Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы ослабления оптического излучения с анализом динамического диапазона ослабления 11
1.1 Назначение ослабителей оптического излучения 11
1.2 Классификация методов ослабления оптического излучения 12
1.2.1 Диафрагменные методы ослабления 14
1.2.2 «Бугеровские» ослабители 15
1.2.3 Поляризационные ослабители 17
1.2.4 «Френелевские» ослабители 17
1.2.5 Рассеивающие ослабители 20
1.3. Анализ методов и схем ослабления оптического излучения 23
Выводы по главе 25
Глава 2 Принципы построения фотометрического ослабителя потока ИК - излучения с большим диапазоном коэффициента ослабления 25
2.1. Основные ослабляющие ступени и схема ФМО с большим диапазоном коэффициента ослабления 25
2.2 Определение величины потока излучения на выходе ослабителя 27
2.2.1 Методика определения потока излучения на выходе ослабителя 27
2.2.2 Частные варианты расчета схем ФМО 38
2.3 Использование фотометрического шара (ФМШ) в ИК-диапазоне спектра в качестве ФМО 42
2.3.1. Материалы для использования ФМШ в ИК-области спектра 46
2.3.2. Фотометрические свойства алюминиевых рассеивателей 50
2.3.3 Определение параметров 2-ой ступени ослабителя - ФМШ 51
2.3.4 Определение коэффициента пропускания ФМШ 53
Выводы по главе: 62
Глава 3 Разработка алгоритма и программы расчета спектральных коэффициентов ослабления, поляризационных и спектральных искажений излучения калибровочного излучателя в схемах ФМО 63
3.1. Алгоритм расчета спектральных характеристик ФМО 63
3.2 Программа расчета спектральных характеристик ФМО 65
3.2.1 Оценка поляризационных искажений излучения калибровочного излучателя «Френелевской» ступенью ФМО 67
3.2.2 Расчет спектрального ослабления «Френелевской» ступени ФМО 68
3.2.3 Расчет спектральных характеристик ФМО в схемах ослабителя с фотометрическим шаром 72
3.2.3.1 Спектральные характеристики ФМО с включением в схему фотометрического шара с покрытием внутренней полости из алюминия 72
3.2.3.2 Спектральные характеристики ФМО с включением в схему ФМШ с покрытием внутренней полости из серебра 81
3.2.3.3 Спектральные характеристики ФМО с включением в схему ФМШ с покрытием внутренней полости из меди 90
3.3 Анализ характеристик схем ФМО 99
Выводы по главе: 101
Глава 4 Описание разработанного ослабителя и метрологическое обеспечение измерения ослабления ФМО 102
4.1 Метрологические особенности «Френелевской» ступени ФМО 104
4.1.1 Выбор материалов ослабляющих элементов 105
4.1.2 Основные погрешности «Френелевских» ослабителей 109
4.2 Экспериментальное определение ослабления ФМО 113
4.2.1 Методика определения спектрального ослабления ФМО 113
4.2.2 Установка для измерения спектрального ослабления ФМО 117
4.2.2.1 Измерение линейности сигнальной энергетической характеристики ОАП 120
4.2.2.2 Градуировка спектрометра ИКС-21 121
4.2.3 Результаты измерений спектрального ослабления ФМО 123
Выводы по главе: 126
Заключение 127
Список литературы: 128
Приложения 133
- Классификация методов ослабления оптического излучения
- Определение величины потока излучения на выходе ослабителя
- Программа расчета спектральных характеристик ФМО
- Экспериментальное определение ослабления ФМО
Введение к работе
Промышленность, наука, медицина, сельское хозяйство и многие другие области человеческой деятельности нуждаются в оптических приборах, способных работать в экстремальных условиях космоса или моря, во время полета или полевых работ. Такие приборы обязаны выполнять свои функции автоматически, без участия человека. Оптические приборы, роль человеческого глаза в которых выполняет фотоприемник и которые называют оптико-электронными приборами и системами (ОЭПиС), должны работать исключительно надежно, поэтому и входящие в их состав компоненты необходимо предварительно испытать, калибровать и аттестовать в лабораторных условиях, имитирующих экстремальные условия их планируемого использования. Актуальность работы
Большая часть ОЭПиС работает в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. Для лабораторных испытаний, аттестации и энергетической калибровки таких ОЭПиС необходимы эталоны: эталонные источники ИК-излучения, эталонные приёмники. В лабораторных установках и стендах для испытания ОЭПиС ИК - диапазона в качестве эталонного источника обычно используются высокотемпературные калибровочные излучатели типа "черное тело" (ЧТ).
Работа ОЭПиС в экстремальных условиях обычно предполагает использование излучения естественных источников излучения, создающих широкий динамический диапазон облученностей входного окна прибора или системы: Iff6 - Iff12 [Вт/слі2]. Удаление источника излучения может имитироваться путём уменьшения облученности входного окна. Для изменения облученности входного окна системы в широком динамическом диапазоне калибровочные источники типа ЧТ в лабораторных установках дополняют ослабителями оптического излучения.
