Энергетический расчет ОЭП (схема с коллиматором)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?етственно; - расстояние между коллиматором и приемным устройством (,); , - диаметры выходного и входного зрачков объективов коллиматора и премного устройства соответственно; - площадь излучающей поверхности ИИ.
2. Расчет потока излучения, падающего на фоточувствительный элемент ПОИ
На рисунке 2 показана структура пучка лучей коллиматора, выполненного в виде объектива Об1 и ИИ, расположенного в его фокальной плоскости. Рассмотрим распределение облученности в сечении пучка лучей, перпендикулярном оптической оси и находящийся на расстоянии от выходного зрачка объектива. Пусть яркость ИИ по его излучающей поверхности постоянна, аберрации оптической системы отсутствуют, дисперсия объектива не влияет на световой пучок. Пусть диаметр ИИ равен , фокусное расстояние объектива коллиматора - (), диаметр выходного зрачка объектива - . Тогда угловое поле объектива и расходимость пучка лучей коллиматора при <<:
(1)
Для поверхности в форме круга площадь поверхности
(мм)
рад
А дистанция формирования пучка лучей коллиматора:
(2)
(мм)=4,615 м
Точка , лежащая на оптической оси коллиматора и удаленная от его выходного зрачка на расстояние , называется точкой формирования пучка лучей коллиматора.
Рисунок 2 - Структура пучка лучей коллиматора:
ИИ - источник излучения; Об1 - объектив коллиматора; - расстояние от выходного зрачка объектива до рассматриваемого сечения пучка; - диаметры выходного зрачков объектива; - диаметр излучающей поверхности ИИ; - переднее фокусное расстояние объектива; - дистанция формирования пучка; - точка формирования пучка; - диаметр области с постоянной облученностью; - угловое поле объектива; - задний апертурный угол объектива
Облученность, создаваемая коллиматором в точках, лежащих на оптической оси
, (3)
где - энергетическая яркость ИИ;
, - коэффициенты пропускания оптической системы коллиматора и атмосферы ();
- апертурный угол коллиматора со стороны пространства изображений (задний апертурный угол).
Величина заднего апертурного угла коллиматора для точек, лежащих на оптической оси, определяется расстоянием до выходного зрачка:
при (4)
рад
при (5)
рад
При отсутствии виньетирования (частичное затемнение пучка лучей, вступающего в оптическую систему, происходящее вследствие его ограничения диафрагмами прибора) ИИ объективом коллиматора для внеосевой точки облученность равна:
, (6)
где - угол между оптической осью и линией из центра выходного зрачка к точке .
При малых облученность можно считать постоянной.
Рассмотрим явление виньетирования на изменение облученности. В заштрихованной области А на рисунке 3 виньетирование источника оправой объектива коллиматора отсутствует, поэтому облученность в пределах этой зоны постоянна. Из выражений (3) и (5) следует, что в зоне А
(7)
Следовательно, облученность не зависит от расстояния до данного сечения. В заштрихованной области В величина виньетирования не равна нулю, но в пределах круга диаметром перпендикулярного оптической оси, она постоянна, поэтому и облученность в пределах этого круга также постоянна. Из выражений (3) и (4) следует, что в зоне В:
(8)
За пределами заштрихованных зон А и В величина виньетирования изменяется, и облученность монотонно уменьшается до нуля. Из рисунка 2 следует, что диаметры пятен равномерной облученности для зон А и В:
, (9)
(мм)
(мм)
Поток излучения, падающий на ПОИ, для приемного устройства, расположенного в зоне А или В, равен соответственно:
, (10)
, (11)
где - коэффициент пропускания оптической системы приемного устройства; - коэффициент пропускания среды и оптических систем; - площадь излучающей поверхности ИИ; - площадь выходного зрачка объектива коллиматора; - площадь входного зрачка объектива приемного устройства.
Для поверхности в форме круга площадь поверхности
(мм2)=0,00283(м2)
(мм2)=0,00196(м2)
Для светодиода можно приближенно считать, что в пределах угла излучения излучение распределено по закону Ламберта, а за пределами этого угла яркость равна нулю. Тогда яркость светодиода в пределах угла :
; , (12)
где - светимость светодиода; - мощность излучения светодиода; - площадь излучающей поверхности светодиода; - сила света светодиода.
Для АЛ115А:
= 10 мВт=0,01 Вт (не менее, при мА)
= мм2м2
=150
(Вт/м2)
Тогда поток излучения, падающий на ПОИ, для приемного устройства, расположенного в зоне А или В, равен соответственно:
(Вт)
(Вт)
3. Расчет интегральной чувствительности ПОИ к излучению ИИ
Строим следующие графики:
1.Относительное спектральное распределение энергетической светимости паспортного ИИ (данные берем из таблицы 1 - [3]) представлено на рисунке 3
Рисунок 3 - Относительное спектральное распределение энергетической светимости паспортного ИИ
Таблица 1 - Значения функции Планка у=f(x) [3]
x y х y x y x y 0,14,70?10-150,660,6151,290,8671,940,4340,157,91?10-90,670,6381,30,861,960,4240,27,37?10-60,680,6611,310,8521,980,4150,211,88?10-50,690,6831,320,84520,4050,224,37?10-50,70,7041,330,8382,050,3830,239,31?10-50,710,7251,340,832,10,3620,241,85?10-40,720,7451,350,822,150,3410,253,45?10-40,730,7641,360,8152,20,3230,266,10?10-40,740,7831,370,8082,250,3050,271,02?10-30,750,8011,380,82,30,2890,281,62?10-30,760,8171,390,7932,350,2730,292,54?10-30,770,8341,40,7852,40,2580,33,80?10-30,780,8491,410,7782,450,2450,315,50?10-30,790,862