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:
.
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 чутливості називається 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 характеристика визначає 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-амперна характеристики.
Енергетична характеристика виражає залежність зміни вихідного сигналу приймача від значення потоку випромінювання (світлового потоку). Вольт-амперна характеристика 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.
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
,
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).
Страницы: 1, 2
