Министерство образования и науки Российской Федерации
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК) Утверждаю Ректор МИИГАиК Малинников В.А. «……» _______________ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.8 Источники и приемники оптического излучения Направление подготовки 200400.62-Оптотехника Профиль подготовки: Оптико-электронные информационноизмерительные и следящие приборы и системы Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Факультет Оптико-информационных систем и технологий Кафедры потребители: кафедра прикладной оптики, кафедра конструирования и технологии оптических приборов Кафедра-разработчик рабочей программы: кафедра оптикоэлектронных приборов Практи О чес Лаборат. СРС, Форма бщий Лекций, занятий С объем работ, контроля ч ча , ча Эк еместр курса, ас. с. ч с. з./зачет час. ас. 1 3 1 За 7 17 76 44 4 7 ч., экз. Москва 2011 г. Аннотация рабочей программы Дисциплина состоит из двух частей, первая из которых посвящена источникам оптического излучения естественного и искусственного происхождения, а вторая различным типам современных приемников оптического излучения. 1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Целью освоения дисциплины является приобретение знаний студентами в области физических основ и принципов действия современных источников и приемников оптического излучения, ознакомление с типами источников и приемников излучения, современной элементной базой, параметрами и характеристиками этих важнейших узлов современных оптико-электронных систем. 2.МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО Данная учебная дисциплина входит в раздел «Б.3. Профессиональный цикл» по направлению подготовки 200400.62-Оптотехника. Ей предшествует изучение дисциплин Б.2.2 «Физика», Б.2.11.»Основы оптики», Б.3.7 «Электроника и микропроцессорная техника». Требования к «входным» знаниям, умениям и готовностям обучающегося, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения перечисленных дисциплин содержатся в Основной образовательной программе подготовки бакалавра по направлению 200400.62-Оптотехника. На изучении данной дисциплины, как «предшествующей», базируются дисциплины Б.3.10 «Оптико-электронные приборы и системы», Б.3.15 «Проектирование оптико-электронных приборов», Б.3.25б «Оптико-электронные следящие системы», Б.3.26б «Тепловизионные системы. 3.КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате освоения дисциплины обучающийся должен: знать: -основные виды источников и приёмников оптического излучения, физические принципы их работы, основные параметры и характеристики ПК-1, ПК-2); уметь: - осуществлять корректный выбор источников и приёмников оптического излучения для работы в составе конкретной оптико-электронной системы ( ПК-9, ПК-12, ПК-15); владеть: - навыками работы при измерении параметров и определении характеристик источников и приёмников оптического излучения. (ПК-11, ПК-13). п /п недели № Семестр Номер 4.СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 часа. Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) Раздел дисциплины Лекции 1 1 1 1 1 Оптический диапазон спектра. Практ. Лаб. раб Реферат СРС 1 2 Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации - Классификация излучателей 2 1 3 4 5 6 2 Параметры характеристики излучателей. 3 Основные теплового излучения 4 Эталонные источники излучения 5 1 Газоразрядные лампы и лампы накаливания 7 8 9- 1 0 Энергетические и 1 фотометрические параметры и характеристики излучателей. 6 7 8 9 1 0 1 и 2 законы 2 2 2 1 2 2 Текущий контроль перед практикумом 2 Текущий контроль перед практикумом 2 Текущий контроль перед практикумом 2 Текущий контроль перед практикумом 2 Текущий контроль перед практикумом 2 Текущий контроль перед практикумом 16 Контрольное тестирование Светодиоды 1 Естественные источники излучения 3 2 Классифика 4 ция приемников излучения. Параметры и характеристики приемников излучения. Пересчет параметров приемников излучения 2 4 4 Текущий контроль перед практикумом Термоэлеме 4 нты. Болометры. Пироэлектрические приемники 2 2 2 Текущий контроль перед практикумом 2 ы 1 1 1 1 1 2 1 2 1 3 1 4 2 1 3 1 5 1 7 Фотоэлемент 4 и ФЭУ. 2 4 Текущий контроль перед практикумом 4 Текущий контроль перед практикумом Электроннооптические преобразователи Фоторезисто ры. Фотодиоды 4 6 . Многоэлементные приемники излучения (МПИ).. Координатные приемники излучения. Приборы с зарядовой связью. 4 4 2 Защита 22 рефера та Контрольное тестирование ___________________________________________________ ___________________________________________________________________________ П _______________________________________________________________ П П П П _____________________________ ТЕМЫ, П П КОЛИЧЕСТВ К К К К К _____________________________ РАЗДЕЛЫ - К К - - - О ОБЩЕЕ ДИСЦИПЛИН - 1 ЧАСОВ 1 1 1 1 КОЛИЧЕСТВО Ы 2 9 1 2 3 5 КОМПЕТЕНЦИЙ РАЗДЕЛ 1. 