3.4. Преобразование оптического сигнала приемником излучения (Шатоха)

Приемник излучения (ПИ) является важной частью ОЭС, от которой во многом зависит работоспособность системы в целом. Он осуществляет преобразование энергии оптического излучения в какую-либо форму: электрическую, тепловую, энергию химических процессов и т.д. ПИ делятся на несколько классов, из которых в ОЭС различного назначения наиболее широкое применение находят фотоэлектрические и тепловые. Физические основы ПИ изложены в работах [20, 26, 38]. В данной главе кратко рассмотрены лишь те характеристики и параметры, которые позволяют найти связь между сигналами на входе и выходе ПИ.

Свойства ПИ наиболее полно можно описать системой характеристик и параметров, выражающих зависимость сигнала и шума, вырабатываемых приемником, от следующих основных факторов:

1. диапазона спектрального состава;

2. частоты модуляции потока излучения;

3. полосы пропускания частот измерительной аппаратуры;

4. температуры чувствительного слоя;

5. напряжения питания и т.д.

Наиболее распространенными характеристиками ПИ как преобразователя оптических сигналов являются:

1. энергетическая или световая (амплитудная) характеристика, выражающая зависимость выходного сигнала от потока излучения, падающего на ПИ;

2. спектральная характеристика, выражающая зависимость выходного сигнала ПИ от длины волны падающего излучения;

3. частотная характеристика, определяющая инерционные свойства приемника;

4. шумовая характеристика, представляющая собой зависимость спектральной плотности шума ПИ от временной частоты.

3.4.1. Энергетические характеристики чувствительности пи

Понятие чувствительности охватывает ряд свойств ПИ применительно к различным условиям их работы. Они характеризуются чувствительностями:

1. интегральной;

2. спектральной;

3. спектральной вольтовой;

4. интегральной вольтовой (токовой);

5. квантовой (квантовой эффективностью)

6. пороговым потоком излучения.

Интегральная чувствительность равна отношению изменения одного из параметров ПИ к вызвавшему это изменение полихроматическому (интегральному) потоку излучения. На практике вместо интегральной чувствительности используют понятие интегральной вольтовой (токовой) чувствительности, которое характеризует чувствительность ПИ в реальной схеме его включения. Отношение амплитуды напряжения , снимаемого с ПИ, к амплитуде синусоидального модулированного потока излучения равно вольтовой чувствительности. Она выражается в В/Вт (А/Вт) и описывается формулой

. (3.51)

Спектральная чувствительность равна отношению изменения одного из параметров ПИ к вызвавшему это изменение монохроматическому потоку излучения. Отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде падающего синусоидального модулированного монохроматического потока излучения равно спектральной вольтовой чувствительности. Она выражается в В/Вт (А/Вт) и описывается формулой

. (3.52)

Спектральная чувствительность ПИ однозначно связана с его квантовой эффективностью (квантовым выходом).

Квантовая чувствительность (квантовая эффективность) может быть определена делением тока на заряд электрона и потока излучения на энергию кванта. Если измеряется в мА/Вт, а длина волны  в нм, то

. (3.52)

Относительная спектральная чувствительность ПИ есть отношение спектральной чувствительности к ее максимальному значению :

(3.53)

При освещении ПИ синусоидальным модулированным полихроматическим потоком излучения амплитуда напряжения на выходе ПИ

, (3.54)

где – амплитуда спектральной плотности потока излучения.

С учетом (3.54) интегральная вольтовая чувствительность (3.51) определяется по формуле

, (3.55)

где (3.55)

– коэффициент использования ПИ, а и .

Пороговым потоком ПИ является тот минимальный поток излучения, который вызывает на выходе ПИ сигнал, равный уровню собственных шумов. Заменяя в (3.51) реакцию ПИ среднеквадратическим значением шумов , получим

. (3.56)

По аналогии с (3.56) можно ввести понятие монохроматического порогового потока

. (3.56)

Так как пороговый поток зависит от площади чувствительной площадки ПИ и полосы пропускания частот электронного тракта , то для оценки порогового потока ПИ вводится понятие обнаружительной способности [38]

. (3.57)

Соответственно для монохроматической обнаружительной способности имеем следующую запись:

. (3.57)

Из (3.57) и (3.57) следует, что при заданных размерах чувствительной площадки ПИ и ширине полосы пропускания электронного тракта пороговая чувствительность ПИ зависит от уровня шумов.