Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора



1. Краткая классификация приемников излучения, используемых в оптико-электронных приборах

Устройство, предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, называют приемником оптического излучения (приемником излучения, фотоприемником). К приемникам оптического излучения часто относят устройства, преобразующие ИК или УФ излучение в видимое, например, электронно-оптические преобразователи, фотопленки различных видов и другие фоточувствительные материалы, а также фотоприемные устройства (ФПУ), в которых в единую конструкцию объединены собственно приемник (ПИ) и схема предварительной обработки электрического сигнала, например схема предварительного усиления.

Помимо преобразования одного вида энергии (оптической) в другой (электрическую) многие специальные приемники излучения и ФПУ выполняют в ОЭП и другие функции: преобразуют закон распределения освещенности (а не просто поток излучения) в соответствующий электрический сигнал, служат для анализа закона распределения освещенности в изображении, служат для определения координат изображений и их отдельных зон, служат для фильтрации полезного сигнала на фоне помех и т.д. Типичными ПИ такого типа являются электровакуумные передающие телевизионные трубки, а также их твердотельные аналоги, например ПЗС-матрицы.

В данной главе рассматриваются 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: многодиапазонные (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) [9, 30 и др.].

2. Параметры приемников излучения

Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества.

Рассмотрим основные параметры ПИ, с которыми наиболее часто приходится иметь дело разработчику ОЭП.

Чувствительность. 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 s_e, чувствительность к световому потоку s_v, чувствительность к облученности s_Ee или к освещенности s_Ev.

Токовой чувствительностью s_I называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой s_х - чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.

Интегральной чувствительностью ПИ называется чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, а монохроматической чувствительностью s - чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны l.

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 конструированном 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 ?f определяется по формуле:

где k = 1,38 10^-23 Дж К^-1 - постоянная Больцмана; Т - 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 R_н, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого

где е - заряд электрона;

I₀ - среднее значение силы тока;

Df - 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 А_T - 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 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 флуктуаций мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру T_f и коэффициент излучения e_тf,, на ПИ площадью А для полосы частот Df описывается выражением вида

,

где e_т - коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПИ; у - постоянная закона Стефана-Больцмана.

Поскольку ПИ является, в свою очередь, излучателем с температурой Т_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 s_хf и s_хпи - вольтовые чувствительности ПИ к излучению фона, имеющего температуру T_?, и излучению самого приемника с температурой Т_пи.

Если указанные шумы некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого равна сумме дисперсий отдельных видов шума

Порогом чувствительности приемника F_П в заданной полосе частот называется среднее квадратическое значение первой гармоники попадающего 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 . (1)



Применительно к фотоэлементам и фотоумножителям величину ?_П называют эквивалентом шума.

Иногда порог чувствительности ПИ характеризуют величиной, эквивалентной шумам облученности или освещенности чувствительного слоя Е_П. На практике Ф_П или Е_П часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника и выходной сигнал DV, заметно превышающий и соответствующий потоку или облученности DЕ, т.е.

или

Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Df, в которой его измеряют, то Ф_П зависит от Df. Для более удобного сравнения различных приемников введено понятие порога Ф_П1 чувствительности ПИ в единичной полосе частот - отношение величины Ф_П к полосе частот:

Величина, обратная Ф_П1, называется обнаружительной способностью приемника:

D = 1/Ф_П1.

Следует отметить, что этот параметр неоднозначен для различных конструкций ПИ одного и того же типа, так как для различных площадей А чувствительного слоя параметры s_х и непостоянны.

Поэтому более удобно пользоваться удельной обнаружительной способностью приемника:

(2)

Следует указать, что все перечисленные параметры рассматриваются по отношению к излучателю с одной и той же температурой (температурой паспортзации ПИ) и при постоянной температуре чувствительного слоя ПИ.

Если Ф_П, D и D^* измеряются по отношению к монохроматическому излучению, то вводится индекс, обозначающий длину волны, например D^*_?.

