2014-02-24
12374
Основные виды приемников оптического излучения и области их применения
Рассмотрим наиболее общие свойства приемников, в первую очередь, как преобразователей энергии оптического излучения в электрический сигнал, важные для согласования приемника с другими звеньями ОЭП, а также для выполнения перечисленных выше функций.
Приемники излучения разделяются на два основных класса – фотоэлектрические (фотонные) и тепловые. Принцип действия фотоэлектрических ПИ основан на внешнем (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.) или внутреннем (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.) фотоэффекте. Все фотоэлектрические приемники являются селективными, т.е. их чувствительность зависит от частоты (или длины волны) излучения, падающего на приемник.
В тепловых ПИ энергия оптического излучения сначала преобразуется в тепловую, а лишь затем происходят изменения свойств приемника: возникает термоЭДС (термоэлементы), изменяется проводимость (болометры) или диэлектрическая постоянная (пироэлектрические ПИ), формируется чувствительный слой (эвапорографы) и т.д. Тепловые приемники неселективны.
Отдельными видами ПИ являются: многоспектральные, работающие в двух или более диапазонах оптического спектра; многоэлементные ПИ; координатные (позиционно-чувствительные) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координат изображения на чувствительном слое, и ряд других. Классификация ПИ проводится также по области спектральной чувствительности, степени охлаждения чувствительного слоя, быстродействию, физическим принципам действия (лавинные, инжекционные, гетеродинные, иммерсионные и др. ПИ).
Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества.
Зависимость, определяющая изменение какого-либо параметра приемника при изменении внешнего воздействия на него, называется характеристикой.
4.2.1. Основные параметры приёмников оптического излучения
Чувствительность. [С.Е.В.2] В общем случае чувствительность приемника – это отношение изменения электрической величины на выходе ПИ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.
В зависимости от характеристики излучения различают чувствительность к потоку излучения sΦe, чувствительность к световому потоку sΦυ, чувствительность к облученности sEe или к освещенности sEυ.
Токовой чувствительностью s1 называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой sυ – чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.
Интегральной чувствительностью ПИ называется чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, а монохроматической чувствительностью sλ - чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны λ.
Различают также статическую чувствительность, определяемую отношением постоянных значений измеряемых на выходе и на входе ПИ величин, и дифференциальную – отношение малых приращений этих величин.
Иногда чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку ПИ. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом.
Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов ПИ может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов), иногда вводят понятие об удельной чувствительности, которая представляет собой чувствительность, отнесенную к 1 В питающего напряжения.
Пороговые и шумовые параметры. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ПИ всегда имеется хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой - шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к ПИ и ОЭП в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. Поэтому разработчики ОЭП стремятся свести шум к минимальному, который часто определяется шумом ПИ. В рационально сконструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам зависит только от уровня собственных шумов ПИ.
Током или напряжением шума ПИ называется среднее квадратическое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ, или напряжения на заданной нагрузке в его цепи в указанной полосе частот.
Основные виды шумов для ПИ следующие.
Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Δf определяется по формуле
| , |
где k = 1,38•10-23Дж•К-1 – постоянная Больцмана; T – температура приемника; R – его сопротивление.
Дробовый шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузке Rн, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого
| , |
где e – заряд электрона; I0 – среднее значение силы тока; Δf – полоса частот. Спектры теплового и дробового шумов являются равномерными.
Несколько видов шумов часто объединяют единым термином токовый шум (1/f -шум, избыточный шум). На практике часто принимают следующее выражение для дисперсии токового шума:
| , |
где AT – численная постоянная, значение которой зависит от типа ПИ. Спектр этого шума подчиняется 1/f – зависимости.
Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на ПИ, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей, и флуктуациями числа фотонов, излучаемых самим этим слоем. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры, обусловленные непостоянством процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями.