Ослабителем (по-латински attenuator - аттенюатором) называется оптическое устройство, предназначенное для уменьшения в требуемое число раз потока (энергии, освещенности, облученности, энергетической яркости) оптического излучения. Ослабитель оптического излучения, используемый в фотометрических целях, назовём фотометрическим ослабителем (ФМО).
Используемые в настоящее время принципы и методы, положенные в основу создания ослабителей, весьма разнообразны, а предъявляемые к ним требования по точности воспроизведения всех характеристик исходного излучения столь высоки, что задача настоящей диссертационной работы: систематически изучить и проанализировать принципы и методы ослабления оптического излучения, - весьма актуальна.
Цель работы и основные задачи исследования
Целью диссертационной работы является исследование методов ослабления оптического излучения и разработка, на их основе, схем ослабителей с коэффициентами ослабления большого динамического диапазона, составление алгоритмов и программ расчета ослабления, а также оценка влияния характеристик ослабителя на состав, спектральные и поляризационные искажения ослабленного излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач.
Анализ существующих методов и схем ослабления оптического излучения с точки зрения возможности применения их для получения большого динамического диапазона коэффициента ослабления ИК-излучения.
С позиции системного подхода создание единой методики оценки ослабления оптического излучения в схеме ФМО.
Выбор оптических схем ФМО, сохраняющего пространственную структуру ослабляемого пучка лучей в широком динамическом диапазоне коэффициентов ослабления.
Разработка конструкции ФМО, обеспечивающего ослабление ИК-излучения с большим динамическим диапазоном коэффициентов ослабления при сохранении пространственной структуры ослабляемого пучка лучей и при минимальных спектральных и поляризационных искажениях последнего. Реализация разработанной конструкции ФМО в металле.
Создание методики оценки селективности разработанных схем ФМО.
Разработка алгоритма и программы расчета спектрального ослабления с оценкой спектральных и поляризационных искажений, вносимых элементами ФМО в состав излучения ЧТ, а также алгоритма и программы расчета ослабления потоков излучения схемами ФМО и на их основе - программы расчета спектральных и поляризационных искажений, вносимых в излучение ИК - источников схемами ФМО.
Разработка методики экспериментального определения спектрального ослабления ФМО и проведение его измерений в предложенных схемах ослабителя в диапазоне длин волн X = 1,0 - 5,5 мкм.
Методы исследования
В теоретической части работы использовались методы энергетической фотометрии, интегрального исчисления и математической статистики.
Эксперименты выполнялись с использованием спектральной оптико-электронной аппаратуры. Обработка результатов экспериментов проводилась по стандартным методикам. Научная новизна диссертации
Созданы ФМО, обеспечивающие ослабление ИК-излучения с большим динамическим диапазоном коэффициента ослабления при сохранении пространственной структуры ослабляемого пучка лучей.
Разработана единая методика оценки ослабления оптического излучения в ФМО.
Проведена оценка спектральных и поляризационных искажений, вносимых в ослабляемое излучение источников разными элементами ФМО в диапазоне X = 1,0 - 5,5 мкм.
Разработаны алгоритм и программы расчета ослабления ИК-излучения ФМО с оценкой вносимых ослабителем спектральных и поляризационных искажений. Основные научные результаты, выносимые на защиту
Принципы построения фотометрических ослабителей (ФМО) потока излучения с большим диапазоном коэффициента ослабления.
Методика расчета ослабления в схеме оптического ослабителя потока источника излучения.
Схемы оптического ослабителя, обеспечивающие ослабление потоков с большим динамическим диапазоном коэффициента ослабления при сохранении пространственной структуры ослабляемого пучка лучей в интервале длин волні. = 1,0- 5,5 мкм.
Методика расчета спектральных коэффициентов ослабления схем ослабителя и оценки спектральных искажений ослабляемого излучения.
Алгоритмы и программа расчета ослабления схемами ослабителя с оценкой спектральных и поляризационных искажений, вносимых в ослабляемое излучение в спектральном интервале X — 1,0 -5,5 мкм.
Методика экспериментального определения ослабления ФМО. Практические результаты работы
Разработаны, изготовлены и исследованы оптические ослабители, обеспечивающие большой динамический диапазон коэффициентов ослабления в спектральном интервале 2.=1,0-5,5 мкм.
Созданы методика, алгоритм и программы расчета ослабления излучения схемами ослабителя с оценкой спектральных и поляризационных искажений, вносимых последними в излучение источников.
3. Разработана методика экспериментального определения ослабления представленного
ФМО.
Реализация результатов работы
Работа выполнялась в СПб ГУ ИТМО на кафедре оптико-электронных приборов и систем. Работы по созданию фотометрических ослабителей велись в рамках научно-исследовательских тем с Научно-Исследовательским Институтом комплексных Испытаний оптико-электронных приборов и систем (НИИКИ ОЭП) ВНЦ АО ГУП 'ТОЙ им. СИ. Вавилова".
