ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 111
Скачиваний: 2
в. В. КОЗЕЛКИН,
и. Ф. УСОЛЬЦЕВ
основы
ИНФРАКРАСНОЙ
ТЕХНИКИ
Издание 2-е, переработанное н дополненное
Попущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для учащихся техникумов
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
I 974
К59
УДК 621.035.211 — 15(075.2)
Козелкнн В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной тех ники. М„ «А^ашиностроенне», 1974, 336 с.
В учебнике изложены физические основы инфракрасной тех ники. Рассмотрены основные законы ИК-нзлучення, прохожде ние его через атмосферу, источники и приемники инфракрас ного излучения, оптические материалы и светофильтры.
Описано устройство и принципы действия оптических кван товых генераторов и приведены их основные характеристики.
Вторая часть учебника посвящена приборам ИК-техники: спектрометрам, в том числе лазерным, тепловизорам, прибо рам обнаружения и управления объектами. Описывается уст ройство этих приборов, а также рассматриваются принципы действия оптических локаторов и квантовых дальномеров. Из ложены методы расчета основных элементов приборов, их ха рактеристик и приведены сведения по испытанию и настройке
приборов.
Учебник предназначен для учащихся техникумов и может быть полезен инженерно-техническим работникам оптической и электронной промышленности.
Табл. 22, ил. 262.
Рецензент — Предметная комиссия Красногорского оптико-механического техникума
20408—189 К 189—74
038(01)—74
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
П Р Е Д И С Л О В И Е
Инфракрасная (ИК) техника — сравнительно новая область современной физики и электроники, особенно развившаяся за последние 15—20 лет. Можно привести множество примеров практического использования приборов ИК-техники: видение и фотографирование в темноте; химический анализ веществ по спектрам поглощения и излучения этих веществ в ИК-области спектра; измерение температуры на расстоянии (до автоматиче ского контроля температуры в промышленности до измерения температуры звезд); космическая навигация и системы космиче ской связи; астрономические и астрофизические исследования звезд и планет в ИК-области спектра; инфракрасные прицелы, дальномеры, приборы обнаружения морских, наземных, воздуш ных целей и системы самонаведения ракет в военном деле и др.
В последние годы получила интенсивное развитие новая от расль радиоэлектроники — квантовая электроника. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) привели к новым возможностям использования ИК-приборов — обработке различных сверхтвер дых материалов лучом ОКГ, использованию этого луча для ме дицинских операций, созданию систем сверхдальной связи, светолокации, дальнометрировання и т. д.
Значение ИК-техники еще более возросло в связи с широко развернувшимися исследованиями космического пространства.
В первой части учебника изложены физические основы рас пространения, приема и преобразования ИК-излучения. Приве дены основные законы ИК-излучения, рассмотрены принципы действия, устройство и характеристики когерентных источников излучения — оптических квантовых генераторов, даны сведения об оптических материалах для ИК-систем.
Во второй части рассмотрены приборы ИК-техники: спектро скопические, радиометрические, электронно-оптические, теплопеленгациониые, приборы управления автоматическими объек тами и измерения дальности, а также приборы, применяемые для исследований в космосе.
182 |
а |
Главы I, II, V, VI, VII, VIII и X написаны В. В. Козелкиным,
главы III, IV, IX, XI, XII, разд. 4 § 5.1 и § 7.3 — И. Ф. Усоль
цевым.
Во втором издании учебника переработаны и дополнены но выми данными почти все главы. Включены новые разделы, посвя щенные инфракрасным анализаторам жидкостей и газов, ИКпередающим телевизионным трубкам, лазерной спектроскопии, голографии, тепловизорам, надежности ИК-приборов.
Авторы будут признательны читателям за все критические замечания и пожелания и просят направлять их по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, издательство «Машино строение».