24 ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКО ГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕМА 1 Оптический диапазон спектра. Классифика ция излучателе й ТЕМА 2 Энергетиче ские и фотометрич еские параметры и характерист ики излучателе 1 ___________________________________________________ 3 ___________________________________________________ ________________________________________________ _____________________________________________ й Тема 3. Параметры и характерист ики излучателе й. Черное тело. Тема 4. Основные законы теплового излучения Тема 5. Эталонные источники излучения Тема 6. Газоразряд ные лампы и лампы накаливан ия Тема 7. Светодиод ы Тема 8. Естественн ые источники излучения 1 ___________________________________ 1 ___________________________________________________ 2 ___________________________________________________ __________________________________________ 3 ___________________________________________________ ________________________________________________ __________________________________________ 3 ___________________________________________________ ________________________________________________ __________________________________________ 3 ___________________________________________________ ________________________________________________ __________________________________________ РАЗДЕЛ 2. 34 ПРИЕМНИК И ОПТИЧЕСКО ГО ИЗЛУЧЕНИЯ Тема 9. Классифика ция приемников излучения. Параметры и характерист ики приемников излучения. Пересчет параметров приемников 4 ___________________________________________________ ________________________________________________ _____________________________________________ __________________________________________ излучения ТЕМА 3 ________________________________________________ __________________________________________ ___________________________________ 10. Термоэлеме нты. Болометры. Пироэлектр ические приемники ТЕМА 3 ________________________________________________ __________________________________________ ___________________________________ 11. Фотоэлеме нты и ФЭУ. Электронно оптические преобразов атели ТЕМА 12. Фоторезист оры. Фотодиоды ТЕМА 4 ___________________________________________________ ________________________________________________ __________________________________________ ___________________________________ 5 _____________________________________________ __________________________________________ ___________________________________ ________________________________ 13. Многоэлем ентные приемники излучения (МПИ).. Координатн ые приемники излучения. Приборы с зарядовой связью. ИТОГО 9 8 3 9 1 5 1 36 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В учебном процессе используются компьютерные программы «КОМОС», разработанные в МИИГАиК для расчета параметров оптико-электронных систем, а также для параметрического и структурного анализа этих систем. При проведении практикума проводится еженедельный опрос по тематике текущих занятий с контролем усвоения соответствующего лекционного материала. В семестре дважды проводится контрольное тестирование студентов в вычислительном центре факультета, имеющее целью проверить уровень остаточных знаний и выявить, необходимость самостоятельной дополнительной проработки тех или иных разделов дисциплины. Программа тестирования сообщается студентам, что позволяет им самостоятельно и постоянно проводить самоконтроль. Самостоятельная работа студента имеет следующие виды и трудоемкость: - подготовка к самоконтролю – 14 час., - проведение самоконтроля – 2 час., - написание реферата – 16 час., - подготовка к защите реферата – 4 час., - подготовка к зачету – 16 час., - подготовка к экзамену – 24 час. Итого – 76 час. В 6.ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ид работы Тема работы Реферат Реферат на преподавателем тему ТЕКУЩЕГО АТТЕСТАЦИИ КОНТРОЛЯ ПО ИТОГАМ Перечень ЗУН, получаемых студентом при выполнении данного вида работы заданную ПК-2,ПК-9, ПК-12 Приложение Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины, а также для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2.1.Как называется средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний? 2.2. Как называется отношение потока, испускаемого в пределах телесного угла, к значению этого угла? 2.3. Дайте определение силы света. 2.4. Что является общим эталоном для сравнения различных излучателей? 2.5. Как называется отношение энергетической светимости излучателя к энергетической светимости черного тела при той же температуре. 2.6.Что такое коэффициент излучения? 2.7. Как изменяется поглощательная способность большинства диэлектриков с увеличением длины волны падающего излучения? 2.8. Что такое серый излучатель? 2.9. Как называется температура черного тела, при которой на какой-либо длине волны оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело. 2.10. Что такое яркостная температура? 2.11. Что такое цветовая температура? 2.12. Сформулируйте следующие законы: Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Планка, Голицына-Вина. 2.13. Для каких излучателей справедлив закон Ламберта? 