Результаты работы использованы на Федеральном Государственном унитарном предприятии «Научно-Исследовательский Институт комплексных испытаний оптико-' электронных приборов и систем» (ФГУП НИИКИ ОЭП), а также в учебном процессе кафедры оптико-электронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО при подготовке и создании лабораторного практикума по курсу «Источники и приемники излучения». Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на 10 научно-технических конференциях и семинарах:
IV Всесоюзном семинаре по тепловым приемникам излучения, Москва, 1986; XXVI Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ЛИТМО, 1986;
Всесоюзной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур», Харьков, 1986;
Всесоюзной научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур», Харьков, 1990;
Всесоюзном семинаре «Оптические и оптико-электронные приборы для точных угловых
и линейных измерений», Саратов, 1990;
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ЛИТМО,
1990;
Юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского
состава СПб ГИТМО (ТУ), С.Петербург, 2000;
Семинаре на международной конференции "Прикладная оптика - 2000" (17-20 сентября
2000 года, Санкт-Петербург);
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГУ
ИТМО, 2004;
Конференции «Оптика и образование - 2004» Международного конгресса «Оптика ХХП»
(18-21 октября 2004 года, Санкт-Петербург).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 16 печатных работ и 8 отчетов по научно-исследовательским работам.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 74 наименований и семи приложений, содержит 132 страницы основного текста, 81 рисунок и 35 таблиц.
В первой главе нашла отражение характеристика задач, решаемых при ослаблении оптического излучения. Приведены наиболее часто применяемые в составе методы и схемы ослабления оптического излучения, проведен их анализ с точки зрения сравнения динамического диапазона коэффициентов ослабления и спектральных характеристик, выделен круг задач, подлежащих решению.
Вторая глава посвящена описанию методики оценки ослабления потока излучения в схемах ФМО и предложены схемы ослабителя с большим диапазоном коэффициентов ослабления. В ней определена единая система построения ФМО. Раскрыто конкретное содержание каждой схемы предлагаемых ФМО, приведены параметры и характеристики этих схем.
В третьей главе приводится алгоритм, программа и результаты расчета спектрального ослабления (СО) потока излучения, анализ ослабления в предложенных схемах ФМО, включающий оценку спектральных и поляризационных искажений, вносимых схемами ФМО, в состав излучения калибровочного источника.
В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с метрологическим обеспечением аттестации и измерения параметров и характеристик ФМО, метрологических особенностей ступеней ФМО. Приводится анализ основных погрешностей. Рассмотрены вопросы экспериментальной проверки достоверности полученных теоретических результатов, описываются методика и установка экспериментального определения спектрального ослабления различных схем ФМО.
Классификация методов ослабления оптического излучения
В настоящее время ассортимент ослабителей столь значителен, что появилась необходимость в их классификации [15, 16, 42]. Правильность выбора принципа ослабления и знание его свойств определяют простоту будущей конструкции, точность устройства, его надежность и применимость для той или иной задачи. В основу классификации принципов ослабления энергии оптического излучения, надо положить физические законы, позволяющие рассчитывать энергию Qe, излученную площадкой S/ на облучаемую площадку ,&:
гді&:Ье..(Я) - спектральная плотность энергетической яркости излучающего элемента dSi площадки Si по направлению к облучаемому элементу dSj площадки S?, Т.- (Л) обобщенный спектральный коэффициент пропускания среды на расстоянии % определяемый законами поглощения, рассеяния и отражения излучения; //, - расстояние между элементами dSi и dSy, щк (ft- углы между осью луча элементарного светового потока и нормалями, соответственно к элементам dSi и dS/, Л - длина волны излучения, t - время излучения потока.
Исходя из выше изложенного ослабители подразделяют:A. По характеру изменения величины коэффициента ослабления:? дискретные;? плавные;постоянные.
B. По спектральным свойствам различают ослабители:? селективные;? нейтральные.Для селективных ослабителей параметром, по которому они также могут оцениваться, следует считать спектральный коэффициент ослабления. Спектральный коэффициент ослабления потока излучения К (Л), проходящего через ФМО, есть параметр, значение которого определяется как отношение величины выходящего из ослабителя потока излучения Фвых(Л) на данной длине X волны (энергии, облученности, энергетической яркости) к соответствующему значению величины потока (энергии, облученности, энергетической яркости) на входе ослабителя Ф (Л):
C. По изменению характеристик излучения при ослаблении отличают: ослабители, не меняющие структуру пучка излучения (направление, поляризацию, расходимость, когерентность и т.д.); ослабители, меняющих эту структуру. D. По точности установленного значения коэффициента ослабления ослабители делят на: ? прецизионные (эталонные, образцовые); ? измерительные (рабочие); ? грубые. Образцовые ослабители - наиболее точные приборы, подлежащие хранению в метрологических лабораториях и предназначенные для поверки самых распространенных - измерительных ослабителей. Грубые ослабители имеют ограниченное применение, их используют для грубой регулировки уровня сигнала, а также для согласования оптического излучения с чувствительностью данного приемника. E. По принципам (способам, методам) ослабления. ФМО строятся на: ? применении закона квадратов расстояний; ? применении сложения величин; ? применении закона косинусов (для облучения); ? прерывистом освещении (правило Тальбота); ? использовании явления поляризации излучения; ? изменении площади излучающей поверхностей или сечения пучка излучения; ? использовании явления поглощения и рассеивании излучения средой; ? изменении энергии излучения при отражения от зеркальных поверхностей; ? комбинации линз и диафрагм; ? изменении яркости лучей в рабочем пучке излучения; ? способе полутеней; ? применении фотометрических сеток. Правильность выбора принципа ослабления и знание его свойств определяют простоту будущей конструкции, точность устройства, его надежность и применимость для той или иной задачи. Остановимся на ряде из них, заслуживающих внимания при разработке ФМО ИК-излучения. 1.2.1 Диафрагменные методы ослабления Уменьшение площади излучающей поверхности или диаметра пучка излучения, падающего на приемник, приводит к ослаблению потока излучения. Существуют различные конструкции ослабителей, меняющих площадь сечения, при этом облученность считается постоянной [15, 25, 42]. К этим устройствам относятся: диафрагмы точечные; диафрагмы ирисовые; диафрагмы щелеобразные; диафрагмы клиновые, гребенчатые (прямые, круговые); диафрагмы секторные; диафрагмы многодырочные; жалюзи, ласточкины хвосты, сетки; диафрагмы шторковые. Многие из этих устройств характеризуются переменным пропусканием. Достоинства перечисленных ослабителей - простота конструкции, малая селективность. При больших коэффициентах ослабления: Косл 40Дб, - требуется их
градуировка. Для увеличения коэффициента ослабления стремятся уменьшить размер диафрагм. Максимальный размер диаметра отверстий Di определяется размером излучающего тела или диаметром пучка, а минимальный диаметр dj зависит от возможностей технологии изготовления отверстия и от свойств ослабляемого пучка.
