Основные свойства света, используемые при измерениях геометрических параметров. Фотометрия. Свет как носитель информации.

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

1. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

2. На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

3. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

4. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n = n2 / n1.

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Рисунок 3.1.1.Законы отражения и преломления: γ = α; n1 sin α = n2 sin β.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = α_пр sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.

Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

sin αпр = 1 / n,

где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.

Рисунок 3.1.2. Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

Рисунок 3.1.3.

Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность

Фотометрия (др.-греч. φῶς, родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — измеряю) — общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.

Первый из законов фотометрии — закон обратных квадратов — был сформулирован Иоганном Кеплером в 1604 году.

(1) Где: E — освещённость

r —расстояние от источника до объекта

l —сила света точечного источника

i —угол падения лучей относительно нормали к поверхности.

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.

При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.

 

26. Принципы фотометрических измерений. Фотоэлектрические преобразователи (*интернет). (Источник 1):

В фот. пр-х происходит промежуточное преобразование линейных перемещений в изменение энергии светового тока с помощью оптической системы. Энергия светового потока затем преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлемента. Оптические схемы фотоэлектрических измерительных систем строятся на диафрагмировании или отражении светового потока.

Основной характеристикой фотоэлемента является зависимость выходного тока Iф от величины светового потока F при неизменных внешних условиях, т. е. при постоянной длине световой волны l = const и постоянном напряжении U = const,

Для некоторых фотоэлементов эта зависимость линейна:

где S — чувствительность фотоэлемента.

Если свет, падающий на фотоэлемент, является монохроматическим (имеет одну длину волны l), то характеристикой фотоэлемента является спектральная чувствительность

Если световой поток имеет разные длины воли, то интегральная чувствительность

Рис. Принципиальные схемы фотоэлектрических датчиков

1. – анод, 2. – катод, Ф – световой поток, Rн – сопротивление нагрузки

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом типа ионных приборов (рис. III. 10, а) бывают вакуумные и газонаполненные. Последние имеют более высокую чувствительность. Анод фотоэлементов выполняется в виде плоской пластины, катод — в виде фоточувствительного слоя элемента на внутренней поверхности колбы. Чувствительность фотоэлемента зависит от температуры, при значительном повышении температуры нормальная его работа нарушается за счет возникновения термоионной эмиссии фотокатода. Газонаполненные фотоэлементы более инерционны и применяются лишь в случае малой интенсивности светового потока. При росте его интенсивности характеристика газонаполненных фотоэлементов, с внешним эффектом становится нелинейной. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом чипа фотоумножителей (рис. III.10, б) дают многократное повышение чувствительности за счет эффекта вторичной эмиссии. Несколько электродов (Д1 ¸ Д5) располагаются последовательно, и поток электронов направляется с первого анода на второй, со второго на третий и т. д. с помощью внешнего электростатического или магнитного поля. В этом случае поверхности анодов излучают вторичные электроны. При n электродах отношение числа вторичных электронов к числу первичных будет.

Электроды ФЭУ (Д1 — Д5) находятся под возрастающим потенциалом, подающимся от делителя напряжения, состоящего из цепи последовательно соединенных сопротивлений R1 — R5. Стабильность коэффициента усиления h зависит от постоянства распределения напряжений. Поэтому последние сопротивления делителя шунтируются конденсаторами С1, С2.

Обычно принимают величину отношения а = 4—6. Фотоумножители имеют чувствительность S = 0,5 а/лм и малый порог чувствительности F min = 10-8лм.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом — фотосопротивления — высокую чувствительность в видимой части спектра и инфракрасных лучах. Недостатки фотосопротивлений: нелинейность их характеристик, инерционность, зависимость от температуры, нестабильность и значительный темновой ток.

Фотосопротивления могут быть выполнены в виде монокристалла (например, СdS), в который вмонтирован тонкий проводник (рис. III.10, в). При освещении полупроводника между ним и проводником возникает э. д. с. Полупроводниковые фотосопротивления очень просты по конструкции, имеют малые габариты, очень высокую чувствительность, линейную характеристику при небольших величинах светового потока. Инерционность их несколько выше, время запаздывания t = (5 ¸ 25) 10-3 сек.

Фотоэлектрические измерительные системы для непрерывного измерения размера по изменению величины светового потока, падающего на катод фотоэлемента, применяются редко. Причиной этого является нестабильность характеристик фотоэлементов во времени. Фотодатчики широко применяются в дискретных измерительных системах с отражением светового потока, в счетных схемах, в оптических. системах для измерения перемещений и др.

