Пространственные характеристики источников излучения

2.5.1 Диаграмма направленности источников излучения. Наиболее полное представление о распределении силы излучения или силы света в пространстве дает фотометрическое тело, которое представляет собой геометрическое место векторов, равных силе света и отложенных от источника. Это геометрическое место векторов представляет собой замкнутую поверхность, окружающую светящееся тело, которое считается точечным источником.

Различают осесимметричные (круглосимметричные) фотометрические тела, которые имеют ось симметрии, через которую проходят бесчисленное количество плоскостей симметрии. Примером осесимметричного источника, имеющего осесимметричное фотометрическое тело, является обычная лампа накаливания, гелий-неоновый лазер или светодиод.

Симметричные фотометрические тела имеют две или более плоскостей симметрии. Примером симметричного источника излучения является полупроводниковый лазер, так как его фотометрическое тело представляет собой объемную фигуру, имеющую две перпендикулярные плоскости симметрии, одна из которых проходит через плоскость p-n -перехода, а другая – перпендикулярна ей.

Несимметричные источники не имеют плоскостей симметрии.

В реальной практике использования различных источников света практически всегда их можно считать осесимметричными или симметричными.

Обычно распределение силы света источника изображают на плоскости. Для этого фотометрическое тело пересекают меридианальной полуплоскостью, отсчитываемой от оси оптического прибора. В результате пересечения полуплоскости и фотометрического тела образуется линия пересечения, которая называется кривой силы излучения или кривой силы света.

Если кривую силы света или кривую силы излучения пронормировать на ее максимальное значение, то получится кривая, изменяющаяся от нуля до единицы, которая называется диаграммой направленности источника излучения.

Иногда для большей наглядности проводят сечение фотометрического тела экваториальными плоскостями, перпендикулярными оси источника.

а –для осесимметричного источника излучения;

б – для симметричного источника.

Рисунок 7 – Вид диаграммы направленности

Таким образом, распределение силы излучения (силы света) в пространстве для осесимметричных источников характеризуется одной диаграммой направленности (рисунок 7, а). Если такую диаграмму направленности поворачивать вокруг оси, то образуется пространственная фигура, представляющая собой нормированное на максимальное значение фотометрическое тело. В сечении экваториальными плоскостями осесимметричного фотометрического тела всегда будут наблюдаться окружности.

Распределение силы излучения или силы света в пространстве для симметричного источника характеризуется столькими диаграммами направленности, сколько плоскостей симметрии имеет фотометрическое тело. На рисунке 7, б приведена диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера.

В сечении фотометрического тела излучения полупроводникового лазера экваториальными плоскостями буду наблюдаться эллипсы.

Диаграмму направленности наиболее часто изображают в полярных координатах (рисуное 8, а), но можно также ее изображать и в декартовой системе координат (рисунок 8, б).

а – излучения в полярных координатах;

б – в декартовой системе координат.

Рисунок 8 – Изображение диаграммы направленности источника

2.5.2 пространственное согласование источников и фотоприемников. В общем задача разработки прибора сводится к пространственному и спектральному согласованию источника и фотоприемника. Под пространственным согласованием понимается учет той доли излучения, которая попадает в конечном итоге на светочувствительный слой фотоприемника, а под спектральным – определение величины потока излучения, эффективно преобразованного фотоприемником.

При пространственном согласовании основной задачей является последовательное определение части излучения, которая попадает из предыдущего элемента оптической системы в последующий, для чего необходимо знать, под каким телесным углом виден последующий элемент из того места, где установлен предыдущий элемент. Потом необходимо просуммировать поток излучения, распространяющийся в этом телесном угле.

Суммирование удобно проводить в сферической системе координат, считая источник излучения точечным. В этом случае распределение излучения по пространству определяется силой излучения (света). Если использовать диаграмму направленности осесимметричного источника излучения, то искомый поток излучения определяется следующим выражением

(13)

где q¢ – плоский половинный угол, под которым последующий элемент оптической системы виден из того места, где установлен предыдущий элемент;

Ф_S – полный поток излучения, излучаемый из предыдущего элемента оптической системы, который играет роль источника.

Таким образом, выражение (13) позволяет получить значение потока излучения, распространяющегося в определенном телесном угле, если известна диаграмма направленности источника излучения. Но диаграмма направленности редко известна в виде аналитической функции, а представляется обычно в виде графиков или таблиц. В этом случае вычисление интегралов в выражении (13) можно проводить, используя графическое интегрирование.