В качестве расчетных ослабителей, предназначенных для точного ослабления света, используются диафрагмы с отверстиями диаметром dt 0,5ММ. Погрешность ослабления с помощью точечных диафрагм обусловлена: неточностью измерения диаметра отверстия; дифракцией на отверстии; неровностью кромки, ее овальностью и кратерообразностью; конечностью толщины диафрагмы. Существенным недостатком данной группы ослабителей является искажение пространственной структуры излучения за счет отрезания части оптического пучка по периферии за пределами диафрагмы. 1.2.2 «Бугеровские» ослабители «Бугеровские» ослабители основаны на явлении поглощения и рассеивании излучения средой, пропускание которой можно рассчитать по закону Бугера [44]. К ослабителям такого типа относятся: линейные и круговые клинья;
Определение величины потока излучения на выходе ослабителя
Одной из задач при разработке ФМО является теоретическая оценка величины обеспечиваемого коэффициента ослабления разрабатываемого устройства. С этой целью рассмотрим первоначально методику оценки ослабления оптического сигнала последовательно каждой ступенью схемы ФМО. Данная методика, в конечном счете, позволяет определить расчетным путем величину потока оптического излучения на выходе ФМО, построенного по схеме двухступенчатого прибора с элементами перепроектировки с сохранением исходного раствора пучка лучей. Методика составлена для наиболее общего пространственного и спектрального распределения проходящих через элементы ослабителя потоков, а также для практически возможных частных случаев, существование которых должно быть предварительно доказано. 2.2.1 Методика определения потока излучения на выходе ослабителя
Рассмотрим последовательно преобразование потока излучения, поступающего в схему ослабителя от исходного излучателя О (рис.2.2.1), имеющего малую излучающую диафрагму d„. При заданной индикатрисе 1е(а,Р) (рис. 2.2.1) и функции спектрального распределения силы излучения этого излучателя, поток излучения в апертуре пучка с размерами 4аф0 [cpj, в плоскости OjyiZi (рис. 2.2.1) определяется по функции распределения облученности в этой плоскости. Облученность в некоторой точке A(yiZi) выражается законом обратных квадратов расстояний [1, 46]: меридиональной и сагиттальной плоскостях пучка, ориентированных сечением плоскости o/yjZi; Р0 - угол между вектором максимальной силы излучения 1еоо и нормалью к плоскости o0yoZo (определяется аналогично углу ф через составляющие в плоскости О0уог0У, - приведенная к плоскости 01y1Zt сила излучения калибровочного излучателя; ехтахvP + Фо)" максимальная спектральная плотность силы излучения; /еД[Я,ф + (ро) - нормированная функция спектральной плотности силы излучения; Т уЯ) - функция спектрального коэффициента пропускания среды шириной / = l{l]fyetZ0,y]tZ]). Поток излучения в апертуре пучка 4Ct0,J3g, исходящий из плоскости Oiy1Z1: ах - эквивалентный интервал длин волн излучения источника, приведенного к «выходу» -плоскости O JZJ (на пути 12), 2уу,2уг- линейные размеры действующего пятна на зеркале 1, рис. 2.2.1. Если спектральный состав излучения не изменяется в пределах рассматриваемой апертуры пучка где: 1еЛтах - максимальная спектральная плотность силы излучения в направлении, совпадающем с вектором максимальной силы излучения 7е00, рис. 2.2.1, Ff \ р+д 0) -нормированная индикатриса излучения. Для случая круглой входной апертуры перепроектирующего элемента - зеркала 1, рис.2.2.1, выражение (2.2.4) удобнее записывать в полярных координатах [1]: т.е. выражение (2.2.5) должно записываться с подстановкой вида (2.2.9) и величиной Га (радиус пятна рассматриваемого пучка в плоскости 0}у ,). Для источника, излучающего по закону Ламберта [18] справедливо: FT \ф + ф0)=\(р+ф0) - и выражение (2.2.7) в линейных координатах плоскости 0t ytZt, примет вид: где: / = 1ехтах,ДЯ-яр или в полярных координатах плоскости OtyjZ,: Заметим, что в схеме ослабителя предполагается осевая юстировка эталонного излучателя О, поэтому в расчетных формулах можно принять у0 = z0 = 0 с погрешностью юстировки. Имея в виду точное согласование апертур [ "у. ,га,гЛ пучков по нулевым лучам исходного пучка Р0,а0, поток на выходе первой ступени ослабителя определим по величине входного сигнала и спектральному коэффициенту пропускания первой ступени ослабителя Г7(я): т7(я)= т1г(я)р1(я)р2(л)рк1 (я)рк2(я); где: р Л), р2(л), A/vO» Рк2\А) спектральные коэффициенты отражения первого, 2-го, Кі-го, Кг-го элементов оптической схемы (рис.2.2.1), соответственно [36,44]. В предположении неизменности спектрального состава потока излучения от направления лучей в пучке, целесообразно далее перейти (при условии согласования апертур) к нормированным спектральным характеристикам излучения. Относительное спектральное распределение излучения на выходе первой ступени ослабителя найдем по исходному распределению силы излучения ї уЯ) и спектральным коэффициентам пропускания сред /, 1112 и элементов 1 и I ослабителя [44], рис. 2.2.3. где я - число элементарных участков равной протяженности, на которые разбивается весь значимый диапазон длин волн АХ функции q eii(fy, рис.2.2.3.
