Фотометрія

При використанні світлочутливого обладнення (фотодатчиків), необхідно розглядати й датчик, і світлове джерело. У деяких випадках світло походить із незалежних джерел; в інших, світлове джерело - частина вимірювальної установки. У кожному разі, так звані фотометричні характеристики оптичної системи повинні бути прийняті до уваги. Такі характеристики включають світлове джерело, його випромінювальну здатність, світність, яскравість, і т.д.

Щоб вимірювати світлову інтенсивність і яскравість, були винайдені спеціальні одиниці. Потік випромінювання (енергія, що випускається в одиницю часу), який розташований у видимій частині спектра, називається світловим потоком. Ця відмінність існує через нездатність людського ока однаково реагувати на однакові рівні потужності різних видимих довжин хвиль. Наприклад, червоне й синє світло тієї ж самої інтенсивності призведе до різної реакції; червоний буде сприйнятий як набагато більш яскравий. Отже, для порівняння світла різних кольорів, одиниця Вт стає не адекватною ознакою яскравості й була введена спеціальна одиниця, яка називається люмен. Вона базується на стандартному променевому джерелі із платинової черні, у вигляді абсолютно чорного тіла й з апертурою в межах об'ємного кута один стерадіан. Просторовий кут визначається в сферичних координатах як

ω =A/r², (4.13)

де r - сферичний радіус, A – спостережувана сферична поверхня. Коли A=r,

одиниця називається сферичним радіаном або стерадіаном (див. Табл.1.7).

Освітленість задається як

E =dF/dA; (4.14)

Тобто відношення диференціала кількості світлового потоку (F) до диференціала поверхні. Вона найчастіше виражається в люменах на квадратний метр (квадратний фут), або фут-метр (фут-свіча).

Світлова інтенсивність визначається як потік в об'ємному куті:

I_L =dF/dω; (4.15)

Найбільше часто вона виражається в люменах на стерадіан або у свічах. Якщо сила світла є постійної щодо кута емісії, Рів. (4.15) має вигляд

I_L =F/ω. (4.16)

Якщо довжина хвилі радіації змінюється, але освітленість підтримується постійною, знайдена потужність випромінювання у ватах змінится. Відношення між освітленістю й потужністю випромінювання повинна бути визначена на характерній частоті. Характерна точка звичайно береться на довжині хвилі 0.555 мкм, яка є піком спектральної чутливості людського ока. На цій довжині хвилі, 1Вт випромінюваної потужності еквівалентний 680 лм. Для зручності читача, деяка корисна термінологія дається в Табл. 4.1.

При виборі електрооптичних датчиків, розгляд конструкції світлових джерел є головним завданням. Світлове джерело буде ефективно працювати як точкове джерело або як об'ємне джерело, залежно від співвідношень між розміром джерела й відстанню між джерелом і датчиком. Точкові джерела - довільно визначаються як ті, чий діаметр - менше ніж 10 % відстані між джерелом і датчиком.

Хоча звичайно бажано, щоб фотодатчик був настроєний таким чином, щоб його поверхня була дотична до сфери із точковим джерелом у його центрі, але звичайно, площина датчика може бути нахиленою відносно дотичної площини.

Таблиця 4.1.

Радіометрична й фотометрична термінологія

Опис	Радіометрична	Фотометрична
Повний потік	Променистий потік (F) у Вт	Світловий потік (F) у люменах
Щільність потоку, що випускається, поверхнею джерела	Випромінювальна здатність (W) у Вт/cм^2	Світлова здатність (L) у люмен/cм^2 (Ламберт) або Ламберт/фут^2 (фут-ламберт)
Інтенсивність джерела (точкове джерело)	Випромінювальна інтенсивність (Ir) у Вт/стр.	Світлова інтенсивність (IL) у люмен/стр (кандела)
Інтенсивність джерела (об'ємне джерело)	Світність (Br) у Вт/стр/cм^2	Яскравість (BL) люмен/стр/cм^2 (Ламберт)
Падаюча щільність потоку на поверхню приймача	Освітленість (H) у Вт/cм^2	Яскравість (E) у люмен/cм^2 (свіча) або люмен/фут^2 (фут-свіча)

Джерело: Адаптоване з посилання [2].

При цій умові, щільність падаючого потоку пропорційна косинусу кута нахилу:

H = I_r/cosφ, (4.17)

і яскравість,

E = I_L cosφ/r². (4.18)

Об'ємним джерелом умовно вважається таке, якщо його діаметр більший за 10 % від відстані до джерела. Випадок, який заслуговує додаткового розгляду відбувається, коли радіус R світлового джерела набагато більший, ніж відстань r до датчика.

