3. Приемники оптического излучения

Измерять энергию можно лишь в процессе превращения ее в другие виды энергии (электрическую, химическую, механическую, тепловую). Приемники оптического излучения - это устройства, которые служат для обнаружения и регистрации электромагнитных волн оптического диапазона. Различные способы регистрации состоят в преобразовании энергии оптического излучения в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую и др.) и измерении потока переносимой энергии.

В зависимости от спектральной характеристики различают селективные и неселективные приемники излучения. Чувствительность неселективных приемников не зависит или слабо зависит от длины волны в широком диапазоне длин волн (рис. 4, линия 1)

рис.4

На спектральной характеристике селективного приемника (рис. 4, кривые 2, 3) имеются четко выраженные максимумы или минимумы чувствительности.

Приемники оптического излучения можно разделить по способу воздействия энергии оптического излучения на чувствительный элемент на 3 группы: тепловые, фотоэлектрические, фотохимические.

В зависимости от способа измерения избыточной температуры приемного элемента тепловые приемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические, оптико-акустические, пневматические, дилатометрические устройства. Тепловые приемники представляют собой группу неселективных устройств. Они удобны для измерений в инфракрасной области спектра. Принцип их действия прост: при поглощении светового потока происходит нагревание вещества. Ввиду этого измерение потока энергии излучения сводится к измерению температуры. Степень повышения температуры определяется путем измерения того или иного эффекта, зависящего от температуры. К ним относится тепловое расширение вещества, изменение его электрического сопротивления, испарения, поляризации диэлектрика и т.д.

Параметры фотоприемников.

Основными параметрами фотоприемников являются внутреннее сопротивление, постоянная времени (инерционность), уровень шумов, темновой ток, интегральная чувствительность, обнаружительная способность («нормированный» порог чувствительности).

Порог чувствительности является важнейшим параметром приемника излучения. Возможность обнаружения какого-либо излучающего объекта, удаленного от приемника, определяется минимальным значением потока излучения, которое может обнаружить приемник.

Постоянной времени τ приемника излучения называется время, в течение которого выходной сигнал, снимаемый с приемника, уменьшается в е раз.

Интегральная чувствительность S_υ - это величина реакции (ответа) приемника на данный поток излучения.

где S_υ выражается в В/Вт, Ф - поток излучения, U_c - величина сигнала.

рис.3. Схема термоэлемента: А, Б - элементы термопары; q_п - площадь верхнего спая; R_н - сопротивление нагрузки.

В качестве приемника излучения, основанного на термическом расширении, часто применяются две тонкие полоски твердых веществ, обладающие разными коэффициентами теплового расширения и скрепленные вместе (биметаллическая пластинка). При нагревании этот двухслойный приемник изгибается, а измерение изгиба не вызывает затруднений.

Болометры - это приемники излучения, основанные на термическом изменении электрического сопротивления R, вследствие поглощения им энергии. Основной элемент болометра - тонкая проводящая полоска. Свет, падающий на нее, поглощается, электрическое сопротивление изменяется. Оно измеряется с высокой точностью в обычных электрических схемах. Болометры бывают металлические (из платины, никеля, висмута, сурьмы), полупроводниковые (из оксидов никеля, кобальта, марганца, пленок германия и кремния) и сверхпроводящие (тантал, ниобий, нитрид ниобия, сплав олова и ниобия) (рис. 6).

Рис.6. Устройство иммерсионного болометра: 1-иммерсионная линза; 2 - корпус; 3- чувствительный элемент; 4 - компенсационный! элемент; 5,6-контакты.

На практике часто используют еще один вид тепловых приемников излучения: термопару или термоэлемент (рис. 5) . Измеряемый световой поток падает на термопару -зачерненный спай двух проводников. В термоэлементе используется эффект Зеебека, который состоит в том, что при нагреве двух разнородных спаянных проводников возникает термоэдс, пропорциональная избыточной температуре ΔT:

(10)

Для металлов и их сплавов α лежит в пределах от единиц до нескольких десятков, а для полупроводников - от нескольких десятков до тысячи микровольт на Кельвин. Из металлов наиболее часто используют медь, никель, платину, кобальт, алюминий, тантал, цинк, серебро, сурьму, железо, сплавы меди и никеля, константан. Из полупроводников - сурьму, кремний, теллур, селен.

Рис.7. Устройство пироэлектрического приемника: 1 - поглощающее покрытие; 2 - пироэлектрический кристалл; 3-электроды; 4 - подложка.

В последние годы начал применяться новый тип неселективного теплового приемника пироэлектрический. При тепловом воздействии на кристалл сегнетоэлектрика на его поверхности появляются электрические заряды. Эти заряды во внешней цепи (цепи нагрузки) вызывает электрический ток уже при Δt=10^-7..10^-8 К. Они не требуют внешнего источника питания (рис. 7).

Пироэлектрические приемники обычно изготавливают из сегнетоэлектриков.

Тепловые приемники, как правило, неселективны и позволяют измерять электромагнитную энергию в широкой области спектра: 0,2-50 мкм (иногда до 1000 мкм). Порог чувствительности лучших тепловых приемников 10­^-11-10^-10 Вт/Гц^1/2 при постоянной времени 10^-3-10^-1с. Пороговая чувствительность - минимальный поток излучения, который может быть обнаружен, отнесенный к единице полосы рабочих частот. Постоянная времени - время, за которое сигнал нарастает до определенного уровня, возрастает в е-раз.