Поток на выходе второй ступени ослабителя определяется в виде: , = где Фшь " монохроматический поток излучения, сосредоточенный в малом q-ом интервале длин волн dX, рис.2.2.4, а: Монохроматическая облученность выходной диафрагмы второй ступени ослабителя: где Фли1 определяется в виде ряда р - значений по (2.2.14) с учетом (2.2.15), Sn -есть площадь внутренней поверхности фотометрического шара II, а тц (X) для каждого q-ого (тр малых интервалов dX) интервала dX определяется в виде 0eAqndX.. Используя результат расчетов (2.2.16), можно далее получить функцию спектрального распределения облученности выходной щели второй ступени йвых в абсолютных значениях, рис.2.2.5, как серию Р значений монохроматических (в малом интервале длин волн dX ) облученностей. Если известно распределение облученности по площади излучательной диафрагмы йвых, рис.2.2.1, т.е. известна функция Ее&хц, то, построив по (2.2.17) функцию ЕШ(Х) (рис.2.2.5), можно определить интегральную (энергетическую) облученность выходной диафрагмы ступени II. Поскольку для определения потока излучения на выходе перераспределяющего звена 3 потребуется переход к индикатрисам излучения выходного отверстия шара в форме четырехмерного распределения спектральной энергетической яркости (2.2.1 8) LXSb. или двумерной индикатрисы силы излучения: ЄЛХЦІ(РІІ( ІІ УІІ) + РІІ/ с такой же величиной площади излучающей щели Sd, рис.2.2.6, тогда можно с достаточной точностью принять щель за точечный излучатель (мал телесный угол, определяемый углом dd). В варианте малого угла dd исходным для дальнейших расчетов является вид индикатрисы: где К = " - нормированная по величине максимального вектора силы излучения Є II 1 , индикатриса излучающей диафрагмы шара, срн - угол между максимальным вектором индикатрисы IdI и плоскостью, касательной к поверхности шара в точке, совпадающей с центром выходной диафрагмы Sd. Расчет величины потока, проходящего через входной зрачок измерительного устройства d , согласованного с апертурой проходящего пучка, проводится в порядке и по формулам (2.2.1) - (2.2.12), записанным для этой части схемы, т.е. в координатах OJJYUZJJ излучателя и 03y3z3 облучаемого звена 3 и с учетом замечания по юстировке системы в части равенства уп — zll = 0 (аналогичному равенству). Дальнейший переход к входному зрачку измерителя осуществляется по формулам (2.2.12) - (2.2.15). В варианте, когда dd не может быть принят малой величиной, за исходную спектральную характеристику излучения выходной щели шара должна быть взята фуНКЦИЯ Спектральной Энергетической ЯрКОСТИ ЬейХЦ (Xs/rZ/ffP/f + фи) В этом случае излучающая диафрагма (dtux) представляется серией элементарных излучателей, а излучение диафрагмы представляется серией одномерных функций (разрезов) LeAXII(zII,g „+q)II), перекрывающих диафрагму вдоль оси уц\ график каждой реализации функции LeAXU(zII, pII +q n) представляется при этом конечной совокупностью графиков элементарных излучателей, обладающих силой излучения: где Jff = J//(/j/tZ/f,ys,z3) - угол, характеризующий положение плоскости излучателей элементарной площадки dSII=dyI1dzII выходной диафрагмы шара относительно облучаемой точки В элемента 3 ослабителя, рис.2.2.7, а функция: Ьедл1Ьр(УтЪщФп + Ри) описывает индикатрису излучения в рассматриваемом элементе с координатами центра (уц, zn ). Используя (2.2.18) в выражении (2.2.4), получим элементарный поток в действующем апертурном угле оптического элемента 3 в центре рассматриваемого элемента излучателя (выходной диафрагмы) dSf/, т.е. выходной апертуры, а а ограниченной углами d l} ,d% Гг где: LXmaxIJ(yn,zIT) - максимальная спектральная плотность энергетической яркости элемента dSn в направлении, совпадающем с вектором максимальной энергетической яркости LeII , Fu(y//ІІҐ/ІФИ+ФНФ) - нормированная функция пространственного распределения энергетической яркости элемента dSIf, a A np3(yI/,zII,g}// + g //g) определяется как: АХ Полный поток на элементе 3 от всей излучающей диафрагмы излучателя, проходящий через входную диафрагму dtxu, определим суммированием элементарных потоков
Программа расчета спектральных характеристик ФМО