(источник 2):

Фотоэлектрический прибор — преобразователь лучистой энергии, под действием которой изменяются электрические свойства рабочей среды, содержащейся в приборе.

Под лучистой понимают энергию электромагнитного излучения широкого диапазона частот. Однако в большинстве случаев фотоэлектрические приборы являются приемниками электромагнитных излучений оптического диапазона, к которому относятся ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение с длиной волны от 5-10~9 до 10~3 м. Ультрафиолетовое излучение лежит в диапазоне длин волн 5-10~9 - 4• 10~7 м, видимое - в диапазоне 4 • 10~7 — 7,6 • 10~7 м, инфракрасное — 7,6-10~7 - 10~3 м. Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах).

Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект — возбуждение электронов вещества, т. е. переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяются концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, и электрические свойства вещества. Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и диэлектриках и проявляется в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания ЭДС в неоднородных полупроводниках (р-n структур).

Полупроводниковые приборы с однородной и неоднородной структурами, в которых используется внутренний фотоэффект, служат в качестве фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения.

Внешний фотоэффект — это фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения. Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени может происходить в любом веществе. Внешний фотоэффект лежит в основе работы электровакуумных фотоэлектрических приборов — электронных и газоразрядных фотоэлементов, а также фотоэлектронных умножителей.

Фотоэлемент — электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод и анод.

При наполнении фотоэлемента инертным газом (гелием, неоном и др.) появляется возможность повысить чувствительность прибора за счет несамостоятельного газового разряда. Такие фотоэлементы называются газоразрядными фотоэлементами. По сравнению с электронным в газоразрядном фотоэлементе световая чувствительность фотокатода увеличивается почти в 10 раз.

Фотоумножитель — это электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, анод и диоды для усиления фототока.

Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения — фоточувствительный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике.

Поток фотонов (фотон — элементарная частица, квант светового излучения), падающих на однородный полупроводник, создает внутри него значительное количество подвижных носителей заряда - электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Этот эффект используется в фоторезисторе.

Фоторезистор — фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения, сопротивление которого зависит от освещенности.

Важным показателем работы любого фотоприемника, в том числе фоторезистора, является влияние частоты модуляции (скорости изменения интенсивности) излучения на чувствительность прибора. Это явление оценивается граничной частотой.

Фотодиод - полупроводниковый диод с р-n переходом между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом, в котором поглощение излучения, происходящее в непосредственной близости перехода, вызывает фотогальванический эффект, который проявляется в создании ЭДС на его выводах.

 

27. Цифровые датчики. Кодирование. Оптические генераторы приращений.

(PS: собственная интерпретация ответа… не нашел ничего лучшего).

Цифровым выходом оснащаются высокотехнологичные датчики расстояния, измерители угловых перемещений (энкодеры), лазерные сканеры, системы промышленного зрения и т.п., которые преобразуют соответствующую изменяющуюся физическую величину в последовательность импульсов определенного формата. Цифровой выход полезен для производственных линий высокой степени автоматизации и интеграции.

Одним из примеров цифровых датчиков служат тензодатчики, которые могут быть определенным образом размещены на исследуемом объекте и проводным или беспроводным образом связываться с компьютером или считывающим устройством. Удобство цифровых датчиков связано с тем, что их сигналы можно обрабатывать на компьютере, что упрощает, ускоряет процесс обработки данных и увеличивает точность этих данных.

Кодирование. Информация, которую воспринимает и обрабатывает вычислительная машина, должна поступать в виде двоичного кода. Таким образом, сигнал измерительной информации должен быть переведен в цифровой вид. Для описания принципа кодирования обратимся к графику. На нем изображен некий сигнал, изменяющийся во времени. Параметры кодирования определяются интервалом, через который производится замер (сохранение значения величины в виде кода) и разрядом кода. Нужно помнить, что в двоичном коде нет дробных чисел, поэтому количество разрядов, т.е. делений на оси ординат напрямую зависит от необходимой точности (точность кодирования – 0,5 разряда).

В данном случае разрядность 2ⁿ = 2³. Т.е. выделяется 8 точек по оси ординат, верхняя соответствует максимальному сигналу на графике (если заранее невозможно прикинуть его величину, то берется с запасом), а нижняя - минимуму или нулю.

Таблица кода для данного случая будет выглядеть так:

 

№	код

 

Далее такой код обрабатывается с помощью программных средств и переводится в привычный для пользователя формат графика. Точность воспроизведения его на мониторе (бумаге) будет зависеть от заданного разряда. Если построить график по приведенной выше таблице, то он будет достаточно сильно отличаться от реального за счет малого числа разрядов и, следовательно, не высокой точности.