книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ПРИЕМНИКИ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

15. Параметры приемников инфракрасных излучений

Каждый фотоэлектрический или термоэлектрический приемник инфракрасных излучений является преобразо­ вателем падающей на его чувствительный элемент (фото­ катод, полупроводниковый фотослой и т. п.) лучистой энергии в электрический сигнал. Поэтому любой приемник может рассматриваться как устройство, имеющее вход, на который поступает излучение, и выход, с которого сни­ мается электрический сигнал.

В таких устройствах все количественные параметры непосредственно связаны с достаточно отчетливым выделе­ нием электрического сигнала на фоне (уровне) возникаю­ щих в преобразующем устройстве помех (шумов). Таким образом, успешная передача приемником информации о принятом им лучистом потоке определяется соотношением сигнал—шум.

Так как полезный сигнал от приемников инфракрасных излучений в большинстве случаев является слабым, то для регистрации и измерения сигнала необходимо осущест­ влять усиление. Основные требования к усилению рассмат­ риваются далее; как будет показано, они тесно связаны с природой и уровнем возникающих в приемнике шумов.

мальным значением сигнала, различаемого на фоне шумов.

50

Беспорядочные изменения амплитуд шума, положитель­ ных и отрицательных, за промежуток времени, больший, чем средний период отдельной составляющей шума, при­ водят к тому, что положительные амплитуды компенси­ руются отрицательными и среднее напряжение шума ока­ зывается равным нулю. Поэтому интенсивность шума ха­ рактеризуют среднеквадратичным значением напряжения шума:

уровню напряжения шума: в этом случае полезный сигнал уже не различается.

тельность приемника также зависит от частоты, и, кроме того, от постоянной времени приемника, т. е. от его инер­ ционности. Оптимальной чувствительностью приемник об­ ладает в таком диапазоне частот, в котором уровень шума минимален, а амплитуда сигнала не снижается из-за инер­ ционности приемника.

Уровень напряжения шумов на выходе приемника (средне­

отдельно особенности каждого из видов шумов внутрен­ него и внешнего происхождения.

Интегральная чувствительность (коэффициент преоб­ разования) S есть отношение электрического сигнала на выходе приемника Uc к суммарному лучистому потоку Ф, падающему на чувствительный элемент приемника,

51

Величину 5 измеряют в В-Вт . Чем больше значение ин­ тегральной чувствительности приемника, тем меньшим может быть выбран коэффициент усиления усилительного устройства.

Спектральная чувствительность S (X) представляет со­ бой коэффициент преобразования приемником монохро­ матических лучистых потоков Фх, зависящий в общем случае от длины волны X (в своем большинстве приемники инфракрасных излучений селективны):

Спектральная чувствительность является очень важной характеристикой приемников излучений; она измеряется также в В - В т - 1 . Весьма часто пользуются понятием от­ носительной спектральной чувствительности S' (X) при­ емника, причем

ности приемника. Она представляет собой время, в течение которого сигнал на выходе системы с полосой пропускания резонансной формы достигает 67% своего установившегося значения, если на входе в момент t = 0 начал действовать сигнал с постоянной амплитудой. Постоянная времени t измеряется в секундах.

Инерционность приемника оценивается также его ча­ стотной характеристикой — зависимостью фотореакции (на­ пряжения сигнала, фототока и т. п.) от частоты модуляции

шинства приемников (фоторезисторов, болометров и др., но не у фотоэлементов и ФЭУ) возрастает обратно пропор­ ционально площади чувствительного элемента. Кроме того, можно показать, что и пороговая чувствительность Ф п о р также увеличивается при уменьшении ап (пропорционально корню квадратному из площади чувствительного элемента).

Детектирующая (обнаружительная) способность D*

представляет собой обобщенную характеристику прием­ ника, предложенную Джонсоном. Это—величина, обратная

52

при полосе пропускания А/ (Гц) и для площади чувстви­ тельного элемента ап (см2 ), то

Очевидно, что детектирующая способность D* выражается в Гц1 / 2 -см-Вт_ 1 .

Параметры приемников инфракрасных излучений определяются экспериментально на установке, в которой излучателем служит модель черного тела с заданной и стабилизированной температурой. Сначала определяется суммарный уровень шумов приемника і!т, экранированного от излучателя. Затем на приемник посылается излучение от черного тела, модулируемое вращающимся диском с отверстиями, и измеряется сигнал 0С на выходе. Падающий на приемник лучистый поток Ф (Вт) определяется из выражения:

лучающего отверстия черного тела, см2 (может быть уменьшена диа­ фрагмой); ап — площадь чувствительного элемента приемника, см2 ; / — расстояние от излучающего отверстия до приемника, см.