2.14. Что такое изотерма Планка? С какой целью она используется и как? 2.15. Как называется температура эквивалентного черного тела, при которой излучение данного тела в видимой части спектра практически идентично излучению черного тела? 2.16. Как называется температура черного тела, имеющего такую же суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость, что и данный излучатель? 2.17. Дайте определение радиационной температуры. 2.18. Каким законом описывается распределение энергии излучения черного тела по спектру длин волн? 2.19. Опыт В. Гершеля по обнаружению инфракрасных лучей заключался в том, что он исследовал участки солнечного спектра, полученного призмой, с помощью чувствительного ртутного термометра. При перемещении в какую сторону спектра обнаруживалось повышение температуры? Где наблюдался максимум температуры: в переделах видимого спектра или вне его? 2.20.Почему с определенного расстояния внутренние помещения, видимые через открытые окна, выглядят темными? 2.21. Чем объяснить, что излучение поверхности воды в ИК области близко к излучению абсолютно черного тела? 2.22. Из реальных тел наивысшей поглощательной способностью обладает сажа (копоть). Чем это объясняется? 2.23. Почему необработанные или окисленные металлы обладают большей излучательной способностью, чем полированные? 2.24. Могут ли какие-либо тела излучать в каких-нибудь участках спектра энергию большую, чем излучает черное тело при той же температуре? 2.25. Каковы отличия кривых спектральной плотности энергетической светимости черного тела и серого тела при одной и той же температуре? 2.26. Какие характеристики излучения тел и как зависят от их температуры? 2.27.Каким законам теплового излучения не подчиняются селективные излучатели? 2.28. Как изменяется энергетическая светимость черного тела при увеличении его температуры в 2; 5; и 10 раз? Как она изменяется для серых тел? 2.29.Температура вольфрамовой нити накала вначале составляла 2500 К. Затем её энергетическая светимость уменьшилась в два раза. Как изменилась при этом температура нити накала? 2.30.Какой поток излучает черное тело площадью 1 м2, если его температура на 1 выше температуры, равной 27 С? 2.31. Рассчитайте яркость черных тел при температурах 3000 К и 6000 К. 2.32. Чему равно максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости серого излучателя? 2.33. Номинальная температура черного тела 1000К изменяется на 10 К. На сколько при этом изменяется положение (по длинам волн) максимума спектральной плотности энергетической светимости черного тела? 2.34.В какой спектральной области находится максимум излучения черного тела с температурой 0С? На какую длину волны приходится максимум излучения черного тела, нагретого до 600 К? 2.35.Во сколько раз изменяется спектральная плотность энергетической светимости тел:1) для одной и той же волны излучения максимума спектральной плотности при изменении температуры в k раз; 2) для энергетической светимости при изменении температуры тела в k раз? 2.36.Во сколько раз возрастает интегральная энергетическая светимость черного тела, если его температуру увеличить в два раза? 2.37.По измерениям ИК–аппаратуры космических аппаратов температуры естественных источников излучения равны: поверхность и верхние слои атмосферы Земли 250 и 220 К, поверхность и верхние слои атмосферы Венеры 430 и 225 К, освещенная и неосвещенная стороны Луны 400 и 120 К, области экватора и полюса Марса 280 и 205 К. Каким областям спектра соответствует максимальное излучение этих астрономических объектов? ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ КАК ЗВЕНО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА 5.1.Приведите классификацию приемников излучения (ПИ). 5.2.Объясните принцип действия фотоэлектрических ПИ. 5.3.Объясните принцип действия тепловых ПИ. 5.4.Что называется параметром ПИ ? Приведите основные параметры приемников излучения. 5.5.Дайте определение следующим понятиям: ток шума ПИ, напряжение шума ПИ. 5.6.Чем определяется тепловой шум ? 5.7.Чем определяется дробовый шум ? 5.8.Чем определяется радиационный (фотонный) шум ? 5.9.Что называется чувствительностью приемника излучения ? 5.10.Дайте определение порога чувствительности ПИ в заданной полосе частот. 5.11.Дайте определение порога чувствительности ПИ в единичной полосе частот. 5.12.Что такое пороговый поток приемника излучения Фп ? 5.13.Как называется величина, обратная Фп1? Какова её размерность ? 5.14.Приведите формулу удельной обнаружительной способности ПИ. 5.15.Приведите вид (примерный) энергетической характеристики ПИ. 5.16. Приведите вид (примерный) фоновой характеристики ПИ. 5.17.Приведите вид (примерный) частотной характеристики ПИ. 5.18.Приведите вид (примерный) спектра шума ПИ. 5.19.В чем различие между энергетической и фоновой характеристиками ПИ ? 5.20.Чем оценивается инерционность ПИ ? 5.21.Приведите основные характеристики ПИ. 5.22.Что такое координатная характеристика двухэлементного ПИ ? От чего зависит её вид ? 