технических средств, используемых при построении ослабителей лучистого потока

 

Остановимся кратко на приведенных на рис. 3. 1 вариантах принципов действия технических средств.

Закон обратных квадратов расстояний гласит, что освещенность (рав­но как и энергетическая освещенность) площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения (строго говоря, точечного). Этим законом часто пользуются при калибровках по эталонным излучателям ОЭИП по интегральному коэффициенту преобразования 1), а также при гра­дуировках этих ИП для определения энергетической освещенности на некото­ром заданном расстоянии от источника по ее известному значению на другом расстоянии [22]. Неточность измерений, выполняемых с помощью фотометри­ческих установок, использующих закон обратных квадратов, в значительной мере порождается такими побочными факторами, как: фоновые засветки; неравномерность и непостоянство чувствительности по приемной площад­ке ОЭИП; нестабильность эталонного источника; ряд внешних воздействий (влажность, загрязненность, непостоянство давления воздуха и даже неопыт­ность экспериментаторов [22]). По существу, в данном случае ОИП «незримо присутствует», материализуясь путем изменения геометрии системы.

По принципу действия к ослабителям, использующим закон обратных квадратов, примыкают рассеивающие ослабители. Для ослабления интенсив­ности лазерного излучения используют диффузное рассеяние от шерохова­тых поверхностей твердых тел. В видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн диффузным рассеянием обладают покрытия из ВаSО4, МgСОз, а также светорассеивающие стекла. Последние могут рассеивать как проходящее, так и отраженное излучение.

На рис. 3. 2 показана принципиальная схема установки с рассеивающим экраном с покрытием из ВаSО4 и МgO. Если считать, что поверхность пла­стины рассеивает по закону Ламберта и коэффициент ее диффузного отра­жения , то отношение потока падающего излучения к потоку излучения, прошедшему через диафрагму площадью S, расположенную на расстоянии l от пластины (при условии, что размер пятна на пластине много меньше l), равно

Меняя расстояние l, можно изменять ослабление в пределах 70-80 дБ. Верхний предел коэффициента ослабления определяется минимальным зна­чением площади диафрагмы S, которая должна быть достаточно большой для усреднения интерференционной картины, возникающей при освещении диффузно рассеивающей поверхности лазерным излучением.

Широко распространены также схемы ослабления лазерного излучения с интегрирующими сферами (рис. 3. 3). Ослабление, производимое сферой, т. е. отношение потока падающего в сферу лазерного излучения к потоку).

В нормативном документе [7] по непонятным причинам термин «коэффициент преоб­разования», широко используемый в литературе применительно к ИП, отсутствует и по существу заменен термином «чувствительность СИ». Однако мы в дальнейшем сохраним коэффициент преобразования в качестве метрологической характеристики именно ИП.

 

излучения, проходящего через отверстие в сфере площадью  оценивается по формуле

Где ; - коэффициент диффузного отражения внутрен­ней поверхности сферы; — площадь отверстий в сфере; D — ее диаметр.

 

Рис. 3. 2. Схема ослабления пучка лазерного излучения диффузно рассе­ивающей пластиной: 1 — лазер; 2 — диффузно рассеивающая пластина; 3 — диафрагма площадью 8; 4-Оэип

 

 

Рис. 3. 3. Схема использования интегриру­ющей сферы для ослабления лазерного излучения: 1 — интегрирующая сфера; 2 — экран; 3 — выходное отверстие

 

В достаточно строгой радиометрической формулировке закон Тальбота гласит: яркость объекта, наблюдаемого сквозь диск с прорезями, вращающий­ся с частотой, превышающей критическую, пропорциональна угловой апер­туре, поделенной на число непрозрачных секторов диска. Чтобы не возникло путаницы, здесь же приведем стандартизованную фотометрическую форму­лировку этого закона [17]: если некоторая площадь сетчатки возбуждается светом, интенсивность которого периодически изменяется с частотой, превы­шающей частоту слияния мельканий, то вызываемое зрительное ощущение тождественно тому, которое создается светом с постоянной интенсивностью, равной средней за период интенсивности переменного светового излучения.