Ч а с т ь I
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ
ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКИ
Г л а в а I. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ понятия И ЗАКОНЫ
§1.1. ИНФРАКРАСНЫЙ СПЕКТР
В1800 г. английский ученый В. Гершель проводил исследо вания солнечного света, разложенного с помощью стеклянной призмы. Помещая термометры в различные участки спро ектированного призмой на стол
солнечного спектра, В. Гер
шель обнаружил |
повышение |
||||
температуры за пределами ви |
|||||
димого |
красного |
излучения. |
|||
Это |
указывало, |
что в составе |
|||
солнечного света |
имеется |
не |
|||
видимое |
глазу |
излучение, |
ко |
||
торое, проходя через призму, |
|||||
преломляется |
меньше, |
чем |
|||
красный |
цвет. |
Открытое |
|||
В. Гершелем невидимое излу |
|||||
чение получило |
название |
ин |
|||
фракрасного, так как оно было |
|||||
расположено за видимым крас |
|||||
ным участком спектра (рис. |
|||||
1.11. |
Дальнейшие |
исследова |
|||
ния |
показали, что |
инфракрас |
|||
ное |
излучение |
отражается и |
преломляется по тем же |
зако |
нам, что и видимые лучи. |
Рис. 1.1. К опыту Гершеля |
В середине прошлого столе тия физики А. Ампер, Меллони и Дж. Гершель высказали пред
положение, что инфракрасное и видимое световые излучения имеют одну и ту же природу. Это предположение подтвердилось последующими исследованиями. В 1846—1848 гг. опытами с ин
5
терференцией, дифракцией и поляризацией инфракрасного из лучения было доказано, что это излучение отличается от види мого только длиной волны.
Разработанная в 70-х годах прошлого столетия Дж. Максвел лом теория электромагнитных волн помогла установить единст во световых и электромагнитных явлений. Эксперименты с инф
ракрасным излучением |
подтвердили |
электромагнитную |
теорию |
||||||
Максвелла и показали, что инфракрасные лучи |
являются |
ча |
|||||||
стью общего спектра электромагнитных колебаний. |
|
|
|
||||||
Как и всякое электромагнитное колебание, инфракрасное из |
|||||||||
лучение можно охарактеризовать длиной волны |
частотой коле |
||||||||
баний v * и скоростью |
распространения |
v. Эти параметры |
свя |
||||||
заны между собой соотношениями |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1= |
с 5 |
|
|
|
|
|
(l. i |
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
v = |
X |
|
|
|
|
|
(1.2) |
|
|
|
Т ’ |
|
|
|
|
|
|
|
где с== 300000 км/с — скорость света |
в пустоте (показатель пре |
||||||||
ломления я= 1); |
|
|
|
|
|
|
|||
Т= 1/v — период колебаний. |
равным |
единице |
|||||||
В среде с показателем преломления, |
не |
||||||||
(пф1), скорость распространения электромагнитных |
колебаний |
||||||||
|
v = — . |
|
|
|
|
|
(1.3) |
||
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
Электромагнитные колебания имеют очень широкий диапазон |
|||||||||
длин волн. Поэтому наряду с широко известными |
единицами |
||||||||
длины для измерения длины волны |
в коротковолновой |
части |
|||||||
спектра применяют такие единицы, |
как микрон, пли микрометр |
||||||||
(мкм), нанометр (нм) |
и ангстрем |
(А). |
В 1 |
мм |
содержится |
||||
103 мкм, 106 нм и 107 А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нижняя граница инфракрасного |
излучения |
находится |
на |
границе с видимым излучением, т. е. имеет длину волны 0,75 мкм. Верхняя, длинноволновая граница, долгое время была неизвест на. По мере совершенствования методов и средств исследований верхняя граница инфракрасного излучения отодвигалась все далее и далее в область длинных волн, пока работы советских физиков А. А. Глагольевой-Аркадьевой в 1924 г. и М. А. Ле вицкой в 1927 г. не доказали, что эта граница вплотную примы кает к области ультракоротковолновых радиоизлучений.
А. А. Глагольева-Аркадьева в 1924 г. разработала так на зываемый массовый излучатель, в котором при помощи искр, возникающих в среде, образованной суспензией опилок в масле,
* Частота колебаний v оптического, в том числе инфракрасного диапазона волн, по аналогии с радиодиапазоном обозначается иногда через /.
6
генерировался спектр излучения от 82 мкм до 5 см, перекры вающий область инфракрасных лучей и микрорадиоволн. Этим было доказано, что радио- и инфракрасные излучения можно создать одними и теми же методами.