Дисперсия флуктуации мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру TΦ и коэффициент излучения εTΦ, на ПИ площадью A для полосы частот Δf описывается выражением вида
| , |
где εT – коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПИ; σ – постоянная закона Стефана-Больцмана.
Поскольку ПИ является, в свою очередь, излучателем с температурой T пи, то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением
| . |
Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума,
| . |
Спектр этого шума равномерный (белый).
Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы ПИ, он определяет предел чувствительности ПИ. Часто за идеальный ПИ принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным.
Дисперсия напряжения радиационного шума на выходе приемника равна
| , |
где sυф и sυ пи – вольтовые чувствительности ПИ к излучению фона, имеющего температуру Tф, и излучению самого приемника с температурой T пи.
Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого
| . |
Порогом чувствительности приемника ΦΠ в заданной полосе частот называется среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на ПИ модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала равно среднему квадратическому напряжению (току) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока:
| или . |
Применительно к фотоэлементам и фотоумножителям величину ΦΠ называют эквивалентом шума.
Иногда порог чувствительности ПИ характеризуют величиной, эквивалентной шумам облученности или освещенности чувствительного слоя EΠ. На практике ΦΠ или EΠ часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника V ш = √ V 2ш и выходной сигнал ΔV, заметно превышающий V ш и соответствующий потоку ΔΦ или облученности ΔE, т.е.
| или . |
Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Δf, в которой его измеряют, то ΦΠ зависит от Δf. Для более удобного сравнения различных приемников введено понятие порога ΦΠ чувствительност и ПИ в единичной полосе частот - отношение величины ΦΠ к полосе частот:
| . |
Величина, обратная ΦΠ1, называется обнаружителъной способностью приемника:
| . |
Следует отметить, что этот параметр неоднозначен для различных конструкций ПИ одного и того же типа, так как для различных площадей A чувствительного слоя параметры sυ и V ш непостоянны.
Поэтому более удобно пользоваться удельной обнаружителъной способностью приемника:
| . |
Следует указать, что все перечисленные параметры рассматриваются по отношению к излучателю с одной и той же температурой и при постоянной температуре чувствительного слоя ПИ.
Если Φ п, D и D* измеряются по отношению к монохроматическому излучению, то вводится индекс, обозначающий длину волны, например D*λ.
Поскольку величины sυ и V ш являются в общем случае функциями длины волны λ, то и D* также является функцией λ. Наиболее часто встречается случай, когда радиационный шум гораздо меньше других составляющих шума приемника, т.е. зависимостью V ш от λ можно пренебречь. Для этого случая
| . |
Если же преобладает радиационный шум, например, порог чувствительности приемника определяется радиационным шумом излучения фона, поступающего на чувствительный слой («BLIP-detector» или «background-limited infrared photodetector»), то удельная обнаружительная способность D*BLIP(λ) в этом случае определяется как
| . |
В некоторых расчетах удобно пользоваться приближением, описываемым линейной зависимостью монохроматической обнаружительной способности D*1 от длины волны 1, т.е.
| , |
где λmax – длина волны, на которой Dλ* принимает максимальное значение – D*λ max.
Если на приемник падает поток от черного тела с температурой T, имеющий спектр ΦλT, то зная Dλ* для максимума ΦλT, можно рассчитать обнаружительную способность приемника по отношению к этому черному телу
| . |
Если порог чувствительности ПИ определяется шумами фона, попадающего на чувствительный слой ПИ в пределах угла, который он «просматривает» (радиационный порог чувствительности ΦΠ рад), параметр D* в этих случаях находят для полусферического телесного угла 2π и пересчитывают для используемого в каждом конкретном случае угла ΩΠИ. Например, для ПИ с квадратной чувствительной площадкой и угловым полем 2ωΠИ
| . |
Инерционность. Эта характеристика ПИ оценивается его постоянной времени τ, в качестве которой принимают время нарастания то τ0,1…0,9 - интервал времени между точками переходной характеристики ПИ, за который сигнал на выходе ПИ изменяется при внезапном облучении от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения при длительном облучении, или время спада τ0,9…0,1 - интервал времени уменьшения сигнала после прекращения облучения ПИ от 0,9 до 0,1 его установившегося значения.
Постоянная времени т. определяет граничную частоту фотоприемника fгр - частоту синусоидально модулированного потока излучения, падающего на ПИ, при которой его чувствительность снижается до значения 0,707 чувствительности при немодулированном излучении.
Сопротивление приемника. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения ПИ. Зная его, можно найти оптимальное сопротивление нагрузки ПИ. Для различных ПИ используются разные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темновое сопротивление RT - сопротивление приемника в случае отсутствия облучения приемника. Для фотодиодов обычно приводят значение дифференциального сопротивления - RД, которое равно отношению малых приращений напряжения сигнала к фототоку при заданных эксплуатационных условиях, например при заданной облученности ПИ.
При согласовании приемника с последующей электронной схемой разработчику приходится учитывать величину RT (или RД) при выборе типа усилителя и схемы связи приемника с усилителем.
Спектральные параметры (параметры спектральной характеристики). Коротковолновая и длинноволновая границы спектральной чувствительности ПИ определяются как наименьшая и наибольшая, соответственно, длины волн монохроматического излучения, при которых чувствительность ПИ равна 0,1 ее максимального значения.
Эффективность приема излучения в диапазоне λ1…λ2 можно оценить с помощью величины, называемой коэффициентом использования или спектральным КПД приемника:
| , |
где sλ – спектральная характеристика чувствительности ПИ; Φλ – спектральная плотность потока излучения, падающего на ПИ.
Строго говоря, коэффициент использования можно считать параметром ПИ только в том случае, если рассматривать его по отношению к какому-то определенному источнику излучения, например, эталонному.
Геометрические, электрические и другие параметры. Для оценки конструктивных особенностей ПИ при работе его в составе ОЭП необходимо знать такие его параметры, как площадь и конфигурация чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты поглощения, преломления и отражения), емкость, напряжение питания (рабочее напряжение), температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его свойства.
Отдельные группы параметров характеризуют специфические свойства различных типов приемников, например, фоторезисторов, координатных фотоприемников и др.
4.2.2. Основные характеристики приёмников оптического излучения
Спектральные характеристики. Вследствие избирательности поглощения энергии излучения большинством ПИ их чувствительность к монохроматическому излучению меняется с изменением длины волны падающего потока. Эту чувствительность называют спектральной, а зависимость ее от длины волны падающего на приемник монохроматического потока излучения - спектральной характеристикой чувствительности (рисунок 23).
Вольтовые характеристики. Вольтовые характеристики выражают зависимости чувствительности, тока и напряжения шума, удельной обнаружительной способности и других параметров от напряжения, приложенного к приемнику. Вольтовая характеристика чувствительности s(U) определяется при фиксированном потоке излучения, падающего на ПИ.
Зависимости параметров от мощности излучения. К ним относятся: люкс-омическая характеристика фоторезистора - зависимость светового сопротивлении фоторезистора от освещенности; энергетические характеристики – зависимости силы тока или напряжения сигнала от потока излучения, падающего на ПИ; световая характеристика фотоумножителя - зависимость анодного тока фотоумножителя от значения потока – и ряд других.
Зная энергетические характеристики ПИ, можно легко определить его интегральную (вольтовую, токовую) чувствительность, которая является крутизной зависимости U = f(Φ) или I = f(Φ).
