2. Физические основы оптоэлектронных преобразователей

2.1. Термины и определения

Важнейшими энергетическими характеристиками оптического излучения являются энергия и мощность излучения. Энергия излучения W, измеряемая в джоулях (Дж), – это энергия, переносимая излучением. Мощность излучения Р, измеряемая в ваттах (Вт), – это количество испускаемой, переносимой или принятой энергии излучения в единицу времени.

Энергетическими характеристиками источников оптического излучения являются поверхностная плотность мощности излучения М_э, энергетическая сила излучения I_э, энергетическая яркость излучения L_э, эффективность излучения η_э. Поверхностная плотность мощности излучения М_э измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) и представляет собой отношение мощности излучения, испускаемого с поверхности излучателя, к площади поверхности А_и:

М_э = dP/dA_и.

Энергетическая сила излучения I_э, измеряемая в ваттах на стерадиан (Вт/ср), есть отношение мощности излучения к телесному углу ω, в пределах которого распространяется излучение:

I_э = dP/dω.

Она является характеристикой точечного источника излучения. Для неточечного источника излучения вводят понятие энергетической яркости излучения (лучистости) L_э (в ваттах на стерадиан-квадратный метр: Вт/(срм²), которая определяется как отношение мощности излучения к телесному углу, в котором она распространяется, и к размеру излучающей поверхности, т. е.

L_э = d²P/ dA_и dω cos φ,

где φ – угол между нормалью к поверхности A_и и направлением наблюдения излучения.

Эффективность излучения или, точнее, КПД источника η_э (в процентах) показывает долю мощности, преобразованной источником в оптическое излучение, т.е.

η_э = Р/Р_пит,

где Р_пит – мощность, подводимая к источнику излучения.

Энергетической характеристикой приемника излучения является энергетическая освещенность (облученность) Е_э, измеряемая в ваттах на квадратный метр (Вт/м²), которая есть отношение мощности, падающей на поверхность А_п, к размеру этой поверхности, т. е.

Е_э = dP/d А_п .

Измерения перечисленных величин производятся в указанных единицах в любой области спектра оптических колебаний (10¹³  10¹⁵ Гц).

Однако для длин волн от 380 до 780 нм, т. е. для диапазона световых колебаний, воспринимаемых человеческим глазом, вводится аналогичный набор фотометрических характеристик излучения, учитывающий особенности зрительного восприятия. Эти особенности проявляются в том, что человеческий глаз по-разному воспринимает два источника света с одинаковой мощностью, но различной длиной волны излучения. Это связано с зависимостью спектральной чувствительности глаза S_λ от длины волны λ излучения.

Энергетической силе излучения для светового диапазона будет соответствовать фотометрическая характеристика – сила света I_ф, которая представляет собой отношение светового потока Ф (части мощности, которая приходится на область чувствительности глаза) к телесному углу, в котором распространяется световой поток:

I_ф = dФ/dω.

Сила света I_Ф измеряется в канделах (кд). Кандела относится к основным единицам и определяется как сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 54010¹²Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт на стерадиан.

Единицей светового потока Ф является люмен (лм) – световой поток, испускаемый однородным точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд, т. е. 1 лм = 1 кдср.

Принято, что мощность излучения 1 Вт, создаваемая монохроматическим источником света на длине волны λ = 0,555 мкм, т. е. максимуме спектральной чувствительности глаза для яркого света, соответствует световому потоку примерно 680 лм, воспринимаемому глазом [1].

Световая энергия Q в люмен-секундах (лмс) есть интеграл от светового потока Ф по времени t:

Q = ƒФdt.

Светимость М_Ф в люменах на квадратный метр (лм/м²) является фотометрическим аналогом поверхностной плотности мощности излучения М_э и определяется как отношение светового потока, испускаемого светящейся поверхностью, к площади поверхности источника света dА_и т. е.

М_ф = dФ / dА_и.

Яркость L_Ф в канделах на квадратный метр (кд/м²) для неточечного источника излучения (аналог энергетической яркости излучения В_э) есть отношение светового потока Ф в телесном угле к размеру излучающей

Световая эффективность (светоотдача) η_Ф в люменах на ватт (лм/Вт) есть отношение светового потока к подводимой к источнику излучения мощности, т. е.

η_Ф = Ф/Р_пит .

Основной фотометрической характеристикой для приемников света является их освещенность Е_Ф, которая определяется отношением светового потока, падающего на площадку, к размеру этой площадки dA_п, т.е.

Е_Ф = dФ / dА_п.

Единицей освещенности Е_Ф является люкс (лк) – освещенность, создаваемая световым потоком в 1 лм на поверхности 1 м².

Энергетические характеристики оптического излучения являются универсальными и могут быть использованы для описания процессов как в видимой, так и в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Фотометрические характеристики используются в видимой области электромагнитных колебаний. Их использование является необходимым при расчете приборов и устройств, предназначенных для создания излучения, регистрируемого глазом человека.

Если необходимо перейти от фотометрических параметров к энергетическим, используют следующее соотношение:

Р = Ф / S_λ .

Значение S_λ для рассматриваемой длины волны определяется по усредненной, гостированной кривой.