Источники оптического излучения

Содержание

Введение

1. Источники излучения

1.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации

1.2 Симметричные и несимметричные источники излучения

1.3 Источники с различным спектральным распределением энергии

1.3.1 Тепловые источники излучения

1.3.2 Газоразрядные источники

1.3.3 Источники излучения на основе явления люминесценции

1.3.4 Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Заключение

Список литературы

Введение

Полиграфия, занимающаяся записью и размножением изобразительной информации на твердых носителях (бумаге и упаковочных материалах), тесно связана со светотехникой, поскольку практически в любой репродукционной технологии, используемой полиграфическим производством, производится запись изображения с помощью оптического излучения (света). Источники света востребованы во всех областях человеческой деятельности - в быту, на производстве, в научных исследованиях. В зависимости от той или иной области применения к источникам света предъявляются самые разные технические, эстетические и экономические требования, и подчас отдается предпочтение тому или иному параметру источника света или сумме этих параметров.

Светотехника занимается теоретическим изучением процессов получения, преобразования и регистрации оптических излучений, а также решением разнообразных задач, связанных со светом. В частности, к ним относится разработка источников излучения различных типов, оптических инструментов и приборов, предназначенных для преобразования излучений. Светотехника занимается также приемниками излучения, предназначенными для измерения характеристик излучения, либо фотографической их регистрации. Большое место в современной светотехнике занимают проблемы, связанные с синтезом, измерением и регистрацией цветов.

С древнейших времен человек видел различные источники света. Кроме упомянутого выше огня, люди встречали свет электрического разряда в газе - молнии и полярные сияния; химическую люминесценцию - полет светлячков и свечение некоторых видов микроорганизмов в южных морях. Но все это были природные, естественные источники света, а единственным искусственным источником до конца 19-го века оставался огонь в различных его проявлениях.

С конца 19-го века, во многом благодаря усилиям русских изобретателей А.Н. Лодыгина и П.Н. Яблочкова, началось бурное развитие совершенно новых - электрических - источников света. За 130 лет существования электрические источники света в развитых странах практически полностью вытеснили свет огня - свечи и керосиновые лампы теперь используются разве что в далеких деревнях, в турпоходах да для создания интимной обстановки, и только в редких случаях - для освещения.

Различают тепловые источники света, в которых свет возникает при нагревании тел до высокой температуры, и люминесцентные, в которых свет возникает в результате превращения тех или иных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, независимо от теплового состояния излучающего тела. Искусственные источники света могут подразделяться: по роду используемой энергии на химические, электрические, радиоактивные и др., по назначению на осветительные, сигнальные и т.п. Каждый из типов, в свою очередь, может классифицироваться по различным дополнительным признакам, например по конструктивно-технологическим, эксплуатационным.

Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4×10-7-8×10-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

1. Источники излучения

1.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации

Источником оптического излучения называют устройство, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона спектра. В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет. Самосветящиеся тела называются первичными источниками, источники отраженного или проходящего излучения - вторичными.

Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

а) по размеру источников излучения;

б) по характеру распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);

в) по спектральному распределению потока излучения (световому потоку);

г) по времени действия излучения;

д) по цветовой температуре.

Источники делятся на искусственные и естественные.

Искусственные источники света - технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция).

Естественные источники света - это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ. К естественным или природным источникам света прежде всего относят: Солнце, Луну, планеты, кометы, полярные сияния, атмосферные электрические разряды, биолюминесценцию живых организмов, свет звезд и иных космических объектов, свечение окисляющихся органических продуктов и минералов, и проч. Естественные источники света играют первостепенную роль в существовании жизни на земле и других планетах, и оказывают значительное воздействие на окружающую среду.

Все параметры источников излучения можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры - это те, которые характеризуют сам источник света безотносительно к условиям его применения. К техническим относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.

Основные электрические параметры источников света:

1. Номинальное напряжение - напряжение, на которое рассчитана конкретная лампа или на которое она может включаться с предназначенной для этого специальной аппаратурой. Для ламп накаливания все остальные параметры снимаются именно при номинальном напряжении. Номинальное напряжение (впрочем, как и любое другое) измеряется в вольтах (сокращенное обозначение - В, V).

2. Номинальная мощность лампы - расчетная мощность, потребляемая лампой накаливания при ее включении на номинальное напряжение. Для газоразрядных ламп номинальная мощность - это расчетная мощность, которую потребляет лампа при ее включении со специально предназначенной для этого аппаратурой. Мощность измеряется в ваттах (сокращенное обозначение - Вт, W).

3. Для газоразрядных ламп иногда оговаривается род питающего тока - переменный или постоянный, так как отдельные типы ламп могут работать только на постоянном токе (например, шаровые ксеноновые или ртутные). Если такой оговорки в документации на лампу нет, то лампы должны включаться только на переменное напряжение. При работе на постоянном токе обязательно указывается полярность включения: к какому выводу лампы должен подключаться положительный полюс сети (+), к какому - отрицательный (-). Электрод лампы, к которому подключается положительный полюс напряжения, называется анодом, отрицательный - катодом.

4. Для некоторых типов ламп (например, для эталонных или образцовых ламп накаливания) вместо номинальной мощности указывается номинальный ток (1Н), который измеряется в амперах (А) или миллиамперах (мА, тА; 1 А - 1000 мА). Из световых параметров в каталогах и справочниках чаще всего указывается номинальный световой поток Ф, то есть поток, который создает лампа при ее номинальной мощности. Единица измерения светового потока, как уже было сказано, - люмен (лм, 1т).1.1.1 Точечные и линейные источники излучения

Точечный источник света - источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно и размерами которого по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь.