Ро

Вобщем случае приемник излучений селективен, т. е. чувстви­ тельность его распределена по спектру сообразно с его спектраль­ ной характеристикой S {X). Следовательно, напряжение сигнала Uc

может быть рассчитано (на основании (21) и (25)) так:

53

54

Следовательно, пороговая чувствительность приемника для излучения при температуре Т2, будет

На рис. 18 показана вычисленная подобным образом зависи­ мость пороговой чувствительности ФП ор сернистосвинцового фоторезнстора от температуры Т излучателя (черного тела) — кри­ вая 1. Для сравнения приведена аналогичная зависимость для болометра (прямая 2, параллельная оси абсцисс), чувствитель­ ность которого не зависит от длины волны падающего на него из­ лучения и, следовательно, от температуры излучателя.

16. Тепловые приемники инфракрасных излучений

В тепловых приемниках падающий на чувствительную площадку приемника и поглощенный в нем лучистый по­ ток (оптический сигнал) увеличивает температуру чувст­ вительного элемента, а это изменение температуры превра­ щается в электрический сигнал. Большинство тепловых приемников обладает неселективностыо, т. е. их спектраль­ ная чувствительность одинакова для всего рабочего спек­ трального диапазона данного приемника.

К тепловым приемникам излучений относятся: несе­ лективные термоэлементы (термопары с зачерненной при­ емной площадкой); термоэлементы торцового типа; боло­ метры (металлические напыленные и полупроводниковые); неселективные оптико-акустические приемники; эвапорографический преобразователь; диэлектрический и пиро­ электрический приемники.

Рассмотрим принципы действия, свойства и характери­ стики перечисленных тепловых приемников.

Неселективные термоэлементы. Неселективные радиа­ ционные термоэлементы представляют собой обычную тер­ мопару, рабочий («горячий») спай которой имеет зачернен­ ную площадку, в которой поглощается падающее излуче­ ние, нагревая при этом спай. Термоэлементы не требуют источников питания, так как сами являются генераторами термо- э. д. с. В качестве термоэлектрической пары выби­ рают комбинацию металлов или сплавов, создающую до­ статочно высокую термо-э. д. с. (например, висмут и сплав

55

висмута с 5% олова). Для снижения тепловых потерь с площади чувствительного элемента его помещают в ряде конструкций в стеклянный баллон, в котором создается вакуум. В баллоне устраивается окно из материала, про­ зрачного для длинноволновых инфракрасных излучений (KBr, NaCl, CsJ и др.). Так как снижение теплоотдачи чувствительного элемента увеличивает постоянную вре­ мени приемника, то стараются уменьшить размеры и тол­ щину приемной площадки, чтобы снизить ее теплоемкость и тепловую инерционность.

Рис. 19. Термоэлемент торцового типа

Однако детектирующая способность D* радиационных термоэлементов практически постоянна только для ко­ ротковолновых инфракрасных излучений и резко падает для больших длин волн (начиная с 5—7 мкм) из-за непо­ стоянства поглощательной способности черни, наносимой на приемную площадку.

Термоэлемент торцового типа. Основное отличие термо­ элементов торцового типа состоит в том, что контакт двух термоэлектрических материалов осуществляется не непо­ средственно, а через металлическую зачерненную (погло­ щающую) полоску, которая служит приемной площадкой (рис. 19). На изолирующей подложке укрепляются два полупроводниковых стержня с коническими концами; к этим концам приваривается полоска из золотой фольги толщиной менее 1 мкм, покрытая слоем черни. Оптические

56

свойства (селективность) термоэлемента определяются свой­ ствами черни и окна, которое изготовляется из бромистого калия или флюорита.

Вся конструкция помещается в баллон с высоким ва­ куумом (порядка Ю - 5 — Ю - 6 мм рт. ст.); следовательно, потери тепла от чувствительного элемента определяются главным образом теплопроводностью и излучением чувст­ вительной площадки. В связи с этим материал стержней должен обладать возможно меньшей теплопроводностью и создавать наибольшую термо-э. д. с. при малом электри­ ческом сопротивлении.

