Оптоэлектрониканың физикалық негіздері

2.1. Фотометриялық және энергетикалық сипаттамалардың айырмашылықтары

Оптикалық сәулелену энергиясын ақырғы сигналға түрлендіру принципі бойынша, өлшегіш құрылғылармен тіркелетін, барлық фотоқабылдағыштарды екі негізгі топқа бөлуге болады.Біріншісіне термоэлементтер (балометрлер), оптикалық сәулелену энергиясы электрлік токка түрленетін қаттыденелі және вакуумды фотоэлементтер жатады. Екінші топқа фотоэмульсионды қабат және адам көзін жатқызуға болады. Оптикалық сәулелену энергиясы фотопластинаға енгізілген, фотоэмульсионды қабаттан өтетін фотохимиялық реакциялардың пайда болуына немесе көз шіліндегі жүйке(нерв) жалғауының астан-кестен болуына алып келеді. Көзді әртүрлі толқын ұзындығындағы (380...780 нм) жарыққа әсер ететін сезгіштігі жоғары фотоқабылдағыштарға жатқызады.

Фотоқабылдағыштың бірінші тобына әсер ететін оптикалық сәулеленуді сипаттау үшін энергетикалық сипаттамаларды қолданады:

-энергетикалық экспозиция;

-сәулелену ағыны;

-энергетикалық жарқырау;

-беттің сәулеленуі.

Көз шіліне(сетчатка) немесе фотопластинаға әсер ететін оптикалық сәулеленуді фотометриялық сәулеленумен сипаттау қабылданған:

-жарықтық ағын;

-жарық күші;

-жарқырау;

-сәулелену.

2.2. Оптикалық сәулеленудің фотометриялық сипаттамалары

2.2.1. Көріну функциясы және оның электромагнитті толқын ұзындығынан тәуелділігі

Тәжірибелердің көрсетуі бойынша, көру дефектілерімен ауырмайтын көпшілік адамдардың көздері толқын ұзындығы λ= 555 нм(жасыл түс) болатын оптикалық сәулеленуге максималды сезгіш болып келеді.

Жарықтың әсерінен көз сетчаткасының жүйке жалғауларында пайда болатын жүйке интенсивтілігін F(λ) көріну фунциясы деп сипаттау қабылданған. 2.1.-суретте көрсетілгендей, λ= 555 нм кезінде F = Fmax болады, ал λ = 400 нм, λ = 760 нм кезінде F = Fmin.

2.1.-сурет. V көріну функциясының орташа адам көзіне арналған толқын ұзындығынан тәуелділігі

F(λ) функциясының аналитикалық түрі күрделі болып келеді. Сондықтан да, тәжірибелік мақсаттар үшін көріну функциясын қолдану жеткілікті.

2.1 Кесте

V(λ) функциясы өлшемсіз және оптикалық сәулеленудің энергетикалық және фотометриялық параметрлерінің арасында қарым-қатынас орнатуға мүмкіндік береді.

2.1.-суретте V(λ) көріну функциясының орташа адам көзіне арналған тәжірибелік тәуелділігі көрсетілген.

2.1-кестеде V(λ)-ның электромагнитті толқындардың кейбір ұзындықтарына арналған мәндері берілген.

2.2.2. Дененің бұрышы, жарықтық ағын және жарықтың механикалық эквиваленті

Жарықты барлық үш кеңістікке тең қлшемде тарататын i жарығының нүктелік көзін қарастырайық. Көрсетілген кеңістікте α бұрышы бар жарықтық конусты таңдаймыз. Оның жоғары жағында жарық көзі i орналасқан.

Жарықтық конусты S сфералық бетімен, R радиусымен кесіп өтеміз. 2.2.-суреттен көрініп тұрғандай, конус ауданы Sс сфералық бетті кеседі.

Қарастырылған жарықтық конусты Ω бұрыштық денемен сипаттау қабылданған, ол стерадианмен өлшенеді және былайша анықталады:

Ω =1ср денелік бұрышына ∆SС = R2 шарты сәйкес келетіні айқын. I нүктелік көзі радиусы R сфераны сәулелендірген кезіндегі толық денелік бұрышқа ∆Sn = 4πR2 өлшемі сәйкес келеді. Толық денелік бұрыш мына формуламен анықталады:

Толқын ұзындығы λ = 555 нм монохроматты сәулелену ∆S ауданы арқылы ( 2.2-суретке сәйкес) бір секундта 0,0016 Дж энергия өткізсін. Бұл жағдайда Ω денелік бұрыштың ішінде ∆Ф жарықтық ағын таралады, ол 1 лм-ге тең.

Берілген қатынас бір люмень үшін халықаралық стандарт болып табылады.

Осылайша, λ = 555 нм кезінде 0,0016 Дж/С = 0,0016 Вт - 1 лм. (2.4)

2.2.-сурет. Денелік бұрышты анықтау.

2.4-теңдік тек люменді анықтау ғана болып табылмайды, сонымен қатар оптикалық сәулеленудің фотометриялық және энергетикалық сипаттамаларының арасын байланыстыратын жалғыз өзекше болып табылады.

Аэ = 0,0016 Вт/лм өлшемін жарықтың механикалық эквиваленті деп атау қабылданған. ∆Ф= 1 лм және λ = 555 нм кезінде

АЭ = 0,0016 Вт. (2.5)

Көрінудің қатынасты функциясы ( (2.1), сур. 2.1, кесте. 2.1 және формула (2.5)) Рλ сәулеленуінің қажетті қуатын есептеп беруге мүмкіндік береді, ол 1лм-дегі жарықтық ағынға сәйкес келеді. 400...760 нм диапазондағы кез-келген толқын ұзындығы үшін:

Мысалы, 2.1. кестені қолдана отырып, толқын ұзындығы λ = 633 нм кезінде 1лм-дегі жарықтық ағынға V(λ) = 0,25 сәкес келетіндігін табамыз.

2.6. формулаға сәйкес, мұндай жарықтық ағынды қамтамасыз ету үшін қуат қажет

Гелий-неонды лазер Рλ = 5х10–3 Вт сәулелену қуатына ие болсын делік. Оған сәйкес келетін жарықтық ағын келесі тәуелділіктерден анықталатыны айқын: 6,4х10–3 Вт ~ 1 лм,

5х10–3 Вт ~ Ф лм, бұларға мына пропорция сәйкес келеді:

Бұл жердегі Ф = 0,78 лм.