Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
лютная температура,
К;
с - скорость света
C1 = 2DhC2 = 3,74 Q04 Вт йм-2 Еккм4
k - постоянная Больцмана, (1,38 Q01
Спектральная плотность излучения АЧТ в диапазоне температур от 500 до 900 К показана на рис. 1.2.
Из рис. 1.2 видно, что полный лучистый поток, излучаемый АЧТ, быстро возрастает с ростом температуры. Закон этого возрастания можно получить, проинтегрировав уравнение Планка (I.3)
D23 Вт а ск-1 ).
* 0,8
W S
к
U F
н
сп
К
л ?
° І
® гИ
H и
о 7
и S
G й
м H
И И
W = IW d П =
2П k Т4ПТ4
-TT T ПТ .(15)
15c2h К'
л
H M
U
G О
9 15
Длина волны, мкм ->
Рис. 14.4
9 Соотношение (1.5) называется законом Стефана - Больцмана, а ? - постоянной Стефана - Больцмана:
? = 5,67 Q0-12Вт йм-2 Ж-4.
Итак, полное излучение АЧТ возрастает пропорционально Т4. Продифференцировав уравнение Планка (1.2), получим закон смещения Вина:
? T = а (1.6)
umax1 ui v '
где ^max - длина волны, на которой наблюдается максимум распределения спектральной плотности излучения по длинам волн, а а = 2898 мкм [К.
Из квантовой механики известно, что тепловое излучение есть поток квантов Бозевского газа - фотонов.
Энергия теплового фотона:
he 1,99Q0-19 „ ^
— = --, Вт а, (1.7)
? ? v '
т. е. 1,0 Вт ? 5 [1018 фотон [с-1.
1.2. Прохождение излучения через атмосферу
При проектировании инфракрасной системы любой разработчик решает задачу создания аппаратуры по следующей схеме (рис. 1.3).
Далее будет показано, что модулятор необходим только при использовании линейных приемников. При использовании телевизионных матричных приемников модулятор не нужен. Однако почти всегда (за исключением случая "космос-космос") излучение от цели проходит сквозь слой земной атмосферы и либо ослабляется, либо вовсе затухает за счет рассеяния и поглощения молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Спектральное пропускание атмосферой излучения, измеренное на горизонтальной трассе протяженностью 1,8 км на уровне моря, приведено на рис. 1.4.
Сверхкоротковолновое ультрафиолетовое излучение задерживает озоновый слой на высоте около 80 км.
На рис. 1.4: а - обычный ультрафиолет - от 0,2 до 0,4 мкм и видимый диапазон - от 0,45 до 0,8 мкм; б - ближний ИК - диапазон (0,8-2,6 мкм);
10 Рис. 1.3
Длина волны, мкм ->
Рис. 1.4
в - средний ИК - диапазон (2,9-6,0 мкм); г - дальний ИК-диапазон (8,0-14,0 мкм). В атмосфере имеются окна прозрачности, которые стандартизованы в Международной фотометрической системе (МФС) через ? + ??:
11 - в видимом и начале ближнего ИК-диапазонов: B, V, R, J- до 1,2 мкм;
- ^-диапазон - (1,6 ± 0,1) мкм;
- ^"-диапазон - (2,2 ± 0,3) мкм;
- Z-диапазон - (3,6 ± 0,45) мкм;
- М-диапазон - (4,6 ± 0,5) мкм;
- ^-диапазон - (10,0 ± 2,0) мкм;
- ?-диапазон - (20,0 ± 0,4) мкм.
Между полосами прозрачности имеются полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном, углекислым газом СО2:
2,6-2,9 мкм; 4,2-4,4 мкм и парами воды Н2О: 5,0-8,0 мкм.
Аэрокосмические приемники изображения используют те или другие полосы пропускания или поглощения в зависимости от назначения.
1.3. Входные оптические окна и фильтры изображения
Все глубоко охлаждаемые приемники изображения должны быть изолированы от внешней среды путем размещения в устройстве, именуемом "криостатом". Криостатам в дальнейшем будет посвящен специальный раздел.
Криостатом называется устройство, в котором за счет различных фазовых превращений в твердых телах, жидкостях или газах обеспечивается термостатирование на том или ином уровне криогенных температур.
Для пропускания излучения криостаты снабжаются входными оптическими окнами, имеющими необходимую полосу пропускания излучения, а для формирования заданной рабочей полосы длин волн ИК-приемника - охлаждаемыми фильтрами изображения.
В табл. 1.2 приведены наиболее распространенные материалы, используемые для изготовления входных оптических окон.
Таблица 1.2
Материал Полоса пропускания, мкм Коэффициент преломления
Плавленный кварц КИ 0,3-4,5 1,43
Лейкосапфир 0,3-5,5 1,67
Иртран-2 (ZnS) 0,8-15,0 2,20
Кремний 1,06-15,0 3,42
Германий 1,7-25,0 4,00
12 Из указанных материалов изготавливают оптические диски необходимой толщины, чтобы выдерживать давление атмосферы при вакууме внутри криостата диаметром до 0,5-0,6 м. Для видимого диапазона удобен еще кварц марки КУ и КВ. Для ИК-диапазона (особенно дальнего) чаще всего применяют монокристальный германий марки ГМО-1, ГМО-2, ГМО-3 и др. Отличаются они только диаметром слитка исходного монокристалла.
Неудобством германия является его высокий показатель преломления (n = 4). Поэтому окна из германия, как правило, просветляют, покрывая полуволновыми и четвертьволновыми слоями прозрачного в заданном диапазоне материала, но с меньшими показателями преломления. Охлаждаемые фильтры делают обычно на германии.
Следует несколько подробнее остановиться на оптических показателях, указанных в табл. 1.1: CJ ?, ?, ?.