Поскольку величины s_х и являются в общем случае функциями длины волны l, то и D^* также является функцией. Наиболее часто встречается случай, когда радиационный шум гораздо меньше других составляющих шума приемника, т.е. зависимостью от 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 в этом случае определяется как

В некоторых расчетах удобно пользоваться приближением, описываемым линейной зависимостью монохроматической обнаружительной способности Dl^* от длины волны l, т.е.



где l_max - длина волны, на которой Dl^* принимает максимальное значение - D^*l_max.

Если на приемник падает поток от черного тела с температурой Т, имеющий спектр F_lT,, то зная D_l^* для максимума F_lT,, 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), параметр D^* в этих случаях находят для полусферического телесного угла 2p и пересчитывают для используемого в каждом конкретном случае угла Щ_ПИ. Например, для ПИ с квадратной чувствительной площадкой и угловым полем 2_ПИ

Инерционность. Это свойство ПИ оценивается его постоянной времени, в качестве которой принимают время нарастания Т_0,1...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 Т_0,9...0,1 - интервал времени уменьшения сигнала после прекращения облучения ПИ от 0,9 до 0,1 его установившегося значения.

Постоянная времени t определяет граничную частоту фотоприемника f_гр - 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 R_T - сопротивление приемника в случае отсутствия облучения приемника. Для фотодиодов обычно приводят значение дифференциального сопротивления R_Д, 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 R_T (или R_Д) 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 l₁...l₂ можно оценить с помощью величины, называемой коэффициентом использования или спектральным КПД приемника:



где sl - спектральная характеристика чувствительности ПИ;

F_l - 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.

3. Характеристики приемников излучения

Звисимость, определяющая изменение какого-либо параметра приемника при изменении внешнего воздействия на него, называется характеристикой.

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 (рис. 1).

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.

Рис. 1. Спектральные характеристики некоторых ПИ:

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 (T = 30 K) фоторезистор Ge; 8 - охлаждаемый фотоприемник (фоторезистор, фотодиод) Hg_1-xCd_xTe при x = 0,95 и температуре охлаждения T = 70 K; 9 - то же, при x = 0,1 и температуре охлаждения T = 83 K;

10 - охлаждаемый фоторезистор Ge:Au₇₈.

Зависимости параметров от мощности излучения. К ним относятся: люкс-омическая характеристика фоторезистора - зависимость светового сопротивления 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(F) или I = f(F).

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. Эта характеристика связана с постоянной времени приемника. Максимально допустимая (граничная) частота модуляции f_гр зависит именно от значения.

Граничную частоту модуляции определяют по-разному, в зависимости от допуска на падение чувствительности s. Так, при s(f_гр) = 0,16s(0) частота f_гр = 1/t, а при s (f_гр) = 0,71s(0) f_гр = 1/(2pt). Часто принимают f_гр = 1/(3t).

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 j_ш 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. 2.

Рис. 2. Типичный спектр мощности шума ПИ

В области «избыточного» шума, обусловленного главным образом контактными явлениями и флуктуациями скорости рекомбинации носителей (на частотах 0...f₁), спектр шума подчиняется закону 1/f, причем 1. Обычно граница этой области f₁ не превышает 1000 Гц.

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 D_ш в заданной полосе f целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции f₀ и уменьшать полосу пропускания f системы, так как

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.

Временныме 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 временномй дрейф нулевой точки координатного ПИ - смещение нулевой точки координатной характеристики при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.

К временнымм характеристикам можно отнести также зависимости изменения параметров приемника во времени, характеризующие их стабильность.

4. Паспортизация приемников. Пересчет их параметров

Так как параметры и характеристики ПИ существенно зависят от условий их эксплуатации, спектрального состава и других параметров потока, необходимо четко оговорить некоторые стандартные (нормальные) условия, в которых следует проводить их измерения (паспортизацию). Кроме того, параметры и характеристики ПИ разных типов и назначения резко различаются между собой, поэтому ограничиться для всех ПИ одними и теми же стандартными условиями не представляется возможным.