В оптико-акустическом приемнике изменение температуры приемной поверхности, являющейся одной из стенок газовой камеры, приводит к изменению температуры и объема газа и прогибу мембраны - второй стенки камеры. Прогиб мембраны регистрируется.

Люминесцентные приемники излучения преобразуют излучение одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава.

В фотохимических приемниках (фотопленки, фотопластинки, глаз) энергия падающего излучения вызывает различные химические превращения.

Рис.8. Вакуумный фотоэлемент

Фотоэлектрические приемники непосредственно преобразуют электромагнитную энергию излучения в электрическую. К ним относятся устройства, основанные на внешнем фотоэффекте (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители); внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, электронно-оптические преобразователи); фотоэлектромагнитном эффекте (квантовые усилители оптического диапазона).

рис.9. Принцип устройства и работы фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Эти приемники селективны. Спектральная характеристика приемников с внешним фотоэффектом имеет характерную длинноволновую (красную) границу в области (0,6-1,2) мкм, определяемую природой вещества чувствительного элемента приемника. Фотоприемники с внутренним фотоэффектом, кроме этого диапазона, чувствительны и в далекой ИК-области спектра до (10-30) мкм в зависимости от типа устройства. Порог чувствительности приемников с внешним ф/е при постоянной времени 10^-9 с может достичь 10^-12-10^-15 Вт/Гц^1/2. Предельная чувствительность фоторезисторов 10^-10-10^-12 Вт/Гц^1/2 при постоянной времени 10^-5-10^-7с. Порог чувствительности счетчиков фотонов (лавинных) - до 10^-7 Вт/Гц^1/2. Рис.8, 9.

Пондеромоторные (механические) приемники оптического излучения реагируют на световое давление (крутильные весы, емкостный, пьезоэлектрический датчик). Их применение ограничено.

К фотохимическим приемникам относятся все виды фотослоев для фотографии. Фотослои могут длительно сохранять фотохимическое действие излучения.

В лазерных системах записи и обработки оптической информации в мощных потоках излучения в реальном масштабе времени используются фотохромные материалы (например, силикатные стекла с микрокристаллами AgBr, AgCl, кристаллы КС1, NaF, КВг с добавками CaF₂/La,Сe) . Их применением основано на изменении под действием поглощенного оптического излучения их светочувствительности, изменений окраски (спектров поглощения) и т. д.

Фотомагнитоэлектрические приемники основаны на использовании эффекта Холла. Они не требуют для работы источника питания и охлаждения. Вместо пропускания тока передняя поверхность датчика подвергается действию, например, ИК-излучения (в поверхностном слое полупроводника образуются свободные электроны и дырки) (Рис. 10).

рис. 10. К принципу работы фотомагнитоэлектрического приемника

Современная технология микроэлектронной техники позволяет создавать многоэлементные фотоприемники. Такие матрицы фотоприемников при сравнительно небольших размерах (несколько десятков миллиметров) могут содержать несколько десятков и даже тысяч элементов. Многоэлементные фотоприемники позволяют анализировать оптическое изображение, поскольку они реагируют не только на яркостные, но и на пространственные характеристики объекта, т. е. позволяют создавать его полный зрительный образ.

Фотоприемные матрицы могут быть построены на основе большого числа фоторезистивных, фотодиодных и фототранзйсторных элементов. В частности, выпускаемые фотоприемные матрицы МФ-14 и МФ-16 имеют соответственно 32*32=1024 и 16*16=256 элементов размером 0,1*0,1 мм каждый.

Фотоприемные матрицы могут использоваться и в качестве позиционно-чувствительных датчиков для определения координат изображения, а также как твердотельные аналоги вакуумных передающих телевизионных трубок.

Весьма перспективны матричные формирователи сигналов изображений на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), представляющие собой матрицу, которая выполнена на полупроводниковой подложке нанесением металлических электродов с изоляцией от полупроводника тонким слоем диэлектрика.

Глаз человека и других живых существ также является селективным приемником.

Глаз человека - квантовый приемник света. Адаптированный в темноте глаз человека имеет пороговую чувствительность 10^-17 Вт/с, т. е. несколько десятков фотонов в секунду. Область спектра, к которой чувствителен глаз человека (0,38-0,8) мкм. При значительных энергиях - до 0,9 мкм. Максимальная чувствительность глаза соответствует длине волны 555 нм (на этой λ Солнце излучает максимальное количество энергии).

Светочувствительными элементами сетчатки глаза человека являются рецепторы - колбочки и палочки. Колбочки (их примерно 10 млн. клеток) расположены преимущественно в центральной зоне сетчатки; отвечают за цветовые ощущения и работают только при больших и средних уровнях освещенности. Палочки обладают очень высокой чувствительностью и работают при малых освещенностях, но не способны к различению цвета (их примерно 120 млн. клеток). Палочковый аппарат обладает большей чувствительностью, чем колбочковый. Палочковый начинает реагировать на яркости порядка (10^-4-10^-5) кд/м², колбочковый - порядка единиц кд/м². При яркостях около 10 кд/м² палочковый аппарат ослепляется. При яркостях 10-10⁴ кд/м² работает только колбочковый аппарат. Таким образом, динамический диапазон глаза человека составляет 10⁹ кд/м².

Время темновой адаптации составляет 30-50 минут, световой - 8-10 минут.