5.23.Что такое дрейф нуля координатной характеристики приемника излучения ? От чего он зависит ? 5.24.С какой целью производится пересчет параметров ПИ ? Укажите порядок пересчета параметров ПИ. 5.25. Значение порогового потока ПИ в энергетической системе равное Ф эп определялось по эталонному источнику черному телу с температурой Тэ. Напишите формулу пересчета этого параметра к температуре Тр. 5.26.Какие параметры ПИ должны быть пересчитаны при изменении температуры наблюдаемого объекта относительно температуры черного тела или другого излучателя, по которому калибровался приемник ? 5.27.Как называется отношение изменения электрической величины на выходе приемника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях ? 5.28.Объясните назначение и принцип действия электронно-оптического преобразователя. 5.29.Какие приборы, устройства, элементы необходимы для определения спектральной чувствительности ПИ ? 5.30.Какие приборы, устройства, элементы необходимы для определения пороговой чувствительности ПИ ? 5.31.Какие приборы, устройства, элементы необходимы для определения обнаружительной способности ПИ ? 5.32.Какие приборы, устройства, элементы необходимы для определения постоянной времени ПИ ? 5.33.Нарисуйте структурную схему установки для определения важнейших параметров и характеристик приемника излучения: спектральной чувствительности, пороговой чувствительности, постоянной времени ПИ 5.34.Что такое частота Найквиста ? От чего она зависит ? 5.35.Что такое выборка изображения ? Как она может осуществляться ? 5.36. Каково должно быть соотношение между частотой Найквиста и верхней границей спектра анализируемого изображения, чтобы не было искажений спектра сигнала на выходе многоэлементного приемника излучения (наложения спектров) ? 5.37. При каком условии спектр сигнала после выборки изображения не содержит побочные гармоники ? 5.38.Какие типы многоэлементных приемников излучения используются в современных ОЭП и С ? 5.39.Перечислите виды шумов, присущие многоэлементным приемникам излучения (МПИ). 5.40.Что такое коэффициент заполнения МПИ ? 5.41. Что мешает уменьшать размеры отдельных чувствительных элементов многоэлементного приемника излучения ? 5.42. Что ограничивает число отдельных элементов (пикселов) на МПИ ? 5.43. Как изменится частота Найквиста, если период расположения элементов приемника уменьшится в два раза ? 5.44. Укажите достоинства и недостатки приборов с зарядовой связью. 7.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ а) основная литература: 1. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. (учебник для вузов) – Л.: Машиностроение, 2004 2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. (учебник для вузов) – М.: Логос, 2011 3. Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники излучения (учебник для вузов) – С.Пб. ИТМО, 2005 4. Соломатин В.А., Торшина И.П., Шилин В.А. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Источники и приемники оптического излучения». – М.: МИИГАиК, 2005 5. Барский А.Г., Климков Ю.М., Солдатов В.П., Тарасов В.В., Торшина И.П., Фотиев Ю.А., Якушенков Ю.Г. Сборник контрольных вопросов по дисциплинам «Оптические и оптико-электронные приборы и системы», «Источники и приемники оптического излучения», «Лазеры», Проектирование оптико-электронных приборов», «Оптикоэлектронные следящие системы», «Тепловизионные системы» (уч. пособие для вузов). – М.: МИИГАиК, 2011 б) дополнительная литература: 1. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волфа и Г. Цисиса. Пер. с англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М.Мирошникова. Т.1.- М.: Мир, 1995.- 606 с. 2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные системы с матричными приемниками излучения. – М.: Логос, 2007.- 192 с. 3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. – М.: Логос, 2004. - 444 c. в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы: 1.Компьютерная модель «КОМОС».- М., МИИГАиК, 2008 8.МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для проведения занятий по дисциплине используются аудитории, оснащенные учебным телевидением, интерактивной доской, специализированная лаборатория кафедры оптико-электронных приборов, класс вычислительной техники. При проведении лабораторных работ используются стенды лабораторных установок, анализаторы спектра, осциллографы, цифровые вольтметры и другие оптические и электронные приборы. Компьютерное обеспечение осуществляется за счет использования персональных компьютеров. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 200400.62 и профилю подготовки «Оптико-электронные информационно-измерительные и следящие приборы и системы» . Авторы – доц., д.т.н. И.П.Торшина и проф., д.т.н. Ю.Г.Якушенков Рецензент – НУК РЛМ МГТУ им. Н.Э.Баумана Программа одобрена на заседании кафедры оптико-электронных приборов МИИГАиК и методической комиссии факультета оптико-информационных систем и технологий МИИГАиК от 11.02. 2011 г., протокол № 5 .