Приемники, работающие в средней части ИК спектра, т.е. в диапазоне 1,5...20 мкм (обычно это охлаждаемые ПИ), калибруют по излучателю - черному телу с температурой 373 K. Неохлаждаемые фоторезисторы, работающие в ИК спектральном диапазоне до 5 мкм, калибруют по черному телу с температурой 573 K. Параметры ПИ, работающих в видимом диапазоне, определяют по лампам накаливания - источникам А с цветовой температурой вольфрамовой нити T_ц = 2856 K, источникам В (T_ц = 4800 K) и С (T_ц = 6500 K).

В зависимости от инерционности ПИ и спектра шумов устанавливаются различные частоты модуляции и полосы пропускания при их паспортизации. Чувствительность многих фоторезисторов определяется при частотах модуляции 400 и 500 Гц и полосе пропускания измерительной установки в несколько десятков герц. Весьма инерционные тепловые ПИ паспортизуются при частотах модуляции потока в несколько герц, а малоинерционные ПИ - при частотах 900...1000Гц.

Должны быть оговорены также температура окружающей среды, влажность, давление и такие параметры измерительной установки, как входное сопротивление R_вх (обычно R_вх х R_т) и уровень шума , приведенный к выходу ПИ (обычно уровень шума установки должен быть не менее чем в 2 раза меньше уровня шумов исследуемого ПИ).

Иногда некоторые важнейшие условия измерений параметра приводятся в качестве индексов при его обозначении. Например, D^*_500,90,1 означает, что измерение D^* велось по черному телу с температурой 500K, при частоте модуляции 90 Гц и было отнесено к полосе пропускания 1 Гц.

В реальных условиях работы ПИ принимает поток, как правило, отличающийся по своему спектральному составу от потока, который он принимает при паспортизации. Например, это происходит вследствие того, что температура излучателя, по которому работает ОЭП, отличается от температуры источника, по которому паспортизуется (калибруется) ПИ. В ряде случаев ПИ, откалиброванный по отношению к излучению со сплошным спектром (например, по отношению к излучению черного тела), работает с монохроматическим потоком (например, потоком, приходящим от лазера). Поэтому в каждом таком случае параметры ПИ должны быть пересчитаны для новых условий. Рассмотрим характерный пример пересчета чувствительности ПИ.

Пусть имеется ПИ с чувствительностью s_х1 к излучению со спектральной плотностью потока излучения s_х1. Требуется определить его чувствительность s_v2 к излучению источника, описываемому функцией s_х2, т.е., например, к излучателю с другой температурой.

Выражение для чувствительности ПИ в общем виде можно записать как

где F_l - функция, описывающая распределение потока, пришедшего на ПИ в диапазоне l_m...l_n по спектру длин волн; t_l - спектральный коэффициент пропускания среды; s_l - спектральная характеристика чувствительности ПИ; s_lmax - абсолютное значение спектральной чувствительности в максимуме спектральной характеристики ПИ.

При измерении чувствительности s_х1 работа происходит в среде со спектральным пропусканием t_l1 в диапазоне l₁...l₂, а при работе по излучателю, свойства которого описываются функцией F_l2 - в среде с пропусканием t_l2 в диапазоне l₃...l₄, причем t_l2 может учитывать и пропускание оптики прибора.

Если в случае калибровки ПИ и при его работе в реальных условиях рабочая точка энергетической характеристики для монохроматического потока лежит в линейной зоне, т.е. s_lmax1 = s_lmax2 = s_lmax, то, очевидно,

откуда искомая величина

(3)

В том случае, когда берутся одинаковые пределы интегрирования по l, а величины t_l1 и t_l2 принимаются постоянными, т.е. не зависящими от л,

₂/₁, (4)

где j₁ и j₂ - коэффициенты использования (см. §2).

Очень часто в практике подобных расчетов приходится переходить от параметров, размерность которых выражена в световых единицах, к параметрам с размерностью в энергетических единицах. Например, значение токовой чувствительности кремниевого фотодиода приводится в единицах ампер на люмен, в то время как максимум его спектральной характеристики чувствительности приходится на ближнюю ИК область, где поток измеряется не в люменах, а в ваттах. Паспортная чувствительность s_I в ампер на люмен определяется по источнику - лампе с определенными температурой нити накала T₁ (T_ц = 2856K) и спектром F_l1, и может быть с учетом формулы для светового потока представлена для диапазона l₁...l₂ как

Рассуждая так же, как и при выводе (3), можно получить следующее выражение для токовой чувствительности s_I2, определенной для излучателя со спектром F_l2 в диапазоне l₃...l₄:

(5)

Аналогично можно пересчитать и другие параметры, изменяющиеся с переходом к излучателю с новым спектральным составом излучения. Например, для пересчета порога чувствительности можно воспользоваться зависимостью (4), и если радиационный шум ПИ мал по сравнению с другими шумовыми составляющими, то формула для величин F_П в соответствии с (1) и (4) будет выглядеть следующим образом:

Ф_П2 = Ф_П11/₂. (6)

Общую методику пересчета параметров можно свести к следующей последовательности действий:

составляется развернутое - «спектральное» - выражение для известного (паспортного) параметра ПИ с учетом его размерности;

составляется такое же выражение для искомого - пересчитываемого - параметра с учетом отличий в условиях работы ПИ и размерности по сравнению с паспортным параметром;

полученная система из двух уравнений решается относительно искомой величины.

Эта же методика может быть использована и при пересчете интегральных параметров в спектральные, т.е. при определении чувствительности ПИ к монохроматическому излучению.

Пусть, например, требуется определить чувствительность ПИ, откалиброванного по излучению известного спектрального состава F_l, для какой-либо длины волны l (для монохроматического излучения) в абсолютных единицах s_lабс = s_lабс(l), если известны кривая спектральной чувствительности приемника s_l, построенная в относительных единицах, и значение абсолютной интегральной чувствительности s_S-- = s_инт, измеренное в диапазоне l_m...l_n, включающем l.

Поскольку интегральную чувствительность для диапазона l_m...l_n можно выразить как

то максимальная монохроматическая абсолютная чувствительность

(7)

Так как s_l = s_lабс /s_lmax, то после подстановки в (7) s_lmax искомая абсолютная спектральная чувствительность на длине волны l определится как

s_lабс (8)

Чувствительность s_S для всего диапазона длин волн, в котором работает ПИ, приводится обычно в его паспорте (интегральная, вольтовая или токовая чувствительность). По аналогии для световых величин

s_lабс (9)

Здесь s_lабс выражена в амперах на ватт (АЧВт^-1) или вольтах на ватт (ВЧВт^-1); s_S - в амперах на люмен (АЧлм^-1) или вольтах на люмен (ВЧлм^-1).

Величина s_lабс зависит не от вида источника (черное тело, лазер и т.д.), относительно которого она определяется, а лишь от квантового выхода на данной длине волны.

Приведем некоторые удобные для практических расчетов формулы.

Порог чувствительности в ваттах для монохроматического излучения с длиной волны l_i определяется как

(10)

а для монохроматического светового потока в люменах

(11)

Для перехода к квантовой форме представления порогового потока F_Пli необходимо разделить (10) на энергию кванта, т.е.

(12)

Для вычисления интегралов во всех приведенных выше выражениях можно воспользоваться любым из известных способов графического интегрирования. Аналитический способ чаще всего неприемлем, так как зависимость s_l трудно описать какой-либо функцией, а, кроме того, интегрирование функции F_l также представляется громоздкой операцией. Можно значительно облегчить расчет, если заменить интегралы суммами, например, для (8):

s_lабс = (13)

Если в рассматриваемом спектральном диапазоне спектральный коэффициент пропускания оптических сред - величина непостоянная, то в формулы (7) - (13) следует ввести функции t_l, как в (3).

5. Основные виды приемников излучения, применяемых в оптико-электронных приборах

Рассмотрим краткую сравнительную характеристику основных групп и видов ПИ, наиболее широко используемых в оптико-электронном приборостроении, имея в виду, что подробному изложению физических принципов их работы, особенностей схем включения и других вопросов посвящена многочисленная литература [9, 20, 22, 24, 30, 35 и др.].

Фотоэмиссионные приемники (с внешним фотоэлектрическим эффектом). К этим приемникам относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В основе внешнего фотоэлектрического эффекта лежит эмиссия фотоэлектронов под действием падающего излучения. Эмитируемые электроны под действием приложенного напряжения, создающего ускоряющее поле, направляются от эмиттера-катода к аноду, образуя во внешней цепи ток.

Характеристики некоторых часто встречающихся на практике фотокатодов приведены в табл. 1.

Параметры современных ПИ этого класса позволяют применять их как для регистрации чрезвычайно малых световых потоков (10^-13...10^-14 лм), так и для приема очень мощных излучений. Спектральные характеристики ФЭ и ФЭУ определяются типом фотокатода, а их постоянная времени обычно не превышает 10^-9с. Токовая чувствительность ФЭУ зависит от числа каскадов умножения и напряжения питания и может достигать нескольких десятков ампер на люмен. При этом важно отметить относительно большой линейный участок световых характеристик ФЭУ. Линейная зависимость выходного тока от освещенности на фотокатоде иногда сохраняется при освещенности более 10³ лк.

К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость иметь высокое стабилизированное питающее напряжение (сотни и тысячи вольт), возможность потери эмиссионной способности некоторых типов ФЭУ при освещении значительными световыми потоками, сравнительную сложность схемы включения и большие габаритные размеры по сравнению с другими приемниками. Шумы фотоэмиссионных ПИ зависят главным образом от дробового шума и низкочастотного фликкер-эффекта (эффекта мерцания). Для ФЭУ следует также учитывать шум, обусловленный вторичной эмиссией, и шум в нагрузке.

Таблица 1

Характеристики некоторых фотокатодов [9, 24, 30]

У фотоэмиссионных ПИ можно наблюдать весьма значительную неравномерность чувствительности по площади фотокатода. Основным методом борьбы с ней является создание такой оптической схемы прибора, при которой фотокатод облучается не в маленькой зоне, а по всей площади, т.е. применение конденсоров.

Фоторезисторы. В основе работы фоторезисторов (рис. 3) лежит изменение электропроводности чувствительного слоя при облучении. Помимо полезного сигнала, поступающего обычно на фоторезистор в виде модулированного потока, часто имеется и посторонний мешающий фон. Наличие последнего вызывает уменьшение сопротивления R_ф слоя и при отсутствии сигнала, что необходимо учитывать при выборе значения R_н.

Рис. 3. Типовая схема включения фоторезистора

Задача оптимального выбора параметров цепи включения облегчается, если известны энергетические и фоновые характеристики приемника. Иногда более целесообразно использовать зависимость изменения сопротивления приемника от освещенности, т.е. R_ф = f (E). Эта характеристика позволяет выбрать сопротивление нагрузки R_н, находящееся оптимальном соотношении с сопротивлением приемника R_ф при различных освещенностях чувствительного слоя.

Значения интегральной и вольтовой чувствительности, измеренные при отсутствии постоянного фона, будут отличаться от значений, полученных при наличии фона. При этом меняется и уровень шума на выходе фоторезистора. В этих условиях пороговый поток также изменяется.

У многих типов фоторезисторов при достижении определенного значения U_n наступает резкое увеличение уровня шума при сравнительно небольшом нарастании сигнала. Это значение обычно не превышает нескольких десятков вольт, в редких случаях (например, для некоторых сернисто-кадмиевых фоторезисторов) - нескольких сотен вольт.

Нужно отметить, что наиболее чувствительные фоторезисторы оказываются и наиболее инерционными. Для ряда ПИ установлена прямая связь между порогом чувствительности F_П и постоянной времени t вида F_П tconst.

Допустимая мощность рассеяния фоторезисторов зависит от материала чувствительного слоя, а также от режима облучения. При непрерывном облучении эта мощность находится в пределах от сотых до десятых долей ватта, при импульсном облучении она достигает единиц ватт.

К числу основных шумов, определяющих порог чувствительности фоторезисторов, относятся тепловой и токовый шумы. Предел уменьшения порогового потока ограничивается радиационным шумом.

Отметим такие достоинства фоторезисторов, как малые размеры и массу, пониженное по сравнению с фотоэмиссионными приемниками напряжение питания, возможность работы в значительно более широком спектральном диапазоне. Ряд фоторезисторов имеет очень высокую интегральную чувствительность, мощность их рассеяния достаточна для управления электрической цепью мощностью в несколько ватт.

К недостаткам фотоприемников этого класса можно отнести повышенную инерционность, значительную зависимость характеристик и параметров от температуры, малую линейную зону энергетической характеристики, зависимость выходного сигнала от площади засветки чувствительного слоя.

Типовые параметры некоторых фоторезисторов приведены в табл. 2. Сведения о других параметрах и характеристиках фоторезисторов, в частности, об их конструктивных размерах, форме и размерах чувствительного слоя, питающих напряжениях и др., приведены в работах [9, 30].

Таблица 2

Типовые параметры фоторезисторов

Примечание. В квадратных скобках в столбце значений F^*_Пlmax указаны частота модуляции потока и угловое поле ПИ, а в столбце значений s_инт - температура источника в Кельвинах, по которому калибровался ПИ, и частота модуляции потока

Фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиодом принято называть полупроводниковый ПИ, основанный на использовании односторонней проводимости p-n-перехода, при освещении которого или образуется ЭДС (фотогальванический, или вентильный режим - рис. 4, a), или при наличии источника питания в цепи фотодиода изменяется его обратный ток (фотодиодный режим - рис. 4, б).

Рис. 4. Схемы включения фотодиодов в фотогальваническом (а) и фотодиодном (б) режимах

Фотодиоды изготовляют на основе:

- одного p-n-перехода, сформированного на границе двух областей из одного материала с соответствующими примесями противоположного типа;

- гетероперехода, образующегося на границе двух областей различных материалов с примесями противоположного типа;

- контактного барьера, возникающего на границе металл - n-полупроводник и металл - p-полупроводник;

- различных МДП-структур (барьера Шоттки) и ряда других схем [9, 12, 22, 30].

В настоящее время материалами для изготовления фотодиодов часто служат германий, кремний, а также сурьмянистый индий и арсенид галлия.

Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды. В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют существенные преимущества перед германиевыми. Темновой ток кремниевых приемников почти постоянен, а темновой ток германиевых фотодиодов при изменении температуры от 20 до 50°С может изменяться в 3...5 раз.

Другим достоинством кремниевых фотодиодов является возможность работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), что недопустимо для германиевых фотодиодов.

Постоянная времени фотодиода в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Для сплавных фотодиодов значение t обычно близко к 10^-5с; для диффузионных фотодиодов при маленьких площадках t может достигать 10^-6с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть t = 10^-10с.

Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке p-i-n-фотодиодов [9]. Типичный p-i-n-фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной n-области, более толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (i-область) и сильно легированной p-области. В результате освобождения i-области от носителей под воздействием обратного смещения в ней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в i- и n-областях и образует электронно-дырочные пары. Электроны и дырки разделяются полем и покидают i-область, а пары, возникающие в n-области, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным ускоряющим электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в n-области.

При площади чувствительного слоя около 100 мм² кремниевые p-i-n-фотодиоды обладают чувствительностью 0,015 АЧВт^-1 при l = 0,4 мкм и временнымм разрешением 5 нс. При приеме излучения с l = 0,9 мкм и напряжении смещения U_см = 1000 В их чувствительность составляет 0,53 АЧВт^-1, а темновой ток I_тЈ20 мкА при U_см = 700 В и I_тЈ5 мкА при U_см = 300 В. Световые характеристики этих диодов при U_см = 100...1000 В линейны до значений фототоков в 6 А.

В фотодиодах усиление тока можно получить умножением числа носителей. На этом принципе основаны лавинные фотодиоды [9], в которых при обратном напряжении, равном или близком к пробивному, в области p-n-перехода подвижные носители приобретают столь высокие скорости, что вызывают ионизацию атомов решетки, т.е. образуют новые электронно-дырочные пары. Это же ускорение действует и на носители, появившиеся в области p-n-перехода при его освещении. Для обеспечения стабильности коэффициента усиления фототока необходимо очень тщательно стабилизировать питающее напряжение и температуру, что усложняет использование лавинных фотодиодов. Эти ПИ используют для приема слабых сигналов, в основном, при лазерной локации. Их постоянная времени составляет 10^-8...10^-9с при коэффициенте внутреннего усиления до 10⁴ и рабочем напряжении 30...100 В.

Среди других полупроводниковых ПИ, можно отметить фотодиоды с барьером Шоттки, характеризующиеся сравнительно простой технологией изготовления, параметры которых близки к параметрам p-i-n-фотодиодов, а также гетерофотодиоды [9, 12].

Сравнительно большие темновые токи при включении обычных фотодиодов в фотодиодном режиме делают невозможным их использование для измерения малых потоков. В этом случае необходимо работать в фотогальваническом режиме, при котором обнаружительная способность системы определяется практически не весьма малыми шумами приемника, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев.

Наибольшее влияние на обнаружительную способность фотодиодов оказывают дробовый, тепловой (электрического сопротивления базы), а также токовый шумы.

Фототранзисторы - это обладающие свойством усиления фототока ПИ с двумя p-n-переходами, в которых происходит направленное движение носителей тока.

Фототранзисторы имеют высокий квантовый выход (около 100). Однако наличие второго p-n-перехода приводит к значительному увеличению шумов, поэтому часто предпочитают использовать фотодиоды, добавляя дополнительный каскад в усилитель сигнала, шум которого меньше влияет на обнаружительную способность прибора по сравнению с шумом, возникающим при использовании фототранзистора. Основными видами шумов в фототранзисторах являются тепловой и дробовый шумы.

К недостаткам фототранзисторов относятся: значительная нестабильность параметров и характеристик во времени и при изменении температуры окружающей среды; меньшая, чем у фотодиодов, обнаружительная способность. У ряда фототранзисторов в центре чувствительного слоя вследствие затенения эмиттером части базы имеется «слепое пятно». Поэтому при их использовании необходимо распределять поток по всей чувствительной поверхности фотослоя, т.е. применять конденсоры.

Параметры некоторых отечественных фотодиодов и фототранзисторов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметры некоторых фотодиодов и фототранзисторов

Тепловые (неселективные) приемники излучения. Принцип работы термоэлементов основан на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы (термоЭДС) в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников (рис. 5), при условии, что между двумя их спаями имеется разность температур, т.е. контактные разности потенциалов на каждом спае различны.

В качестве материалов для металлических термоэлементов используют сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур, константан, хромель и различные сплавы этих веществ, а для полупроводниковых - сурьму, кремний, теллур, селен. Данные об их термоэлектрических свойствах приведены в литературе [9, 12].

Рис. 5. Принципиальная схема включения термоэлемента

Обычно сопротивление термоэлемента очень мало (не выше десятков омов), что обуславливает необходимость применения трансформаторного входа в качестве согласующего звена между ПИ и усилителем, а это усложняет конструкцию прибора. К недостаткам термоэлементов следует также отнести их большую инерционность (постоянная времени составляет десятки и сотни миллисекунд). оптический электронный приемник излучение

Принцип работы болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительной площадки под действием падающего на него потока излучения. Относительное изменение сопротивления болометра R_б при изменении его температуры на DT в случае, если DR_б <<R_б, можно представить уравнением

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) в_т для большинства металлов в широком диапазоне температур обратно пропорционален температуре, т.е. в_т = 1/T, а для большинства полупроводников в_т = -3000/T². Важно отметить различные знаки изменения сопротивления полупроводниковых и металлических болометров.

Простейшая схема включения болометра аналогична схеме включения фоторезистора. Болометр обычно включают по мостовой схеме (рис. 6), которая питается постоянным или переменным током. Влияние окружающей температуры может вызвать нежелательный разбаланс моста, поэтому в качестве уравновешивающего элемента схемы часто применяют также болометр, называемый компенсационным. При изменении внешних условий оба болометра в одинаковой степени изменяют свое сопротивление, в результате чего равновесие моста сохраняется. Поток от излучателя попадает только на один болометр, что вызывает разбаланс моста.



