наблюдения с подсветкой ИК-прожекторами и импульсными ла­ зерами. ЭОП с плоской конструкцией широко используют для регистрации быстропротекающих процессов в ядерной физике и исследований искровых разрядов с временным разрешением до 10~14 с при напряженности поля у фотокатода 3-105 В/см,

Приборы с ЭОП используют для визуализации рентгеновского и нейтронного излучения. В астрономии ЭОП применяют для фотографирования спектров далеких звезд. Кроме того, ЭОП применяют в оптической микроскопии для наблюдения слабо све­ тящихся объектов. Использование ЭОП в телевидении позволило создать системы, работающие в темноте по ИК-излучени.ю объек­ тов и при пониженной освещенности с дистанционным их наблюде­ нием. В научной фотографии ЭОП позволяет осуществлять высоко­ скоростное и спектрозональное фотографирование в У Ф , видимой и ИК-областях спектра.

Глава 6

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

§6.1. Многоэлементные приемники излучения на основе фотодиодов и фоторезисторов

Рассмотрим вначале многоэлементные приемники излучения (МПИ), работающие без накопления сигнала. Такие МПИ еще называют приемниками «мгновенного действия», имея в виду, что в выходных цепях регистрируются установившиеся значения сиг­ нальных токов и напряжений. Причем выходные сигналы как бы определяются мгновенными значениями оптических потоков и не зависят от времени облучения. МПИ мгновенного действия можно подразделить на две группы: с параллельным и последователь­ ным опросом элементов.

МПИ с параллельным опросом. При использовани и таких МПИ обеспечивается одновременное подключение всех рабочих эле­ ментов к своим каналам усиления (рис. 6 . 1). Очевидно, что в этом случае число выводов МПИ должно быть не менее N + 1, где N — число элементов. МПИ с параллельным опросом наиболее эффек­ тивны в быстродействующих оптико-электронных приборах и системах, например в системах оптической пеленгации.

Однако необходимость одновременно подключать все элементы весьма затрудняет реализацию МПИ с большим числом элемен­ тов при малом шаге пространственной структуры. В рамках данной группы МПИ наиболее распространены четырехэлементные фото­ диоды, которые с успехом используются в качестве быстродей­ ствующих координатно-чувствительных фотоприемников в раз­ личных оптико-электронных измерительных системах.

Схемы включения позици­ онно-чувствительных четы­ рехэлементных фотодиодов.

направлениям Дх и Ау, изображение марки целесообразно форми­ ровать квадратной формы со стороной, равной стороне одного эле-' мента фотодиода. При этом координаты центра изображения Дх, Ду вычисляют простейшими арифметическими операциями — сложением и вычитанием сигналов, снимаемых с элементарных площадок.

Каждый из четырех каналов фотоприемника можно рассма­

тривать как независимый одноэлементный фотодиод, который дол жен быть подключен к входной цепи последующей электронной схемы. В качестве согласующего каскада в данном случае целесо­ образно использовать преобразователь ток — напряжение на операционном усилителе. В свою очередь, фотодиод может быть включен как в фотогальваническом, так и в диодном режимах. Схема включения четырехплощадочкого фотодиода показана на рис. 6.3 (UCM— напряжение смещения). Каждый из четырех эле­ ментов фотодиода служит как бы генератором фототока /ф, про­

порционального оптиче­ скому потоку Ф е, падаю­ щему на соответствующую площадку. Операционные усилители выполняют роль

Поскольку jR0. с обычно не превышает единиц мегаом (см. ниже),

тического излучения, воздействующий на фоточувствительную

ние R 0mс, можно пропорционально изменять вольтовую чувстви­ тельность Ф П У, что позволяет использовать данную схему в боль­ шом динамическом диапазоне Ф е. Однако следует иметь в виду,

вие (6.3) всегда необходимо. В то же время соблюдение условия (6.3) не во всех случаях является достаточным для выбора макси­ мально допустимого значения R 0. c. Так, при работе ОЭП с очень малыми потоками, когда необходимо обеспечить максимальную чувствительность ФПУ, верхний предел сопротивления R 0. с определяют с учетом следующих обстоятельств.

