Лекция 4 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 1)
4.1. Основные элементы оптоэлектронного прибора
П
риборы,
в которых оптические сигналы преобразуются
в электрические, называются оптоэлектронными.
Обобщенная структурная схема
оптоэлектронного прибора приведена на
рис. 4.1.
Основные элементы оптоэлектронного прибора (ОЭП):
источник излучения;
приемник излучения;
оптические системы, фокусирующие излучение источников;
электронные элементы, преобразующие сигналы, вырабатываемые приемником;
Кроме того, в состав ОЭП могут входить: модулятор, дефлектор, фильтры, элементы отображения и записи информации и др.
Рассмотрим отдельные элементы оптоэлектронных приборов.
4.2. Источники излучения
Все источники излучения можно подразделить на естественные и искусственные.
Естественными источниками являются все объекты, изучаемые с помощью оптоэлектронных приборов пассивного типа (по такой схеме работают радиометры, приборы самонаведения, слежения и др.) К таким источникам излучения можно отнести промышленные здания и установки, машины, тела людей и животных и т.п. К естественным источникам относятся солнце, луна, звезды, земная атмосфера и т.п. У всех этих источников излучение тепловое.
Искусственные источники – источники, параметрами которых можно управлять. Их используют в осветителях оптоэлектронных приборов активного типа: в приборах связи, передачи и обработки информации, в различных приборах для научных исследований. К искусственным источникам относятся газоразрядные и дуговые лампы, светодиоды и люминесцентные излучатели, оптические квантовые генераторы (лазеры), некоторые типы тепловых источников.
Тепловыми источниками непрерывного ИК-излучения служат нагретые до высоких температур стержни из карбида кремния (глобары). Для получения непрерывного спектра в видимой, ближней ИК- и ближней УФ-областях лучшими общепринятыми источниками считаются твердые тела каления. В видимой УФ-области используются водородные и гелиевые разрядные лампы. Электрические дуги, искры и разрядные трубки – традиционные источники линейчатых спектров нейтральных и ионизованных атомов. Превосходными источниками являются лазеры, генерирующие интенсивное монохроматическое когерентное излучение во всем оптическом диапазоне.
4.3. Тепловые источники
Тепловые источники – источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым теплом за счет повышения его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр (положение максимума зависит от температуры тела). С повышением температуры возрастает энергия теплового излучения, и максимум теплового излучения смещается в область меньших длин волн (закон смещения Вина).
Мощность излучения, испускаемого нагретым телом:
,
где: σ = 5,67∙10-8 Вт/(м2∙К2) – постоянная Стефана-Больцмана; ε – излучающая способность тела; S – площадь излучающей поверхности;∙ Т – температура. У абсолютно черного тела ε = 1, у реальных тел ε < 1. Абсолютно черное тело – полный излучатель. Оно излучает на всех длинах волн максимально возможную при данной температуре энергию. Хорошей моделью абсолютно черного тела является нагретая полость с малым отверстием.
К тепловым источникам относятся:
Лампы накаливания (обладают сравнительно низким КПД и большой инерционностью). Основной недостаток ламп накаливания – большая тепловая инерция (невозможность электрической модуляции).
Светоизмерительные лампы (тело накала - в виде плоской ленты, имеется окно из увиолевого стекла, прозрачного в УФ области, или из сапфира, прозрачного в ИК-области).
Галогеновые лампы.
Газоразрядные источники света (свободны от недостатка, присущего лампам накаливания) – излучающая среда - газ или пары металлов; при прохождении тока возникает разряд. Могут давать как непрерывное, так и импульсное излучение.