В настоящее время квантово-механическими генераторами можно успешно генерировать как радио-, так и инфракрасные излучения большой мощности. Таким образом соединились спект ры радиоколебаний и инфракрасного излучения, поэтому верх няя, длинноволновая граница последнего является чисто ус ловной. Обычно считают длинноволновой границей области ин фракрасного спектра 0,75 мм, или 750 мкм.
Из л у ч е н и е
—о, Ультра,-
Радиоволны |
Инрра- |
%риалеРентге- |
красное |
,§ тоВое ноВское Гамма-лучи. |
|
г |
|
|
4 |
|
|
\ю3 юг ю |
11 i ю |
1 юоо то ю '11ю~г ю3 ю~ч ю~5 w~sj |
------------------- V------------------ |
------ V------ |
----------------------------------------------------V --------------------------------------------------------- |
м |
см |
мкм |
Рис. 1.2. Расположение инфракрасного спектра в общем спектре электромаг нитных колебаний
Итак, инфракрасные лучи занимают не видимую для глаза область электромагнитного спектра, начинающуюся непосредст венно за видимыми красными лучами и простирающуюся ус ловно до области микрорадиоволн, т. е. диапазон от 0,75 до 750 мкм. Так как этот диапазон перекрывает довольно большую область электромагнитного спектра, то для удобства весь инфра красный спектр излучения разделяют на три поддиапазона:
0,75—1,5 мкм — коротковолновый (ближнее ИК-излучение); 1,5—15 мкм — средневолновый; 15—750 мкм — длинноволновый (дальнее ИК-излучение).
Такое подразделение определяется главным образом областями использования этих излучений и приборами, применяемыми для их обнаружения.
Расположение инфракрасного спектра в общем спектре элект ромагнитных колебаний показано на рис. 1.2.
Деление спектра электромагнитных колебаний на отдельной области дано в табл. 1.1.
Различают монохроматическое и интегральное излучения. Монохроматическим называется излучение, лежащее в очень
узком интервале волн от X до X-\-d%. Все величины, относящие ся к данному интервалу длин волн dX, обозначают индексом X (например, ).
7
i аблица 1.1
Классификация спектра электромагнитных колебаний
Области спектра |
Длина волны в наиболее |
|||
употребляемых единицах |
||||
|
|
|
||
Низкочастотные |
( |
ннфразвуковые |
>18000 км |
|
колебания |
\ |
звуковые |
18000—18 км |
|
|
|
длинные |
18000—2000 м |
|
|
|
средние |
2000—200 м |
|
Радиоволны |
|
промежуточные |
200—50 м |
|
|
короткие |
50— 10 м |
||
|
|
|||
|
|
ультракороткие |
Юм — 1 см |
|
|
|
микроволны |
1 см — 0,75 мм |
|
Инфракрасное |
( |
длинноволновое |
750— 15 мкм |
|
< |
средневолновое |
15—1,5 мкм |
||
излучение |
||||
I |
коротковолновое |
1,5—0,75 мкм |
||
|
||||
|
|
красное • |
750—620 мм |
|
|
|
оранжевое |
620—590 нм |
|
Видимое излучение |
|
желтое |
590—560 нм |
|
|
зеленое |
560—500 им |
||
|
|
голубое |
500—480 нм |
|
|
|
синее |
480—450 им |
|
|
|
фиолетовое |
450—400 им |
|
Ультрафиолетовое излучение |
400— 10 нм |
|||
Рентгеновское излучение |
|
100—0,04 А |
||
Гамма-излучение |
|
|
О |
|
|
|
0.04 А и менее |
Рис. 1.3. Разновидности спектров:
а—непрерывный; б—линейчатый; в—полосовой; г—смешанный
Интегральным (или полным) называется суммарное излуче ние во всем интервале длин волн от Х=0 до Х=оо или в какомто достаточно широком интервале от A,i до
Различная преломляемость излучений с разными длинами волн позволяет разложить излучение в определенном диапазоне на его монохроматические составляющие. Упорядоченное рас положение этих составляющих по длинам волн называют спект ром. В зависимости от природы излучения спектр может быть сплошным (непрерывным), линейчатым и полосовым (рис. 1.3).
8