При цій умові,

H =B_rА_s/(r² +R²) ≈ B_rА_s / R², (4.19)

де A_s - площа світлового джерела, і B_r - світність. Оскільки площа джерела A_s =πR², освітленість

H≈π B_r =W; (4.20)

Тобто щільність потоку падаючого і що випускається рівні. Якщо площа датчика -

та ж сама, що й площа джерела й R»r, повна падаюча енергія – приблизно та ж сама, що й загальна кількість випромінюваної енергії (тобто існує взаємозв'язок між джерелом і датчиком). Коли оптична система містить у собі каналізування, колімування, або фокусування, повинна розглядатися її ефективність і, отже, коефіцієнт зв'язку. Важливі співвідношення для точкового й об'ємного джерел світла даються в Табл. 4.2 і 4.3.

Таблиця 4.2.

Співвідношення для точкового джерела

Опис	Радіометричне	Фотометричне
Інтенсивність точкового джерела	Ir, Вт/стр.	IL, люмен/стр.
Щільність падаючого потоку	Опромінення, H=Ir/r^2, Вт/м^2	Освітленість, E = IL/r^2, люмен/м^2
Загальний вихідний світловий потік від точкового джерела	P =4πІr, Вт	F =4πIL, люмен

Джерело: Адаптоване з посилання [2].

Таблиця 4.3.

Співвідношення для об'ємного джерела

Опис	Радіометричне	Фотометричне
Інтенсивність об'ємного джерела	Br, Вт/ (cм^2۰стр)	BL, люмен/(cм^2۰стр)
Щільність випромінюваного потоку	W=πBr, Вт/ cм^2	L=πBL, люмен/ cм^2
Щільність падаючого потоку	Н=BrАs/(r^2+R^2), Вт/ cм^2	Е= BLАs /(r^2 +R^2), люмен/ cм^2

Джерело: Адаптоване з посилання [2].

Вікна

Головна мета вікон полягає в тому, щоб захистити внутрішність сенсорів і датчиків від впливу навколишнього середовища. Гарне вікно повинне пропускати світлові промені в певному діапазоні довжин хвиль із мінімальними викривленнями. Тому, вікна повинні мати відповідні характеристики залежно від конкретного завдання. Наприклад, якщо оптичний датчик працює під водою, його вікно повинне мати наступні властивості: механічну міцність, щоб протистояти водяному тиску, низьку абсорбцію води, смугу пропускання, відповідно до вимог, індекс заломлення, переважно близький до тої ж самої води. Придатним вікном, яке може протистояти високому тиску може бути сферичне, як показано на Рис. 4.7. Для мінімізації оптичних викривлень повинні враховуватися два обмеження для сферичного вікна: апертура D (його найбільший розмір) повинна бути меншої, ніж сферичний радіус вікна R₁, а товщина d вікна повинна бути рівномірною й набагато меншою радіуса R₁. Якщо ці умови не виконуються, вікно стає концентричною сферичною лінзою.

Для його повної характеристики повинна розглядатися відбивна здатність поверхні вікна. Щоб мінімізувати втрати на відбиття, на вікна можна наносити спеціальні анти відбивні покриття (ARCs), на одну або на обидві сторони вікна. Це покриття, які дають синюватий і бурштиновий відтінок популярним фотографічним лінзам і фільтрам. Через заломлення у вікні (див. Рис. 4.4) промінь, що проходить, зміщений на відстань L, яка, для маленьких кутів Θ₁, може бути знайдена з формули

L=d(n-1)/n, (4.21)

де n - заломлюючий індекс матеріалу.

Датчики, що працюють у далекому інфрачервоному діапазоні, вимагають спеціальних вікон, які непрозорі у видимих і ультрафіолетових спектральних областях і досить прозорі на довжинах хвиль, що цікавлять нас. Є кілька матеріалів придатних для виготовлення такого вікна. Спектральне пропускання

Рис. 4.7. Сферичне вікно.

Рис. 4.8. Спектральне пропускання кремнієвого вікна. Зверніть увагу, що більшість втрат через відбиття від двох поверхонь.

деяких матеріалів показане на Рис. 4.3. Коли вибирається матеріал для вікна в далекій інфрачервоній області індекс заломлення, повинен бути врахований, тому що він визначає коефіцієнт відбиття, поглинаючу здатність, і, в остаточному підсумку, пропускання. На Рис. 4.8 показане спектральне пропускання двох вікон із кремнію, що мають різні товщини. Загальна кількість випромінювання (100 %), що надходить на вікно, розділене на три частини: відбиття (приблизно 50 % по всьому спектральному діапазону), поглинання (залежить від довжини хвилі), і пропускання, яке є тим, що залишилося після відбиття й поглинання. Оскільки всі вікна характеризуються певним спектральним пропусканням, часто вони називаються фільтрами.

Дата добавления: 2015-07-11