Применение такого ослабителя возможно только при условии использова­ния инерционных ОЭИП (болометр и др. ), т. е. приемников излучения, подчи­няющихся закону Тальбота. Подобному ослабителю присуще непостоянство апертуры пучка лучей, обусловленное изменением угла секторного выреза во вращающемся диске. Кроме того, при выполнении требований по нейтраль­ности ослабления, неизменности оптической длины хода лучей, сохранения равномерности ослабления по сечению пучка лучей, стабильности и плавности ослабления света увеличение оптической плотности порождает дифракцион­ные потери [21].

К этой группе можно отнести и ослабители с вращающимся сектором. Они обладают высокой воспроизводимостью значения ослабления в динамическом Диапазоне примерно до 30 дБ, причем коэффициент ослабления у них не зависит от длины волны в широком интервале длин волн Эти ослабите­ли успешно применяются в денситометрии немонохроматического излучения и для ослабления интенсивности лазерного излучения.

Формула для расчета коэффициента ослабления такого ослабителя имеет вид , где — число секторных вырезов,  — секторный угол. При тщательном изготовлении и измерении значений секторных углов с от­носительной погрешностью , относительная погрешность воспроизведения значения ослабления секторным ослабителем, , в диапа­зоне до 20 дБ и возрастает до 2-3 % при А, превышающем 30 дБ.

Чаще всего такие ослабители бывают фиксированными (с одним диском) или ступенчатыми (со сменными дисками), но известна и конструкция пере­менных секторных ослабителей с двумя соосными дисками. Значение сектор­ного угла можно регулировать механически или изменением фазы двигателя одного диска относительно другого.

При использовании секторных ослабителей для ослабления амплитудно-модулированного излучения возникает дополнительная погрешность в тех случаях, когда частоты модуляции излучения равны или кратны частоте вращения диска.

В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бэра соотношение между ин­тенсивностью падающего J и прошедшего  излучения через слой поглоща­ющего вещества толщиной d имеет вид

где — коэффициент поглощения вещества, в общем случае зависящий от длины волны излучения. В качестве поглощающего вещества чаще всего при­меняют твердые оптические материалы в виде нейтральных и цветных стекол и фотометрических клиньев, реже — растворы с различными концентрациями поглощающих веществ (рис. 3. 1).

Переменные поляризационные ослабители основаны на использовании закона Малюса, устанавливающего зависимость интенсивности излучения, прошедшего через систему поляризаторов, от угла между их плоскостями поляризации.

Ослабление в системе, где один поляризатор вращается, а другой остается неподвижным, подчиняется закону Малюса:

где А — коэффициент ослабления; J — интенсивность излучения, прошедшего систему при параллельном расположении плоскостей поляризации анализато­ра и поляризатора; — интенсивность излучения, прошедшего через систему с анализатором, повернутым на угол . Применяют два типа поляризацион­ных ослабителей: с двумя и тремя поляризаторами.

В качестве поляризаторов в видимом диапазоне спектра используют дихроичные поляризационные светофильтры в виде пластин и поляроидных пленок, а также поляризационные призмы Николя, Фуко, Глана-Томсона. В ИК диапазоне применяют поляризаторы в виде стопы тонких тефлоновых пластин или системы полупроводниковых пластин, расположенных под углом Брюстера.

Из формул Френеля, описывающих отражение и преломление электро­магнитного излучения от плоской границы раздела двух непоглощающих изотропных однородных диэлектриков с показателями преломления  и , следует, что энергетические коэффициенты отражения излучения от границы раздела равны

Где  а индексы s и р относятся соответственно к излуче­нию поляризованному в плоскости падения (s-поляризация) и в перпендику­лярной плоскости (р-поляризация). Для непоглощающей среды прошедшее во второй диэлектрик излучение характеризуется энергетическим коэффициен­том пропускания Т = 1 — R.

Из приведенных формул следует, что, изменяя угол падения и подбирая значения и , можно в определенных пределах ослаблять интенсивность излучения.

Методы ослабления интенсивности излучения, основанные на законе ад­дитивности лучистых потоков, используются в радиометрии при проверке ли­нейности характеристики преобразования ОЭИП, в фотометрии, спектрофо-тометрии и сенситометрии для градуировки и калибровки фотометрических шкал приборов [22].

В основном ослабление осуществляется дискретно. Примером ослабления такого типа является набор дырчатых диафрагм с одинаковыми или разными площадями калиброванных отверстий.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: