Приймачі випромінювання

Приймачі випромінювання

Приймачами випромінювання називають елементи, що призначені для перетворення енергії оптичного випромінювання в енергію будь-якого іншого вигляду (електричну, теплову). Приймачі, що перетворюють ІЧ-випромінювання у видиме, називаються перетворювачами. За принципом дії приймачі ділять на такі основні групи: теплові, фотоелектричні і фотохімічні.

Теплові приймачі,в яких під впливом потоку випромінювання змінюються температура чутливого шара і електричні параметри схеми, є неселективні, однаково реагуючи на випромінювання різних довжин хвиль. Фотоелектричні приймачі, дія яких основана на використанні різних явищ фотоефекту, мають селективну чутливість до випромінювання з різними довжинами хвиль. У таких приймачах під дією потоку випромінювання міняється електропровідність чутливого шара, що веде до зміни фототока або виникнення фотоЕДС. Фотохімічні приймачі, що перетворюють енергію випромінювання у видиме зображення внаслідок хімічної реакції, є селективними приймачами.

До теплових приймачів відносять термоелементи, болометри, термистори, оптико-акустичні, пневматичні і піроелектричні приймачі. Термоелементи - приймачі, основані на термоелектричному ефекті, що призводить до появи термоЕДС при нагріванні чутливого елемента (місця спая двох різнорідних провідників). У болометрах і термісторах (напівпровідникових болометрах) при зміні температури внаслідок нагрівання чутливого елемента змінюється його електричний опір. Робота оптико-акустичних приймачів основана на використанні властивості газів збільшувати свій об'єм при підвищенні їх температури. Пневматичні приймачі діють на основі зміни тиску газу під впливом потоку випромінювання. У піроелектричних приймачах під дією потоку випромінювання міняються параметри сегнетоелектричного чутливого елемента.

Фотоелектричні приймачі ділять на приймачі із зовнішнім фотоефектом (фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, електронно-оптичні перетворювачі), приймачі з внутрішнім фотоефектом (фоторезисторы, фотодіоди, фототріоди), приймачі з подовжнім фотоефектом (інверсійні фотодіоди).

Для оцінки можливості використання приймачів випромінювання в оптичних системах служать їхні характеристики: інтегральна і спектральна чутливість, поріг чутливості і виявлена здатність, постійна часу, частотна характеристика, енергетична характеристика, вольт-амперна характеристика, вольтові характеристики, коефіцієнт використання.

Інтегральною чутливістю S
приймача називається відношення реакції приймача t до потоку випромінювання Фе складного спектрального складу, що викликав цю реакцію:

. (1)

Реакцію приймача визначають значенням електричного сигналу (струму або напруження ) на виході приймача в залежності від типу і схеми включення приймача. Чутливість, що визначається по напруженню, що знімається з приймача, називається вольтовою чутливістю:

.

Спектральна чутливість характеризує реакцію приймача при надходженні на нього монохроматичного потоку випромінювання .

Рисунок 1- Відносна спектральна чутливість

Відношення спектральної чутливості для даної довжини хвилі до максимальної чутливості приймача на довжині хвилі називають відносною спектральною чутливістю (рис. 1):

. (2)

Відносна спектральна чутливість звичайно приводиться у вигляді характеристики, що дозволяє визначати межи використання приймача.

При виборі приймача випромінювання для оптимальної реєстрації заданого випромінювання потрібно прагнути до того, щоб максимум спектральної чутливості приймача знаходився поблизу довжини хвилі, відповідної максимальному значенню спектральної щільності енергетичної світності джерела випромінювання, що визначається законом Віна. Інтегральна і спектральна чутливість пов'язана залежністю

, (3)

що отримується з урахуванням формул (1), (2) після інтегрування рівності і в чисельнику і знаменнику вираження (3).

Аналіз формули (9) показує, що інтегральна чутливість визначається не тільки спектральною чутливістю приймача, але і спектральною щільністю потоку випромінювання джерела. Тому в паспортних даних приймачів випромінювання інтегральна чутливість наведена з параметрами еталонного джерела, для якого визначена чутливість. Наприклад, для фотоелементів і приймачів випромінювання, чутливих у видимій області спектра, використовується джерело (), для фоторезисторів - чорне тіло ( або К), для інших приймачів - джерело типу () або ().

Порогом чутливостіназивається мінімальний потік випромінювання , що викликає на виході приймача сигнал, рівний напруженню шумів , значення якого визначають середнім квадратичним значенням його амплітуди:

.

Поріг чутливості - найважливіша характеристика приймача випромінювання, яка впливає на максимальну дальність дії оптичного приладу. Оскільки поріг чутливості приймача випромінювання залежить від площі чутливого майданчика і ширини смуги пропущення електронного пристрою, то для порівняння різних приймачів поріг чутливості нормують, приводячи до одиничної площі і одиничної смуги пропущення:

.

На практиці для порівняння приймачів випромінювання використовують характеристику , зворотну , звану виявленою здатністю:

.

Інерційні властивості приймача характеризуються постійною часу і частотною характеристикою. Постійною часу приймача називається інтервал часу, протягом якого значення вихідного сигналу приймача досягає певної частини (для більшості приймачів рівної 0,63) від значення, що отримується при постійності потоку випромінювання. Постійна часу для приймачів різних типів змінюється до декількох часток секунди.

Частотна характеристикавизначає зміну інтегральної чутливості приймача в залежності від частоти модуляції поступаючого на нього потоку випромінювання. Її вигляд залежить від постійної часу приймача і типу модуляції.

Линейність роботи приймача випромінювання визначають його енергетична (світлова) і вольт-ампернахарактеристики.

Енергетична характеристикавиражає залежність зміни вихідного сигналу приймача від значення потоку випромінювання (світлового потоку). Вольт-ампернахарактеристика являє собою залежність вихідного сигналу приймача від живильного напруження.

Важливою залежністю є і вольтові характеристики, що встановлюють зв'язок між інтегральною чутливістю, порогом чутливості, напруженням шумів і живильним напруженням.

Коефіцієнт використання , що визначає, яку частину потоку випромінювання, що поступив на приймач, складає ефективний для даного приймача потік:

.

Теплові приймачі.
Основними типами теплових приймачів є термоелементи і болометри. Знаходять застосування металеві і напівпровідникові термоелементи. Матеріалами металевих термоелементів служать мідь, нікель, алюміній, вісмут, кобальт, цинк, срібло, сплав міді і нікеля (константан). З напівпровідникових матеріалів застосовують сурму, кремній, телур, селен.

Інтегральна чутливість металевих термоелементів рівна , а у напівпровідникових - досягає декількох десятків вольт на ват. Поріг чутливості термоелементів складає Вт для металевих і Вт для напівпровідникових термоелементів і не залежить від типу випромінювача.

Постійна часу термоелементів різних типів знаходиться в діапазоні від частки секунди до декількох десятків мілісекунд.

Перевагою термоелементів є порівняно малий поріг чутливості, що дозволяє реєструвати випромінювання малопотужних джерел, до недоліків відносяться велика інерційність, мале значення власного опору, що ускладнює узгодження термоелемента з підсилювачем, і складність конструкції високочутливих термоелементів.

Широке застосування в оптико-електронних приладах, особливо діючих в довгохвильовій ІЧ-області спектра, отримали болометри. У залежності від матеріалу чутливого шара розрізнюють болометри металеві і напівпровідникові. Матеріалами для металевих болометрів служать тонкі плівки золота, нікеля, вісмуту. Напівпровідникові болометри (термістори) виготовляють з оксидів марганця, кобальту, нікеля, а також з германію і сурми.

Рисунок 2- Мостова схема

Звичайно болометри включають по мостовій схемі (рис. 2), що дозволяє усунути вплив зміни температури навколишнього середовища. Болометр використовується для реєстрації потоку випромінювання, а болометр є компенсаційним. При зміні зовнішніх умов опори обох болометрів змінюються однаково, і рівновага моста зберігається. При надходженні потоку випромінювання на болометр рівновагу моста порушується і виникає сигнал

,

де - напруження живлення; і - опори навантаження і болометра відповідно.

Рисунок 3- Характеристики відносної спектральної чутливості

Інтегральна чутливість металевих болометров складає одиниці і десятки вольт на ват, а напівпровідникових десятки і сотень вольт на ват. Поріг чутливості металевих болометрів досягає Вт, напівпровідникових - Вт. Болометри, як і термоелементи, характеризуються великою інерційністю: постійна часу складає від декількох мілісекунд до частки і одиниць секунд. Перевагою болометрів є невеликий поріг чутливості, що дозволяє реєструвати зміну температури до . Болометр можна перетворити в селективний приймач, вмістивши перед ним оптичний фільтр.

Фотоелектричні приймачі.
Дія фотоелементів, фотоелектронних помножувачів, електронно-оптичних перетворювачів основано на використанні зовнішнього фотоефекту, при якому електрони випускаються з поверхні чутливого шара при падінні на нього потоку випромінювання. Під впливом прикладеного напруження електрони, емітовані фоточутливим шаром (фотокатодом), прямують до анода, утворюючи фотострум. Конструктивно фотоелемент являє собою вакуумований скляний балон діаметром мм, на внутрішній частині поверхні якого нанесений фотокатод. Анодом служить металеве кільце, розташоване в центрі балона. Матеріал фотокатода визначає область спектральної чутливості фотоелемента. Характеристики відносної спектральної чутливості деяких фотокатодів наведені на рис. 4. Основні характеристики фотоелементів визначаються по впливу на них світлового потоку еталонного джерела (). Інтегральна чутливість різних фотоелементів становить декілька десятків мікроампер на люмен. Для підвищення інтегральної чутливості первинний фотострум посилюють шляхом іонізації інертного газу, яким заповнений балон (газонаповнені фотоелементи типу ЦГ).

Поріг чутливості фотоелемента визначається темновим струмом, що виникає в ланцюгу при відсутності опромінення фотокатода. Для різних фотоелементів темновой струм складає А. Постійна часу фотоелементів залежить в основному від часу прольоту електронів від катода до анода ( с) і часу перехідного процесу в ланцюгу фотоелемента.

Таблиця 1- Параметри деяких фотоелементів

Фотоелемент	Тип фотокатода	Позначення спектральної характеристики	Діапазон спектральної чутливості, мкм	Положення максимуму спектральної чутливості, мкм	Робоче напруження, В	Інтегральна чутливість, мкА/лм	Темновий струм, А	Площа фотокатода, см?
Ф-1 Ф-5 Ф-6 Ф-8	Sb-Cs Ag-O-Cs Bi-Ag-Cs Sb-Cs	C3 C1 C7 C2	0,215-0,60 0,60-1,10 0,32-0,75 0,40-0,60	0,38-0,05 0,80-0,10 0,50-0,10 0,45-0,05	100 30 30 150	100 15 70 105		3 5,4 15 5
Ф-9 Ф-22	Sb-K-Na-Cs Sb-K-Na-Cs	C11	0,30-0,85	0,43-0,05	100	185 80		9 5,3
ЦГ-4	Ag-O-Cs	C1	0,60-1,10	0,80-0,10	240	200		11

Параметри деяких фотоелементів наведені в табл. 1. Фотоелементи типу Ф-8 використовують для реєстрації сфокусованих потоків випромінювання, фотоелементи типу Ф-6, Ф-9 застосовують при фізичних дослідженнях для прийому несфокусованних потоків випромінювання, фотоелементи типу Ф-1, Ф-6, Ф-9 служать для вимірювань невеликих потоків випро

мінювання. Імпульсні фотоелементи типу Ф-22 використовуються для реєстрації наносекундних імпульсів лазерів.

Велику в порівнянні з фотоелементами інтегральну чутливість мають фотоелектронний помножувач (ФЭУ), в яких струм фотокатода посилюється внаслідок повторної емісії електронів на проміжних електродах (дінодах), розташованих між катодом і анодом. Коефіцієнт посилення досягає ФЕУ.

Спектральні характеристики фотокатодів ФЕУ такі ж, як і у фотоелементів. Порогова чутливість ФЕУ вище, ніж порогова чутливість фотоелементів. Останнім часом широко використовуються жалюзійні (дінодна система у вигляді жалюзі) і канальні (дінод у вигляді трубки) ФЕУ. Жалюзійні ФЕУ, що мають широкий діапазон лінійності світлової характеристики, застосовуються для вимірювання порогових потоків (типу 112, 114), в телебаченні і фототелеграфії (типу 15А), в спектрофотометрії (типу 49, 94), фотометрії (типу 91, 114), Уф- і ІЧ-спектрометрії (типу 57, 112), для реєстрації випромінювання лазерів (типу 83, 114).

Таблиця 2- Параметри деяких типів ФЕУ

Тип	Позначення спектральної характеристики	Діапазон спектральної чутливості, мкм	Число каскадів посилення	Анодна чутливість, А/лм (при напрузі В)	Поріг чутливості, лм/Гц½	Темновий струм ФЭУ, А	Діаметр фотокатода, мм	Габаритні розміри, мм
								Діаметр	Довжина
ФЭУ-15А ФЭУ-49 ФЭУ-57 ФЭУ-83 ФЭУ-91	С5 С8 - С1 С6	0,3-0,75 0,3-0,85 0,23-0,35 0,4-1,2 0,34-0,65	12	40 (1700) 100 (1800) 2000 (1700) 10 (1500) 30 (1700)	- - -		20 150 40 24 25	36 171 52 35 40	100 202 110 119 180
ФЭУ-94 ФЭУ-112 ФЭУ-114	С8 - -	0,36-0,85 0,23-1,1 0,25-0,85	11 14 14	10 (1300) 10 (1500) 30 (1400)	-		100 5 10	130 22,5 22,5	180 90 90

До приймачів, дія яких основана на використанні зовнішнього фотоеффекту, відноситься дисектор, що забезпечує електронне сканування великих областей простору предметів при малому миттєвому кутовому полі приладу.

Рисунок 4- Електронно-оптичний перетворювач

Рисунок 5- Характеристики відносної спектральної чутливості

Електронно-оптичним перетворювачем (ЕОП) називається діючий на основі зовнішнього фотоефекту пристрій (рис. 4), яке оптичне зображення, що створюється об'єктивом на фотокатоді 2, перетворює у видиме зображення, що спостерігається на випромінюючому екрані (аноді) 5. ЕОП представляє персоною скляний балон 3, всередовищані якого розташована електростатична або магнітна система4, що фокусує електрони, емітовані фотокатодом. Оскільки число електронів пропорціональне локальний освітленості, що випускаються фотокатоду, то на екрані, покритому випромінюючим шаром, утвориться видиме зображення предмета. Спектральні характеристики фотокатодів ЕОП ті ж, що у фотоелементів і ФЕУ. Покриттями екранів служать дрібнозернисті люмінофор жовто-зеленого свічення для спостережень і фіолетово-синього свічення для фотографування. Час післясвітіння екранів різних типів складає с. Лінійне збільшення ЕОП, що визначається відношенням розміру зображення на екрані до розміру зображення на фотокатоді, становить 0,5-2 для різних типів ЕОП. Дозволяюча здатність ЕОП в центрі і на краю поля зображення відповідно дорівнює і . Велику групу фотоелектричних приймачів складають фоторезистори, робота яких основана на використанні внутрішнього фотоефекта, що призводить до зміни опори приймача під дією потоку випромінювання. Фоторезистор являє собою фоточутливий шар напівпровідникового матеріалу, що вміщується на підкладку. Фоторезистор має два електроди для включення в електричний ланцюг послідовно з навантажувальним резистором, падіння напруження на якому є робочим сигналом. Існує три групи фоторезисторів: плівкові, наприклад сірчисто-свинцеві (PbS), селенисто-свинцеві (PbSe), телуристо-свинцеві (РЬТе); монокристалічесні на основі антимоніда індія (InSb) і телуридів ртуті і кадмію (HgCdTe); леговані домішками (германій (Ge), легований ртуттю (Hg), золотом (Аї)).

Фоторезистори, чутливі до випромінювання з довжинами хвиль до 3 мкм, використовують без охолоджування, а фоторезистори, діючі в діапазонах 3‑14 мкм, вимагають охолоджування. Фоторезистор звичайно вміщується в корпус із захисним вікном, а при охолоджуванні в судину Дьюара з хладагентом: твердою вуглекислотою (195 К) або рідким азотом (77 К). Для більшості фоторезисторів при охолоджуванні чутливого шара максимум спектральної характеристики зміщується в довгохвильову область спектра, виключення складають фоторезистори на основі антимоніда індія, у яких при охолоджуванні спектральна характеристика зміщується в область коротких хвиль. Інтегральна чутливість різних фоторезисторів становить 500‑6000 мкА/лм, постійна часу коливається від до с, а темновий струм, що визначає поріг чутливості приймача, досягає декількох десятків мікроампер.

Рисунок 6- Фотодіодний і фотогальванічний режими фотодіодів

Останнім часом широке застосування в приладах ІЧ-техніки знаходять багатоелементні приймачі на основі InSb і InAs одномірні у вигляді лінійки з 10 або 20 елементів і двомірні, що складаються з 100 однакових елементів. Виявна здатність одномірного приймача на основі InSb з лінійкою з 10 елементів у формі квадратів зі стороною 0,25 мм складає.

Іншу групу приймачів випромінювання з внутрішнім фотоефектом складають фотодіоди - приймачі, основані на використанні односторонньої провідності -переходу. Фотодіоди можуть працювати як з джерелом живлення (рис. 6, а) фотодіодний режим, так і без джерела живлення (рис. 6, б) - фотогальванічний режим. Спектральна чутливість фотодіодів (рис. 5) залежить від матеріалу чутливого шара: Ge, Si, GaAs, Se (фотодіоди, що не охолоджуються ), InSb, InAs, HgCdTe (фотодіоди, що охолоджуються ).

Рисунок 7- Схема інверсійного приймача

Світлова характеристика фотодіодів лінійна в широких межах. Інтегральна чутливість фотодіодів різних типів складає від декількох одиниць до десятків міліампер на люмен, поріг чутливості не перевищує величини порядку лм, постійна часу більшості фотодіодів не більш с.

Велику в порівнянні з фотодіодами інтегральну чутливість (до декількох ампер на люмен) мають фототранзистори, відмінні від фотодіодів наявністю декількох -переходів і не тільки індицюючі фотострум, але і що посилюють його. Поріг чутливості фототранзисторів вище, ніж у фотодіодів. Характеристики відносної спектральної чутливості і параметри деяких типів фотодіодів і фототранзисторів зображені на рис. 7.

Окрему групу приймачів випромінювання утворять координатні приймачі, по вихідному сигналу яких визначають координати плями зображення джерела випромінювання на чутливій поверхні. До координатних приймачів відносяться інверсійні фотодіоди, багатоелементні приймачі, прилади із зарядовим зв'язком (ПЗС).

Інверсійні фотодіоди приймачі з подовжнім фотоефектом, що полягає в тому, що при нерівномірному освітленні напівпровідникового переходу крім поперечної ЕДС між і -областями виникає фотоЕДС, направлена вздовж переходу. Схема інверсійного приймача зображена на рис. 7, а, де 1- висновки, 2- пляма, зміщена на відстань від центра чутливого майданчика. Вихідний сигнал залежить від зміщення плями і потоку випромінювання, що поступає на приймач. При наявності у приймача чотирьох висновків (в двох взаємно перпендикулярних напрямах) можна визначати дві координати плями відносно центра приймача.