1 – сернисто-кадмиевый фоторезистор CdS;
2 – кремниевый фотодиод;
3 – германиевый фотодиод;
4 – неохлаждаемый фоторезистор PbS295;
5 – охлаждаемый фоторезистор PbS78;
6 – охлаждаемый фоторезистор InSb78;
7 – глубокоохлаждаемый (Т=ЗО К) фоторезистор Ge;
8 – охлаждаемый фотоприемник (фоторезистор, фотодиод) Hg1-xCdxTe при х=0,95 и температуре охлаждения Т=70 К;
9 – то же, при х=0,1 и температуре охлаждения Т=83 К;
10 – охлаждаемый фоторезистор Go:Au78
Рисунок 23 – Спектральные характеристики некоторых ПИ
Селективные ПИ при увеличении потока, падающего на них, ведут себя подобно глазу – их чувствительность падает. Поскольку для большинства таких приемников энергетические характеристики нелинейны, т.е. крутизна в различных точках неодинакова, чувствительность ПИ необходимо определять при заданной освещенности (облученности) его приемной площадки, а также при заданном спектральном составе излучения. При других освещенностях значение чувствительности может быть иным, поэтому при изменениях потока, падающего на ПИ, следует учитывать изменение чувствительности, пользуясь энергетической характеристикой.
Частотные характеристики. Зависимость чувствительности ПИ от частоты модуляции падающего на него потока излучения называется частотной характеристикой чувствительности ПИ. Эта характеристика связана с постоянной времени приемника τ. Максимально допустимая (граничная) частота модуляции fгр зависит именно от значения τ.
Граничную частоту модуляции определяют по-разному, в зависимости от допуска на падение чувствительности s. Так, при s(fгр) = 0,16s(0) частота fгр = 1/τ, а при s(fгр) = 0,71s(0)fгр = 1/(2πτ). Часто принимают fгр = 1/(3τ).
Зависимость D* от частоты модуляции потока излучения называется частотной характеристикой удельной обнаружительной способности.
Иногда к частотным характеристикам относят спектральные плотности тока или напряжения шума ПИ – распределения плотности φш дисперсии тока или напряжения шума приемника по частотам. Эти зависимости называют также спектром мощности шума. Типичная зависимость такого рода для полупроводниковых ПИ приведена на рис. 6.2.
В области «избыточного» шума, обусловленного главным образом контактными явлениями и флуктуациями скорости рекомби-нации носителей (на частотах 0…f1), спектр шума подчиняется закону 1/f ξ, причем ξ ≈ 1. Обычно граница этой области f1 не превышает 1000 Гц.
Рисунок 24 – Типичный спектр мощности шума ПИ
В области частот f1…f2, где практически имеет место равномерное распределение, основным является генерационно-рекомбинационный шум, а в области выше f2 (десятки и более килогерц) - тепловой.
Зная подобные характеристики для конкретных приемников, можно выбрать частоту модуляции сигнала и полосу пропускания системы так, чтобы по возможности уменьшить влияние собственных шумов ПИ на чувствительность прибора. С точки зрения уменьшения дисперсии шума в заданной полосе Δf
целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции f0 и уменьшать полосу пропускания Δf системы.
Температурные характеристики. Это - зависимости, определяющие изменение различных параметров ПИ, например, тока и напряжения шума, сопротивления и чувствительности, при изменении температуры его чувствительного слоя.
Фоновые характеристики. Это - зависимости параметров (сопротивления, чувствительности, тока и напряжения шумов, удельной обнаружительной способности) от немодулированного потока излучения фона.
Временные и пространственные характеристики. К ним обычно относят: переходные характеристики, описывающие изменение сигнала на выходе ПИ при внезапном облучении или затемнении его чувствительного слоя; зонную характеристику - распределение чувствительности по площадке приемника; угловую характеристику чувствительности - ее зависимость от угла падения лучей на чувствительный слой ПИ, а для координатных ПИ - координатную характеристику, определяющую зависимость сигнала на выходе ПИ от координаты изображения (пятна) на чувствительном слое, и временной дрейф нулевой точки координатного ПИ - смещение нулевой точки координатной характеристики при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.
К временным характеристикам можно отнести также зависимости изменения параметров приемника во времени, характеризующие их стабильность.