При больших значениях сопротивления R 0. с (более 1 МОм) напряжение сигнала на выходе О У и входное сопротивление пре­ образователя ток— напряжение (служащее эквивалентным сопро­ тивлением нагрузки фотодиода) определяются следующими выра­ жениями:

и (6.5) представляют собой более точные зависимости, учитываю­

Необходимо принимать меры для уменьшения монтажной ем­

кости С0. с.

При работе Ф П У в реяшме малых сигналов существенное зна­ чение приобретают шумовые характеристики пары ФД — ОУ

ния шума усилителя, шумового тока усилителя, шумового тока фотодиода и шумового тока сопротивления резистора Ro,0 со­

ответственно.

Шумовые характеристики ОУ обычно приведены в справоч­ нике. Для большинства современных ОУ спектральная плотность шумового напряжения и шумового тока находятся соответственно

работающего в диодном режиме, /ш. фд = У 2е1т. Плотность шумо­ вого тока фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме,

При этом отношение сигнал/шум на выходе Ф П У в единичной по­

намного больше спектральной плотности шума сопротивления на­ грузки и отношение сигнал/шум в единичной полосе частот пре­ образуется к виду

На рис. 5.5 приведена принципиальная схема включения че­ тырехплощадочного фотодиода в оптико-электронной измеритель­ ной системе, работающей с модулированным потоком оптического излучения.

Рис. 6.5. Полная схема включения четырехэлементного фотодиода в коорди­ натно-чувствительном оптико-электролном устройстве

Аноды фотодиода VI (Л, В, С, D) подключены ко входам пре­ образователей ток— напряжение, которые реализованы на опе­ рационных усилителях Л 1-1, А 1-2, Л 1-3 и /11-4.

Операционные усилители Л 2-1 и Л 2-2 выполняют функции ана­

смещению вдоль оси у , можно получить с помощью аналогичной схемы. При этом целесообразно использовать одни и те же О У Л 1-1, Л 1-2 , Л 1-3 и Л 1-4. Но сигналы на вход перьюго сумматора следует подавать с выходов О У Л 1-2 и Л 1-4 (точки d), а на вход второго сумматора — соответственно с выходов Л 1-1 и Л 1-3.

Выбирать ОУ, выполняющие роль преобразователей ток— напряжение, следует с учетом вышеуказанных рекомендаций. Кроме того, желательно стремиться к тому, чтобы вся схема была реализована на микросхемах одной серии, что позволяет свести к минимуму число питающих напряжений и упростить конструк­ цию прибора в целом. На приведенной схеме (рис. 6.5) в качестве примера использованы О У серии 153УД1,

Конденсаторы С2-1 (2, 3, 4), так же как и конденсаторы С4-1 (2) и С 6 , служат для коррекции частотной характеристики ОУ с целью предотвратить их самовозбуждения. Емкости этих

конденсаторов обычно составляет несколько пикофарад и подби­

компенсации постоянных составляющих темновых токов фото­ диодов и фототока от возможной постоянной фоновой засветки. Сопротивления резисторов R 1-1 (2 , 3, 4) рекомендуется выбирать равными сопротивлениям резисторов в цепи обратной связи. Емкости конденсаторов С 1-1 (2, 3, 4) должны быть достаточными, чтобы для нижней граничной частоты в спектре видеосигнала со­ противления конденсаторов Х с = 1/(2nfnC) были близки к нулю и неинвентирующие входы О У (+) находились под нулевыми по­

где /л — нижняя граничная частота в спектре сигнала.

При модуляции оптического излучения импульсами прямо­ угольной формы /н можно найти из условия

где ст — максимально допустимый относительный спад вершины импулъса, возникающий при ограничении спектра в области нижних частот, обычно а < ; 0 , 1; тимп — длительность излучае­ мых импульсов.