Чутливі шари інверсійних фотодиодів виготовляють з германія, кремнію, антимоніда індія, селену. Перевагами інверсійних фотодиодів є: незалежність точності вимірювання від розміру плями розсіяння; можливість зміни положення нульової точки інверсійної характеристики за допомогою постійного напруження на висновках, що використовується в ряді швидкодіючих оптико-електронних приладів; можливість внутрешної електронної модуляції вихідного сигналу, що дозволяє змінювати крутість інверсійної характеристики і використати підсилювачі змінного струму. Чутливість інверсійних фотодиодів досягає , поріг чутливості рівний по випромінювачу з К (германієві фотодіоди) і Вт при видаленні плями від центра на 9,5 мм (кремнієві фотодіоди); постійна часу не перевищує декількох мікросекунд.

Багатоелементні координатні приймачі мають чутливий шар, що складається з декількох окремих елементів. За допомогою багатоелементного приймача можна здійснювати перегляд кутового поля оптичної системи без механічного сканування, що спрощує конструкцію деяких оптико-електронних приладів. Прикладом найпростішого двохкоординатного приймача є фотодіод, чутливий майданчик якого розділений на чотири неповних елементи 0,001‑0,5 мм. Багатоелементні приймачі мають ті ж характеристики, що і інверсійні фотодіоди.

ПЗС, що є двомірними матрицями на основі структур метал - діелектрик - напівпровідник, використовуються для зберігання і передачі інформації, перетворення інформації, укладеної в потоку випромінювання, в електричні сигнали, їх зберігання і прочитання. ПЗС-структури застосовуються в пристроях введення і виведення (відображаючі пристрої, пристрої пам'яті). На основі ПЗС розробляються передаючі телевізійні камери, ширококутні тепловізори без механічного сканування.

За допомогою ПЗС-структур зовнішня електрична або світлова інформація перетворюється в заряди (зарядові пакети), що розміщуються на поверхні діелектрик-N-підкладка. Читання інформації здійснюється при переміщенні зарядів вздовж поверхні при подачі напруги на електроди.

У телевізійних передаючих камерах на основі ПЗС-структур використовується властивість самосканування ПЗС. Потенційний рельєф (картина) зарядів, що зберігається в матриці ПЗС відповідає розподілу яскравості об'єкта. Візуалізація картини здійснюється переміщенням зарядів до вихідного прочитаного пристрою і перетворенням їх у відеосигнал.

Матеріалами для ПЗС служать кремній, германій, сульфід цинку, антимонід індія та ін. Недоліками ПЗС є велика інерційність (постійна часу порядку декількох мілісекунд), а також необхідність охолоджування (крім ПЗС на основі кремнію) до температури 5-77 К в залежності від матеріалу.

Рисунок 8- Характеристична крива фотоматеріалу

Фотоматеріал.
Більшість сучасних фотоматеріалів (плівки, пластинки, фотопапір) як світлочутливий елемент містять мікрокристали галогенидів срібла, розміром не більше за 5 мкм, рівномірно розподілений у водному розчині желатин, який є складовою частиною фотоемульсії. Фотоемульсія наноситься на основу (плівку триацетата целюлози, скляну пластинку або папір) і покривається зверху захисним лаком. Емульсія для отримання кольорових зображень містить декілька шарів з різною спектральною чутливістю, що фіксують зображення в певній області спектра.

Для перетворення прихованого зображення фотошара у видиме збільшують кількість атомів срібла у фотошарі в процесі його хіміко-фотографічної обробки (вияву і фіксацій в спеціальних розчинах).

Характеристична крива фотоматеріалу зображена на рис. 8, де D-
оптична щільність почорніння матеріалу, Н-
світлова експозиція.

Основними характеристиками фотоматеріалу є: світлочутливість 5, коефіцієнт контрасності , фотографічна широта L, що визначається прямолінійною дільницею характеристичної кривої, оптична щільність вуалі (щільність неекспонованого матеріалу).

Світлочутливість

де експозиція Н
визначається для оптичної щільності почорніння, що перевищує щільність вуалі на 0,85 одиниць щільності.