Спектр электромагнитных излучений представлен на рисунке. К оптическому диапазону традиционно относят электромагнитные волны длиной 
м. Однако практически из данного диапазона средствами оп-тоэлектроники используется область 0,1-100 мкм. Это обстоятельство не является случайным. По энергетической шкале данному диапазону соответствует область энергий 0,01-10 эВ. Кванты света с такой энергией способны возбуждать только валентные электроны в собственных и примесных полупроводниках. Действительно, ширина запрещенной зоны широкозонных полупроводников составляет единицы электронвольт, а энергия возбуждения примесных атомов в германии и кремнии - сотые доли электронвольт. Вне этого интервала энергий взаимодействия света с веществом носят качественно иной характер. Так, при углублении в коротковолновую область спектра начинает сказываться возбуждение электронов внутренних оболочек атома, а в длинноволновой области, когда фотоны уже не способны ионизировать атомы вещества, их воздействие проявляется в виде экситонной и фотонной генерации. Весь оптический диапазон разбит на три основные области:
1) 
0,75 мкм - инфракрасная (ИК);
2) 0,395 
0,75 мкм - видимая (видимый свет);
3) 
0,395 мкм - ультрафиолетовая (УФ).
Каждая из этих областей делится на несколько поддиапазонов (см. рис. 1.1).
Как известно, свет обладает одновременно волновой и корпускулярной природой. В волновом аспекте он представляет собой электромагнитные колебания, излучаемые атомами вещества при изменении их энергетического состояния. Эти волны распространяются в вакууме со скоростью с = 299792458 м/с, а в веществе с меньшей скоростью 
где 
показатель преломления среды. Частота V и длина волны А. связаны соотношением 
т.е. в вакууме 
Световая монохроматическая волна создается взаимно ортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, перпендикулярными направлению ее распространения. Световая волна может быть когерентной, если все атомы вещества излучают волны, фаза и направление распространения которых совпадают, либо некогерентной, если каждый атом излучает оптическую волну, имеющую независимые фазу и направление распространения, случайным образом меняю щиеся во времени. Фотоны рассматриваются как корпускулы, когда речь идет о взаимодействии света с веществом. В этом случае монохроматическое излучение можно представить как поток элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарной энергией 
, где 
= 6,626 • 10-34 Дж • с - постоянная Планка. В веществе электроны связаны с атомами, и чтобы стать свободными, они должны получить энергию 
, равную энергии их связи. При поглощении фотона атомом происходит освобождение электрона, если 
т.е. 
. Максимальная длина волны излучения, способная вызвать освобождение электрона, называется пороговой длиной волны 
т. е. 
[мкм] = 1,237/ 
[эВ].
Таблица 3.1 Основные энергетические и фотометрические величины
Рис. 3.1. Спектр электромагнитных излучений [1]
Энергетическая фотометрия
Величины, относящиеся к оптическому излучению, можно оценивать либо с учетом произведенного зрительного впечатления (визуальная фотометрия), либо исключительно по количеству энергии, ее распределению в пространстве и времени (энергетическая фотометрия). Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения 
- средняя
мощность, передаваемая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний.
Спектральный состав излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения - функцией 
. Таким образом, мощность, переносимую потоком излучения во всем интервале длин волн, определяют
(1.1)
Основные величины, характеризующие энергетические и визуальные параметры оптического излучения, приведены в табл. 1.1 [2, 3].
В некоторых случаях, когда в качестве основного параметра при описании энергетической системы принимают энергию излучения, связь энергии с потоком излучения можно записать в дифференциальной форме
Оба варианта описания равнозначны и отличаются разве что формой написания основных формул. Рассмотрим подробнее основные фотометрические величины.
Энергетическая сила света (сила излучения) - пространственная плотность потока излучения, определяемая отношением потока излучения 
к телесному углу 
(в стерадианах), в пределах которого заключен этот поток
где 
- телесный угол, имеющий в вершине источник излучения, определяется как отношение площади сферической поверхности 
внутри конуса этого угла к квадрату радиуса сферы (рис. 1.2)
Энергетическая светимость Мс(поверхностная плотность потока излучения) - поток излучения, отнесенный к единице площади излучающей поверхности
где 
- площадь поверхности источника излучения. Необходимо отметить,
что светимость недостаточно полно характеризует параметры излучателя, и для полной характеристики необходимо знать направленность потока излучения.
Энергетическая яркость -сила излучения с единицы излучающей поверхности в данном направлении, отнесенная к площади ортогональной проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную указанному направлению (рис. 3.2)
,(1.6)
где 
- угол между нормалью К излучающей поверхности и направлением, в котором производится изме-
„с. 3.2. Пояснения к определению силы света
рение силы излучения; 
- энергетическая сила света в направлении 
- площадь элемента поверхности источника. Необходимо отметить, что яркость не является основной характеристикой источника. Например, у двух излучателей, обладающих одинаковой яркостью, но разной площадью светящейся поверхности, можно с помощью оптической системы уравнять наблюдаемые площади свечения. В этом случае излучатель с большей активной площадью окажется ярче в число раз, равное отношению 
(если
принять 
).
Энергетическая освещенность 
(плотность мощности) - мощность потока излучения, приходящаяся на единицу площади облучаемой поверхности
(1.7)
где 
- площадь облучаемой поверхности.
В случае, когда приходится иметь дело с равнояркими источниками, для определения силы света и потока излучения от тел простой формы легко получить следующие расчетные формулы:
Рис. 1.4. Диаграммы направленности равноярких излучателей: а - плоского; б - шарообразного; в – цилиндрического
1) для плоской излучающейв одну сторону площадки (рис. 1.4, а)
2) для шара диаметром 
(рис. 1.4, б)
3) для цилиндра с неизлучающимиторцами (рис. 1.4,в)
Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется выражениями
Визуальная фотометрия
При определении мощности излучения по производимому им световому ощущению, т.е. по реакции глаза человека, пользуются световым потоком и другими соответствующими величинами (см.табл.1.1). Причем учет чувствительности глаза к различным участкам видимого спектра производится с помощью кривой относительной спектральной световой эффективности У(Х) (старое название - кривая дневной видности) (рис. 1.5).
Для длины волны 
= 0,555 мкм эта чувствительность максимальна: 
= 1,0. Различные величины в визуальной фотометрии можно оценить умножением соответствующей энергетической величины на коэффициент 
где 
- кривая видности, а 
- эмпирический коэффициент, который взят из определения канделы*. Тогда
для монохроматического излучения с диной волны 
можно записать
Для непрерывного спектра излучений полный поток можно получить суммированием потоков, соответствующих различным длинам волн спектра
где величина 
представляет собой поток 
заключенный в диа-
пазоне от 
Если в качестве пределов интегрирования подставить
значения 0,38 и 0,76 мкм, соответствующие границам видимого диапазона, то можно оценить эффективный поток для человеческого глаза. Аналогичным образом может быть проведена оценка и для любого другого селективного фотодетектора. В этом случае в формулу (1.17) необходимо подставить вместо кривой видности 
функцию относительной спектральной чувст-
вительности детектора 
Выражения, аналогичные (1.16) и (1.17), можно записать для любой величины 
в визуальной фотометрии из соответствующей ей энергетической величины 
Тогда для монохроматического 
излучения
а для непрерывного спектра излучений, заключенного между длинами волн 
соответственно имеем
В таб. 1.2 приведены оценочные значения величин яркости и освещенности, создаваемых различными источниками света.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 222.