Разделительные конденсаторы СЗ-1 (2, 3, 4) необходимы для обеспечения «развязки» между каскадами по достоянному току, что позволяет исключить влияние дрейфа постоянных составляю­ щих выходных напряжений ОУ. Резисторы ЯЗ-1 (2, 3, 4) служат для ослабления взаимного влияния сигналов, снимаемых с раз­ личных площадок фотоди:ода. С этой целью сопротивления рези­ сторов ЯЗ-1 (2, 3, 4) должны быть значительно больше выходных сопротивлений О У . Напр»имер, для О У серии 153УД1, обладаю­ щих выходным сопротивлением порядка 300 Ом, в качестве «раз­ вязывающих» резисторов можно рекомендовать ЯЗ = 150 кОм. Резисторы Я4-1 (2) необходимы для выравнивания коэффициен­ тов передачи суммируемых сигналов при настройке сумматоров

«2Я6ДЯЗ + 0,5Я4).

Чтобы обеспечить высокую точность суммирования, не следует стремиться к получению большого коэффициента передачи. Реко­ мендуемое значение == 1-^3. При этом в приведенном примере сопротивление резистора R6 составит 75— 230 кОм.

Резисторы #5-1 (2) служат для повышения стабильности ре­ жима работы сумматора на ОУ. Значение сопротивления R5 надо выбирать из условия

0в&(ЯЗ + 0,5Я1)Л6

~0,5 (ЯЗ + 0.5Л4) + R6 ’

Операционный усилитель ЛЗ выполняет роль схемы вычита­

сравниваемых сигналов, определяются соотношением сопротив­ лений

где /н — нижняя граничная частота спектра сигнала, определяе­ мая в соответствии с выражением (6.18).

и С И . Керамические конденсаторы С9 и С11 в отличие от электро­ литических являются практически безиндуктивными и более эф­ фективно работают на высоких частотах, в то вре:мя как электро­ литические конденсаторы С8 и СЮ — на более низких. Емкости следует выбирать максимально большими с учетом рабочих на­ пряжений и допустимых габаритных размеров конденсаторов.

мпи с последовательным опросом. Фоторезисторные и фото­ диодные МПИ с параллельным опросом элементов обычно содер­ жат небольшое число (до нескольких десятков) элементов. В тех случаях, когда необходимо реализовать, многоэлементную фото­ приемную структуру, содержащую до нескольких сотен эле­ ментов, более предпочтителен принцип последовательного оп­ роса элементов с возможностью координатной выборки сигналов. Подобные МПИ можно использовать в качестве преобразователей пространственного распределения освещенное гей в плоскости анализа изображения во временную последовательность импуль­ сов — видеосигнал.

Пусть

А . опр//ннеопр

Эквивалентная схема фоторезисторной матрицы приведена на рис. 6.7.

Как видно из эквивалентной схемы, взаимное влияние элемен­ тов можно уменьшить, увеличив сопротивление неопрашиваемых элементов. Этого можно достичь за счет дополнительного включе­ ния диодов в цепь каждого фоторезистора. Полярность включе­ ния диодов должна быть такой, чтобы при подключении какоголибо элемента к источнику питания и нагрузочному резистору соответствующий диод был бы открыт. В диодно-фоторезисторной матрице диоды неопрашиваемых элементов находятся в закрытом состоянии, что позволяет уменьшить суммарный ток неопрашивае­ мых ветвей.

Использование диодов хотя и позволяет уменьшить взаимное влияние элементов, но не обеспечивает полной развязки между ними, поскольку МПИ обычно работает в режиме относительно слабых токов, при которых отношение сопротивлений диода в от­ крытом и закрытом состояниях сравнительно невелико.

Взаимные связи между элементами характерны также и для матриц на основе фотодиодов. По существу, этот недостаток яв­ ляется общим для МПИ мгновенного действия.

Другой их недостаток заключается в необходимости комму­ тации малых токов, что предъявляет высокие требования к выбору элементов для ключей Кг и Кв-

Указанные обстоятельства служат основной причиной того, что подобные структуры имеют ограниченную сферу применения. Более широко применяют многоэлементные фотоприемные струк­ туры с накоплением сигнала.

МПИ с накоплением сигнала. На рис. 6.8 приведена схема ти­ пичного МПИ с накопительными ячейками.

Каждая накопительная ячейка состоит из фоточувствительного элемента — фотод иода V2 (или фоторезистора), разрядного ключа