Для определения спектральных и поляризационных характеристик ФМО использовались следующие формулы, приведенные в таблице 3.1 [34]. Расчет спектральных и поляризационных характеристик «Френелевских» элементов выполняется с помощью специальной программы, написанной на языке TURBO PASCAL 7.0 (см. Приложение 1), разработанной в соответствии с алгоритмом, приведенным в 3.1. Для функционирования программы необходимо после её запуска ввести по запросу компилятора следующие данные: 1. Количество длин волн, необходимых для исследования (шт.); 2. Значения длин волн, необходимых для исследования (мкм); 3. Массив_1: показатели преломления первого исследуемого стекла относительно введённых ранее длин волн; 4. Массив_2: показатели преломления второго исследуемого стекла относительно введённых ранее длин волн; 5. Массив_3: показатели преломления для третьего исследуемого стекла относительно введенных ранее длин волн; 6. Массив_4: спектральные коэффициенты отражения алюминия относительно введённых ранее длин волн. Далее программа осуществляет расчет следующих параметров: - Спектральные коэффициенты отражения (СКО) для стёкол Массива_1, Массива_2 и Массива_3; - Степень поляризации излучения по длинам волн; - Ослабления различных вариантов схемы ФМО, а именно: 0(1) — схема, содержащая четыре зеркала с покрытием из алюминия (без ослабляющих элементов); 0(2) - система из трёх зеркал и одного клина из стекла СТК19; 0(3) - система из трёх зеркал и одного клина из стекла БФ28; 0(4) - система из трёх зеркал и одного клина из стекла К14; 0(5) - система из двух зеркал и двух клиньев из стекла СТК19; 0(6) - система из двух зеркал и двух клиньев из стекла БФ28; 0(7) - система из двух зеркал и двух клиньев из стекла К14. - Величины спектральных искажений, выраженных в процентах. Входные данные и результаты расчётов выводятся в виде таблиц, а именно: 1. Таблица длин волн, показателей преломления стекол, из которых изготавливаются «френелевские» ослабляющие элементы; 2. Таблица спектральных коэффициентов отражения алюминия и стекол, коэффициенты преломления которых, приведены в Приложении; 3. Таблица степени поляризации ослабленного «Френелевским» элементами излучения; 4. Таблица спектрального ослабления семи вариантов схем ФМО; 5. Таблица спектральных искажений, вносимых ФМО в состав ослабляемого излучения. Данные и результаты расчетов степени поляризации излучения, отраженного от стекол СТК19, БФ28 и К14, полученные из программы, описанной в 3.2, приведены в таблицах Приложения 3. Графики степени поляризации излучения, отраженного от «Френелевского» элемента (клина), изготовленного из исследуемых стекол (при угле падения параллельного пучка лучей f = 7) приводятся ниже.
Результаты расчетов спектрального ослабления «Френелевской» ступени ФМО в соответствии с программой, описанной в 3.2, приведены в таблицах Приложения 4. Ниже приводятся графики, иллюстрирующие полученные результаты. Условные обозначения: N— номер схемы ФМО, 01 - СО схемы ФМОЯ, не включающей ослабляющих элементов, т.е. с использованием клиньев, имеющих переднюю отражающую грань, покрытую алюминием (N-1); 02- СО схемы ФМО, включающей один «френелевский» ослабляющий элемент - клин из стекла СТК-19, второй клин - с алюминием N =2); ft?-СО схемы ФМО, включающей один «френелевский» ослабляющий элемент — клин из стекла БФ-28, второй клин - с алюминием (iV=3); - СО схемы ФМО, включающей один «френелевский» ослабляющий элемент - клин из стекла К-14, второй клин - с алюминием (N=4); График 3.2.10 СО системы из двух зеркал и двух клиньев и стекла марки KI4 Результаты расчетов спектральных искажений 5, первой ступени ослабления ФМО при использовании клиньев 2 (см.схему на рис.2.2.2) из различньк оптических Величины спектральных коэффициентов ослабления и спектральных искажений при использовании в схеме ФМО одновременно "Френелевской" ступени и ФМШ определим по формулам, выведенным в соответствии с методикой, описанной в 3.2: где: Косл.фР. — коэффициент ослабления «Френелевских» элементов; Косл.ш. - коэффициент ослабления фотометрического шара. Величина спектральных искажений, вносимых шаром, определяется материалом покрытия внутренней поверхности. Рассмотрим три типа покрытий, выполненного из: алюминия, серебра и меди, - нанесенных на внутреннюю поверхность ФМШ, обработанную электрокорундом. Далее с помощью анализа полученных данных, а именно коэффициентов ослабления и величины спектральных искажений, возникающих в результате использования того или иного материала, выберем лучший материал с точки зрения технической и экономической реализации.