Точечный источник - такая же идеализация, как "луч" - и то и другое не существует в природе

Свет точечного источника отражается от идеального рассеивателя по закону косинусов Ламберта: интенсивность отраженного света пропорциональна косинусу угла между направлением света и нормалью к поверхности

B зависимости от соотношения размеров излучателя и расстояния его до исследуемой точки фотоприемника источники излучения можно условно разделить на две группы:

а) точечные источники излучения;

б) источники конечных размеров (линейные источники излучения).

Источник излучения, у которого размеры значительно меньше расстояния до исследуемой точки, называют точечным. Зa точечный источник принимают такой, максимальный размер (l) которого не менее чем в 10 раз меньше расстояния до приемника излучения (r) (рис.1). Для таких источников излучения соблюдается закон обратных квадратов, согласно которому освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния между излучателем и облучаемой поверхностью.

Рис.1. К определению понятия "точечный источник излучения"

К группе излучателей конечных размеров относят те излучатели, у которых относительные размеры по всем направлениям больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от исследуемой точки относительные размеры такого излучателя могут достигнуть такого значения, при котором данный излучатель можно будет принять за точечный.

1.2 Симметричные и несимметричные источники излучения

По характеру распределения силы излучения (света) точечные источники можно разделить на симметричные и несимметричные.

Такое деление обусловлено различной формой фотометрического тела. Под фотометрическим телом излучателя понимают распределение силы излучения (света) в пространстве. Симметричные источники излучения имеют одинаковые значения потока излучения или светового потока по всем направлениям, составляющим одинаковые углы с осью симметрии излучателя. Cимметричный излучатель представляет собой фотометрическое тело в виде тела вращения вокруг своей оси (рис.2). Для такого источника все значения силы излучения (света) под любым углом а к оси симметрии источника будут одинаковы.

Рис.2 Модель симметричного излучателя

Этo позволяет пространственное распределение силы света выразить в виде графических кривых . Такие кривые строят в полярной или прямоугольной системе координат для вертикального или горизонтального сечения фотометрического тела (рис.3). Прямоугольную систему координат применяют для источников с распределением потоков излучения в пределах небольшого угла, например у прожекторов.

Рис.3. "Поперечная кривая" распределения силы света симметричного источника.

При сечении симметричного фотометрического тела вертикальной плоскостью по оси симметрии получают так называемую "продольную кривую" распределения силы света. Так как она симметрична, то ее строят обычно в пределах от 0 до 180°.

Сечение симметричного фотометрического тела горизонтальной плоскостью, проходящей перпендикулярно оси симметрии через центр источника, позволяет получить "поперечную кривую" распределения силы света.

Несимметричные излучатели не обладают симметрией распределения сил света, относительно оси вследствие чего их фотометрическое тело отличается от тела вращения и значения силы света неодинаковы для различных продольных плоскостей. В связи с этим строят семейство продольных кривых силы излучения, соответствующих различным направлениям в пространстве. Строят графическое распределение силы света в виде семейства кривых при = const в полярной системе координат (рис.4).

Рис.4. "Продольные кривые" распределения силы света несимметричного источника

1.3 Источники с различным спектральным распределением энергии

По спектральному распределению в светотехнике различают три основных вида источников излучения: тепловые, газоразрядные и лазерные. Последние основаны на явлении индуцированной (вынужденной) люминесценции.

Важнейшей характеристикой этих источников является спектральный состав излучения. Чаще всего он изображается графически в виде кривой спектрального распределения энергии. В зависимости от вещества излучателя спектры имеют различный характер. Различают спектры излучения линейчатые, полосатые и непрерывные (сплошные).

1.3.1 Тепловые источники излучения

Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой температуре это излучение переходит в область видимого - тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением температуры тела.

Любое тело, имеющее цветовую температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Если возбужденное состояние атомов и молекул этого тела вызвано нагреванием, то излучение, посылаемое этим телом в пространство, является тепловым.

Тепловое излучение возникает в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния. Однако для светотехники наибольший интерес представляют твердые тела. Излучение таких источников состоит из бесконечно большого числа монохроматических излучений, мощность которых непрерывно меняется с изменением длины волны (рис.5).

Рис.5. Спектральное распределение энергии тепловых источников: 1 - лампы накаливания; 2 – Солнца

Примером теплового источника может служить обыкновенная лампа накаливания, имеющая обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама. Помимо основных электрических (номинальное напряжение, мощность), светотехнических (световой поток, сила света) и эксплуатационных (срок службы) параметров лампы накаливания имеют еще одну важную характеристику - световую отдачу . Эта величина, выражаемая в лм/Вт, показывает сколько света (лм) излучает лампа на каждый ватт электрической энергии, подводимой к лампе. Чем выше световая отдача, тем лучше осуществляется преобразование электрической энергии в световую. Световая отдача ламп накаливания невысока и составляет 7-22 лм/Вт.

Используемые на практике в качестве источников освещения тепловые излучатели в большой степени отличаются друг от друга по спектральному составу и мощности излучения. Для характеристики тепловых источников с целью их практического применения и возможности их сравнения друг с другом используют искусственную модель теплового излучателя - абсолютно черное тело.

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое способно полностью поглотить все падающие на него излучения. Поэтому, согласно закону Кирхгофа, такое тело испускает при данной температуре большую энергию, чем любой другой источник. Модель абсолютно черного тела можно получить, если в полом шаре из непрозрачного и зачерненного изнутри материала сделать отверстие. При этом весь свет, попадающий в полость шара, практически полностью поглощается.

Страницы: 1, 2