Рис. 6. Принципиальная схема включения болометра

В пироэлектрических ПИ при малейших изменениях температуры приемника - сегнетоэлектрика с постоянной электрической поляризацией эта поляризация заметно изменяется, что ведет к изменению разности потенциалов на выходах приемника. Пироэлектрические ПИ являются емкостными, а не резисторными, т.е. их полное сопротивление уменьшается с ростом частоты модуляции падающего на них излучения. Поэтому они позволяют получить очень широкую и равномерную частотную характеристику. Частотная характеристика пироэлектрического ПИ зависит от двух факторов: скорости теплового процесса и электрической схемы включения приемника. Подбором активной нагрузки R_н в цепи включения пироэлектрического ПИ частотную характеристику можно сделать равномерной вплоть до очень высоких частот (до 10⁷ Гц и выше). При R_н = 1000 МОм спад характеристики наблюдается при 300 Гц, а при R_н = 100 кОм - при 3Ч10⁶ Гц, но в последнем случае пороговый поток приемника увеличивается примерно в 10⁴ раз [12].

В начале 1990-х гг. были созданы первые образцы тепловых многоэлементных приемников излучения (МПИ) на основе диэлектрических болометров, использующих в качестве чувствительных элементов ферроэлектрические конденсаторы. Механизм работы диэлектрического болометра заключается в следующем. При изменении температуры ферроэлектрического конденсатора меняется его диэлектрическая постоянная и, следовательно, емкость конденсатора. При приложенном к конденсатору напряжении изменяется заряд, поступающий с него на схему считывания сигнала. Как известно, все ферроэлектрики при приложении напряжения обнаруживают пироэлектрическое свойство - спонтанная поляризация является функцией температуры Т. Ее изменение характеризуется пироэлектрическим коэффициентом

Заряд, возникающий на чувствительном слое диэлектрического болометра, пропорционален величине р и скорости изменения температуры этого слоя. Поэтому для регистрации неподвижных объектов и сцен с неизменной температурой входной сигнал (поток излучения) приходится модулировать, т.е. периодически прерывать. Наличие обтюратора (модулятора) усложняет конструкцию ОЭП с описываемыми приемниками. Однако при этом появляется возможность отфильтровывать низкочастотные шумы в электронном тракте системы.

Конструкция ряда болометров описана в литературе [9, 22, 24]. В табл. 4 приведены параметры типовых приемников этого класса.

Таблица 4

Параметры некоторых тепловых приемников излучения



Иногда в отдельную группу выделяют ПИ, работающие в двух спектральных диапазонах или более. Сегодня известны двухдиапазонные ПИ, в которых коротковолновый приемник расположен над длинноволновым и является для последующего фильтром, отсекающим коротковолновую часть падающего излучения. Такие приемники работают в следующих диапазонах: 0,3...1,15 и 1,15...5,2 мкм (PbSe и PbS); 0,4...1,8 и 4...4,8 мкм (Ge и InSb); 3...5 и 8...14 мкм (InSb и PbSnTe). На базе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe, а также структур с квантовыми ямами созданы как двухдиапазонные, так и трехдиапазонные приемники [22].

Помимо рассмотренных выше ПИ в некоторых современных ОЭП иногда используют приемники, основанные и на других физических эффектах (ПИ с СВЧ-смещением, оптико-акустические и т. п.), нашедшие пока ограниченное применение. Сведения о них можно найти в [9, 12, 30 и др.].

6. Одноэлементные координатные (позиционно-чувствительные) и развертывающие приемники излучения

По физическому принципу работы координатные ПИ можно разделить на две большие группы - одноэлементные (с непрерывной структурой чувствительного слоя), в которых обычно осуществляется аналоговая обработка оптических сигналов, и многоэлементные (с дискретной структурой чувствительного слоя) с цифровой обработкой сигналов.

Для описания свойств координатных (позиционно-чувствительных) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координаты изображения на чувствительной поверхности ПИ, помимо параметров и характеристик, рассмотренных §2 и §3, используют и некоторые другие. Важнейшей из них является координатная (статическая, пеленгационная) характеристика - зависимость информативного параметра выходного сигнала (чаще всего амплитуды) от координаты изображения. Линейная зона и крутизна этой характеристики, а также координата нулевой точки, в которой выходной сигнал равен нулю, служат параметрами таких ПИ.

...