Шумы фотоприемного устройства и точки их приложения

Минимальный поток излучения, который может быть обнаружен фотоприемником, ограничивается случайными флуктуациями, называемыми шумами. Шумы, действующие в фотоприемном тракте, возникают под действием случайных внешних и внутренних процессов, воздействующих на фотоприемное устройство. В силу случайного характера шумовых процессов предсказать величину шумов в заданный момент времени невозможно, поэтому для их оценки используют статистические методы, на основе которых величину флуктуаций значений амплитуды шумовых сигналов оценивают дисперсией ² , то есть средним значением квадрата отклонения случайной величины  от ее среднего значения за временной интервал : .

Обычно приемники излучения характеризуют среднеквадратичным значением флуктуаций напряжения на нагрузке, либо тока на его выходе в заданной полосе частот, а интенсивность шумов действующих в приемно-передающем тракте оценивают величиной их спектральной плотности, которая характеризуется частью средней мощности S_T() случайных флуктуаций приходящейся на частотный диапазон от  до (+d).

Различают внешние и внутренние шумы устранимые и неустранимые. По физической природе внешние шумы представляют собой флуктуации потока излучения приходящего на фотодетектор. Эти флуктуации вызваны рядом причин, к которым относятся: модуляция неравномерного фона анализаторами изображения, статистический характер потока излучения (фотонные шумы), случайный характер радиационного и конвективного энергетического теплообмена между фотоприемником и окружающей средой (радиационные шумы). Внутренние шумы - это шумы, возникающие в самом фотоприемном устройстве и в силу того, что они зависят не только от свойств фотодетекторов, но и от схемы их включения и условий работы их подразделяют на собственные шумы фотодетекторов и шумы схемы.

К основным видам собственных шумов относят шум дробового эффекта, тепловой шум, генерационно-рекомбинационный шум, избыточный шум.

Дробовый шум фототока. Известно, что процесс преобразования потока фотонов в фотодетекторе носит дискретный характер, поэтому результатом преобразования является поток дискретных носителей заряда - электронов создающий ток во внешней цепи. Каждый из созданных электронов во внешней цепи вызывает импульс тока, обусловленный зарядом электрона и скоростью его движения , где d -расстояние между электродами преобразователя.

Допустим, что на интервале времени 0-T процесс преобразования описывается функцией (t), преобразование Фурье которой имеет вид . Мгновенное значение мощности процесса (t) равно ²(t). Полагая, что функция действует (t) на ограниченном интервале времени (t₂-t₁) = T, найдем среднее значение мощности этого процесса в виде . Обозначив через S(), найдем значение средней мощности в виде , где S() определяет спектральную плотность процесса в диапазоне частот от  до ( +d). Так как S()d=S(f)df, то

(1)

и спектральная плотность мощности фототока, создаваемая одним импульсом тока, равна , так как при малых временах t_a=T жизни электрона t_a<<1.

Допустим, что на интервале T процесс фотодетектирования определяется функцией (t) и формируется случайной последовательностью импульсов тока, спектральная плотность мощности которого равна . С учетом полученной ранее формулы спектральную плотность мощности фототока можно представить формулой S(f)=2S(), а полученное ранее выражение (1) в виде . Среднее число зарядов на интервале T определяется средней скоростью электронной эмиссии и длительностью интервала T, и равно . Следовательно, спектральная плотность мощности фототока будет равна , а отражающее ее среднеквадратичное значение амплитуды интенсивность дробовых шумов примет вид .

Входящее в эту формулу значение отражает среднее значение суммарного тока фотодетектора вызванного потоком излучения и термотоком, а задается эквивалентной полосой пропускания частот фотоприемника , где k(f) - коэффициент передачи фотоприемного тракта, а K₀ его максимальное значение на частоте f=0.

Тепловой шум. Тепловой шум обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда в металлах и полупроводниках, иногда его называют шумом Джонсона. Шум не зависит от приложенного к элементу напряжения, а интенсивность шума оценивается по формуле Найквиста среднеквадратичным значением напряжения по формуле , где k –постоянная Больцмана, T- абсолютная температура проводника (K⁰), R_Н – сопротивление проводника.

Генерационно-рекомбинационный шум. В процессе преобразования потока излучения в электрический сигнал в виде потока носителей заряда в полупроводниках возникают флуктуации скоростей генерации и рекомбинации свободных носителей заряда, что влечет за собой флуктуации концентрации свободных носителей и, как следствие флуктуации проводимости. По мере роста частоты спектральная плотность шума падает, а с ростом напряжения питания интенсивность шума нарастает.

Избыточный шум. Избыточный шум объединяет несколько видов шумов с интенсивностью обратно пропорциональной частоте (1/f) и возникающих только при протекании тока через приемник. Эти шумы зависят от типа фотоприемника, основная интенсивность лежит в области низких частот (сотни Гц).

Дробовой и тепловой шумы являются широкополосными шумами, их интенсивность слабо зависит от частоты и спектральную плотность шумов можно считать равномерной по частотному спектру. Такие шумы, обычно, принято называть белыми шумами.

Среди внешних шумов существенную роль играет радиационный шум. Этот шум возникает вследствие флуктуаций числа фотонов фона и источника излучения. На выходе фотоприемника эта составляющая шумов оценивается по формуле и имеет свойства белого шума.

В общем случае все источники шумов, возникающие в фотоприемном устройстве, считаются статистически независимыми и, по этой причине, суммарное значение среднеквадратического значения напряжения шума на выходе фотоприемника равно .