Часть 2 Основные энергетические и световые характеристики излучения

Потоком излучения (мощностью излучения, лучистым потоком) называется количество излучаемой, поглощаемой или переносимой в единицу времени энергии:

,

где Q – энергия излучения, Дж.

Поток в интервале длин волн от до обозначается

Спектральная плотность потока помечается индексом:

Поток, оцененный по создаваемому им зрительному ощущению, называется световым потоком.

Энергетической силой излучения называется поток излучения, приходящегося на единицу телесного угла:

Силой света называется световой поток, отнесенный к единице телесного угла:

Поверхностной плотностью потока излучения (энергетической светимостью) называется отношение потока излучения, испускаемого в полусферу элементом поверхности, к площади этого элемента :

Светимостью (светностью) называют поверхностную плотность светового потока.

Энергетической освещенностью (облученностью) называется отношение потока излучения, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента:

Освещенностью называется отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента:

Спектральные плотности энергетической светимости и энергетической освещенности равны:

,

.

Энергетической яркостью в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности:

,

где – угол между данным направлением и нормалью к элементу излучающей поверхности.

Для диффузно излучающей поверхности величина одинакова во всех направлениях и по закону Ламберта:

где – площадь излучающей поверхности.

Спектральная плотность энергетической яркости равна:

.

Чувствительность и инерционность приборов

Чувствительность

Чувствительностью называют способность прибора реагировать на изменение входной величины.

Чувствительность определяется отношением приращения выходной величины к вызывающему его приращению входной величины.

Если X – входная величина, а Y – выходная, то чувствительность определяется следующим образом:

Входная величина и выходная величина могут быть различными по своему физическому содержанию. Тогда отношение их приращений называют крутизной.

В фотоприемниках происходит преобразование энергии излучения в электрическую энергию.

Поэтому применительно к фотоприемникам чувствительностью называют крутизну преобразования.

Чувствительность по напряжению:

Чувствительность по току:

Применительно к электрическим цепям или усилителям говорят о коэффициенте усиления или передачи:

Инерционность

Шумовые параметры оэп

Общие положения

Случайные величины постоянно действуют во всех частях прибора и играют существенную роль при их обработке.

Явления называются случайными, если при многокраном воспроизведении одного и того же процесса оно протекает каждый раз несколько по иному. Случайность исхода наблюдения определяется недостаточностью знаний о всех условиях протекания процесса.

Наличие случайностей в результатах не означает отсутствие определенных закономерностей.

Средние результаты, найденные по большому числу наблюдений, устойчивы и не являются случайными.

Рис. 11. Реализация случайной величины:

а). Одиночная реализация; б). Совокупность реализаций

Среднее значение случайной функции

Первой характеристикой случайной функции является ее среднее значение (математическое ожидание).

Определение среднего значения случайной функции может быть произведено двумя способами:

- усреднением по совокупности реализаций;

- усреднением во времени.

Рис. 11. Разбиение времени реализации для определения

среднего значения случайной функции

Дисперсия случайной функции

Дисперсией случайной функции называется среднее значение квадрата отклонения случайной величины от ее среднего значения

Функция корреляции

Третьей усредняющей величиной, характеризующей случайные функции, является функция корреляции.

Функция корреляции определяется как среднее значение произведения двух случайных величин:

Рис. 12.

Спектр случайного процесса

Мощность шума, приходящаяся на частотный интервал 1 Гц, называется спектральной плотностью мощности шумов:

Рис. 13. Схема измерения спектрального

распределения шума

Спектр случайного процесса представлен на рис. 14.

Рис. 14. Спектры шумов:

а). С постоянной спектральной плотностью;

б). Со спектральной плотностью, зависящей от частоты

Оптические шумы

Лучистый поток представляет собой среднее значение хаотически изменяющейся мощности, переносимой электромагнитными волнами.

При отсутствии специально созданного информационного потока, между фотоприемником и окружающей средой непрерывно происходит обмен электромагнитной энергией.

Поскольку этот процесс является стационарным случайным процессом, можно оценить действующее значение шумовых колебаний потока.

Шумы электронных устройств

Шумы электронных устройств (тепловые шумы)

Тепловой шум порождается хаотическим тепловым движением электронов в проводниках, и его величина зависит от температуры тела.

Если активное сопротивление участка электрической цепи равно R, то спектральная плотность действующего значения э.д.с. тепловых шумов равна:

где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Квадрат действующего значения э.д.с. тепловых шумов:

Шумы электронных устройств (дробовые шумы)

Постоянный ток электронного прибора образуется совокупным перемещением огромного числа электронов. Через данное поперечное сечение электронного прибора в различные моменты времени перемещается неодинаковое количество электронов, что вызывает малые колебания тока.

В отличие от теплового шума, зависящего от температуры, дробовой шум определяется величиной тока в рассматриваемой цепи.

Название дробовой шум связано с представлением о том, что электроны достигают анода прибора подобно потоку дроби.

Для вакуумного диода и фотоэлемента, квадрат действующего значения шумового тока:

Для фотоумножителя необходимо учитывать коэффициент усиления фотоумножителя и добавочный коэффициент, зависящий от случайных колебаний тока на динодах.

Шумы электронных устройств (избыточные шумы в ПП)

В полупроводниках действуют тепловые и дробовые шумы, величина которых определена ранее.

Отличительной особенностью шумов в полупроводниках является неравномерная зависимость спектральной плотности мощности от частоты: на частотах от 10^-4 до примерно 1 КГц наблюдается значительное возрастание шумов. Эти шумы называются избыточными или токовыми.

Точной связи величины избыточных шумов с параметрами полупроводника не установлено. Экспериментально найден характер зависимости этих шумов от частоты:

Токовые шумы преобладают над всеми остальными видами шумов полупроводниковых приборов в области частот от нуля до 200 Гц

Рис. 15. Спектральное распределение шумов

полупроводникового прибора:

1 – область избыточных шумов; 2 – генерационно-рекомбинационные шумы; 3 – дробовые и тепловые шумы

Отношение сигнала к шуму. Порог чувствительности

Шумы в оптико электронных устройствах затрудняют обнаружение и измерение полезного сигнала.

Коэффициент шума