Спектральный коэффициент отражения алюминия рд АІ - величина справочная [б], график 2.3.11, найдем ослабления шара и отобразим эти данные в таблице 3.2.2 (радиус шара 40 мм) и на графике 3.2.11. Среднее значение ослабления шара: 5924,4, Спектральные искажения: 3=61,19%. Результаты расчетов для схемы, состоящей из двух зеркальных объективов, двух клиньев из стекла СТК-19 и ФМШ (алюминий), приведены в таблице 3.2.3. Значения ослабления «Френелевских» элементов приведены в таблице 3.2.1 (график 05). Отобразим изменение ослабления по спектральному диапазону для схемы с двумя зеркальными объективами, двумя клиньями из стекла СТК-19 и ФМШ (алюминий) на графике Результаты расчетов для схемы, состоящей из двух зеркальных объективов, двух клиньев из стекла БФ28 и ФМШ (алюминий), приведены в таблице 3.2.4. Значения ослабления «Френелевских» элементов приведены в таблице 3.2.1 (график Об). Определим величину спектральных искажений при использовании данной схемы ослабления: 8 = 50.08%. Результаты расчетов для схемы, состоящей из двух зеркальных объективов, двух клиньев из стекла К14 и ФМШ (алюминий), приведены в таблице 3.2.5. Значения коэффициента ослабления «Френелевских» элементов приведены в таблице 3.2.1 (график К7). Отобразим изменение ослабления по спектральному диапазону для схемы с двумя зеркальными объективами, двумя клиньями из стекла К14 и ФМШ (алюминий) на графике 3.2.14. Определим величину спектральных искажений при использовании данной схемы ослабления: 3 = 44.04%.
Экспериментальное определение ослабления ФМО
На основе выше приведенных теоретических предпосылок с целью определения характеристик различных схем изготовленного ФМО была разработана методика экспериментального определения ослабления ФМО. На основании предложенной методики была создана установка для измерения спектральных коэффициентов ослабления ослабителя, рис. 4.5, на которой был проведен эксперимент по их определению. 4.2.1 Методика определения спектрального ослабления ФМО
Методика определения спектрального коэффициента ослабления ослабителя потока оптического излучения составлена в соответствии с требованиями ГОСТ 8.207 — 76 [ 22]. Под спектральным коэффициентом ослабления ФМО будем понимать отношение монохроматической яркости лучей на выходе ослабителя для режима минимума ослабления к монохроматической яркости лучей на выходе ослабителя при введении ослабляющих элементов ("Френелевских" клиньев и/или ФМШ). 1. Назначение методики. 1.1. Настоящая методика предназначена для определения спектрального ослабления (СО) ФМО. 1.2. Методика предусматривает выполнение комплекса измерений в объёме, достаточном для определения СО ФМО, а также его периодической проверки. 1.3. Определение СО ФМО производится путём измерения пропускания оптической схемы ослабителя с разным набором ослабляющих клиньев. 1.4. Расчёт погрешности определения СО осуществляется в соответствии с 2. Требования к условиям применения методики. 2.1. Климатические условия окружающей среды, в которых определяют СО ослабителя, должны быть следующими: - температура, С - 20±5 - относительная влажность, % - 65±15 - атмосферное давление, Па - 99990±4000. 2.2. В помещении, предназначенном для определения СО ослабителя, или вблизи этого помещения не допускается размещение источников магнитных и электрических полей, оказывающих воздействия на средства измерения. 3. Оборудование и приборы. 3.1. Для определения ослабления следует применить измерительные приборы и вспомогательные устройства, входящие в установку, структурная схема которой приведена на рис. 4.6. 3.1.1. Спектрометр ИКС-21. 3.1.2. Прибор оптико-акустический ОАП-5М. 3.1.3. Регистрирующий прибор к измерительной головке ОАП-5М, цифровой вольтметр Щ1413. 3.1.4. Согласующая оптическая система (объектив с фокусным расстоянием f =150 мм и конденсор). 3.1.5. Универсальный юстировочный столик марки АЕЛ2.787.001. 3.1.6. Набор нейтральных фильтров. 3.1.7. Рулетка по ГОСТ 7502-69 или ГОСТ 119006-66. 3.1.8. Допускается применение измерительных средств и оборудования, имеющих характеристики и параметры не хуже, чем у рекомендованных. 3.2. Все измерительные приборы и вспомогательные устройства, входящие в состав установки, должны быть проверены и аттестованы в соответствии с требованиями ГОСТ 8.002-71 [20]. 3.3. Для уменьшения погрешности определения СО ослабителя необходимо соблюдать следующие условия: 3.3.1. Конструкция установки должна обеспечивать постоянство оптического хода луча при замене ослабляющих элементов в ослабителе. 3.3.2. Следует исключить или учесть влияние рассеянного излучения. 3.3.3. Измерительный приёмник оптического излучения должен быть неселективным в исследуемом спектральном диапазоне. 3.3.4. В процессе измерений необходимо дополнительно регулировать уровень засветки входного окна измерительного приёмника с целью обеспечения работы последнего в линейной зоне его сигнальной характеристики. 