Для поддержания вакуума в баллоне (для поглощения оставшихся газов) в нем помещается геттер из щелочных металлов.

Очевидно, что в описанной конструкции термоэлемент фактически разделен на две части: первый стержень — зо­ лото и золото — второй стержень. Поэтому металлическая площадка фактически не участвует в создании термо-э. д. с , которая возникает между полупроводниковыми стерж­ нями; потенциал одного из них выбирается положительным, а другого — отрицательным (сравнение ведется по отно­ шению к платине). В такой конструкции сигнал удваи­ вается.

Приводим данные неселективных торцовых термоэле­ ментов типов ТП (СССР) и Перкин—Элмер (Англия) в табл. 11.

Болометры. Болометр является неселективным приемни­ ком излучений, чувствительный элемент которого пред­ ставляет собой поглощающую поверхность обычно в виде тонкой пленки (полоски или нити); при облучении ее тем­ пература повышается и сопротивление резко изменяется.

57

Конструктивно болометр чаще всего выполняют в виде двух одинаковых чувствительных элементов, включаемых в плечи мостовой схемы, причем один из этих элементов служит приемником излучения (рабочий элемент), а вто­ рой (компенсационный элемент) компенсирует колебания температуры окружающей среды и другие тепловые помехи. Таким образом, болометр представляет собой приемник, в котором используется питание его электрической цепи рабочим током мостовой схемы, причем изменение сопро­ тивления этой цепи регистрируется как изменение напря­ жения на выходе схемы, возникающее при разбалансировке моста.

Если Rx — сопротивление рабочего элемента, R2 — сопротив­ ление компенсационного элемента, R3 и Rt — плечи моста, изме­ рительная диагональ которого включена на вход электронного усилителя, то при изменении сопротивления R1 рабочего элемента (вследствие поглощения излучения, вызывающего нагрев элемента) ранее уравновешенный болометрический мост разбалаисировывается и на входе усилителя появляется напряжение сигнала

AU = MlARh

где / — рабочий ток через болометр; M — схемный фактор, зави­ сящий от соотношения сопротивлений плеч моста и входного со­ противления усилителя.

Питание болометрического моста может осуществляться как постоянным током (в этом случае падающее на чувст­ вительный элемент излучение модулируют с помощью вра­ щающегося диска с отверстиями с частотой 10—20 Гц), так и переменным током с частотой в несколько сот или тысяч герц. Чаще всего для усиления сигналов с болометриче­ ского моста используют резонансные усилители, настроен­ ные на частоту модуляции излучения, причем при питании моста постоянным током усиление осуществляется на ча­ стоте модуляции, а при питании переменным током осу­ ществляется сначала первое усиление на частоте питания моста, затем детектирование и после него второе усиление на частоте модуляции.

Оптимальные условия питания болометрической схемы создаются при такой стабилизации рабочего тока, при ко-

58

торой он не меняется при изменении сопротивления боло­ метра под воздействием облучения. Такая стабилизация осуществляется питанием цепи болометра через нагрузоч­ ное сопротивление Rn, значительно большее, чем сопротив­ ление болометра R. При этом рабочий ток будет зависеть только от величины Rl{ и слабо зависеть от AR. При опре­ деленной величине AR, вызванной падающим на болометр излучением, изменение напряжения AU будет тем больше, чем больше рабочий ток /, проходящий через болометр. Однако увеличение рабочего тока ограничивается допусти­ мой мощностью, рассеиваемой в чувствительном элементе (при большем токе он перегорит), и, кроме того, слишком большой ток вызывает такое увеличение температуры чувст­

Материалом для изготовления болометров может быть как проводник (металл), так и полупроводник или диэлек­ трик. Во всех случаях требуется, чтобы температурный коэффициент сопротивления ß R материала был возможно большим (для металлов он является величиной положи­ тельной, для полупроводников и диэлектриков — отрица­ тельной).

Металлический напыленный болометр. Схема устрой­ ства типичного напыленного болометра типа ФМ показана на рис. 20. Чувствительный элемент состоит из тонкой (0,02 — 0,03 мкм) пленки 2 из нитроцеллюлозы, располо­ женной на рамке из стекла или керамики. Пленка 2 яв­ ляется подложкой для двух болометрических слоев — по­ глощающего 3 и токопроводящего /, нанесенных с проти­ воположных сторон подложки и поэтому электрически изо­ лированных один от другого.

59