4. Подготовка к выполнению измерений. 4.1. Установку к работе готовят в соответствии с ТО на измерительные приборы и вспомогательные устройства, входящие в установку, рис.4.6. 4.2. Проверку юстировки оптической схемы установки со спектрометром ИКС-21 осуществляют на длине волны 1=0,63 мкм и с шириной щели 1Щ = 4 мм. При этом изображение щели должно проецироваться на входном окне приёмника ОАП-5М. 4.3. Предварительно проводят юстировку оптической схемы ослабителя яркости с различным набором ослабляющих элементов. 5. Выполнение измерений. 5.1. Устанавливают необходимую длину волны. 5.2. Устанавливают необходимую ширину щелей спектрометра. Ширина щелей выбирается в зависимости от разрешающей способности установки, а также точности измерений. 5.3. Устанавливают нейтральный светофильтр перед входной щелью монохроматора спектрометра ИКС-21, в схеме ослабителя устанавливают все зеркала (без ослабляющих элементов), на каждой исследуемой ширине волны измеряют сигнал на приёмнике излучения и записывают в таблицу.5.4. Снимают фильтр. Заменяют в схеме ослабителя последовательно зеркала на ослабляющие элементы и в каждой исследуемой длине волны измеряют сигнал на приёмнике излучения и записывают в таблицу.5.5. Для определения ослабления выполняют не менее 5 серий измерений для каждого ослабляющего элемента для всего исследуемого спектрального диапазона.6. Обработка результатов измерений.6.1. Для каждой длины волны находят среднее арифметическое значение сигнала и рассчитывают спектральное ослабление О ох,:где U х,з - среднее арифметическое значение сигнала для каждой длины волны (X) при работе ФМО в режиме минимального ослабления (т.е. в оптической схеме ослабителя - все зеркала). Ux,oj - среднее арифметическое значение сигнала для каждой длины волны (А) при установленном в схеме ослабителя у-ом ослабляющем элементе, тф -пропусканиенейтрального фильтра.6.2. Основную суммарную погрешность определения ослабления в исследуемом спектральном диапазоне, состоящую из основной погрешности, зависящей от свойств самой установки и среднего квадратичного отклонения результатов его измерения, рассчитывают по формуле:где ег„- оценка среднего квадратичного отклонения результата измерений за счётнестабильности работы приёмника излучения, 0"и - оценка среднего квадратичного отклонения результата измерений за счёт нестабильности яркости источника излучения,GX - оценка среднего квадратичного отклонения результата градуировки аппаратуры подлинам волн, &р - оценка среднего квадратичного отклонения результата измерений за счётрассеянного излучения, Уе - оценка среднего квадратичного отклонения результата измерений за счёт неравномерности облучённости в плоскости входного окна приёмникаизлучения, &ф - оценка среднего квадратичного отклонения результата измерений за счётселективности нейтрального фильтра.
Величина оценок, составляющих погрешности измерений ослабления и способы их определения приведены в таблице 4.2.1. 4.2.2 Установка для измерения спектрального ослабления ФМО
Для получения рабочих спектральных характеристик фотометрического ослабителя были проведены сравнительные измерения ослабления потока излучения различными элементами оптической схемы ослабителя. Измерения проводились на установке (Фото рис. 4.5), созданной в соответствии с разработанной методикой испытаний ослабителя оптического излучения (см. 4.4). Результаты измерений приведены в протоколе испытаний ослабителя ОЯ-083 (см. приложение).
Источником излучения при измерении спектральных коэффициентов относительного ослабления ослабителя яркости служит глобар Г [19], нагретый до температуры 1400С. Яркость глобара поддерживалась на одном и том же уровне с помощью специальной системы стабилизации яркости глобара (ССЯГ) (см рис 4.7). Нестабильность яркости излучения глобара при использовании этой системы не превышает 1%, что дает возможность применения такого источника для проведения прецизионных фотометрических измерений.
Поток излучения глобара Г, помещенного в плоскость входной диафрагмы ослабителя, рис. 4.6 а, проходит через оптическую схему ФМО и дополнительную (перепроецирующую) оптическую систему (ДОС), далее модулируется дисковым модулятором (М) и попадает на входную щель монохроматора ИКС-21, Это излучение в выделенном монохроматором спектральном интервале воспринимается оптико-акустическим приемником излучения ОАП-5М (ОАП). Выходная щель монохроматора (ИКС) перепроецируется на чувствительную площадку ОАП оптической системой, содержащей два зеркала (сферическое и плоское). Сигнал с ОАП поступает в блок обработки и регистрации (БОиР), к выходу которого подключен
Похожие диссертации на Разработка и исследование ослабителей оптического излучения
