7

Практика по курсу «Фотометрия»

Практика 4. Характеристики матричных фотоприемников

• Основные элементы, определившие создание оптоэлектронных приборов и приемных устройств.

• Определение и история ПЗС-матрицы

• Общее устройство и принцип работы.

• Методы получения кремния

• Светочувствительные линейки.

• Основные параметры ПЗС-матриц.

4.1. Основные элементы, определившие создание оптоэлектронных приборов и приемных устройств.

Оптоэлектронные элементы подразделяют на следующие группы: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Фотоприемник предназначен для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители и другие элементы (табл. 4.1).

Табл.4.1

Сравнение параметров фотоприемников различных типов (приведенные в таблице фотоприемники используются в оптронах)

Фотоприемник	Kоэффициент передачи, %	Полоса частот, МГц
Фотодиод	0,1	0–10
Фототранзистор	30	0–0,3
Составной фототранзистор	300	0–0,03

Спектральная чувствительность у фототранзисторов такая же, как у соответствующих фотодиодов. Параметры некоторых отечественных фототранзисторов приведены в табл. 4.2.

Табл. 4.2.

Параметры некоторых отечественных фототранзисторов

Фототран зистор	Размеры элемента, мм2	Темновой ток, мкА, не более	Рабочее напряжение, В	Максимальная спектральная чувствитель ность, мкм	Импульсная постоянная времени, с	Интегра льная чув ствительность, мкА/лк
ФТ-1K	2,8	3	5	0,8–0,9	0,00008	0,4
ФТ-2Г	1,0	500	12–24	1,5–1,6	0,00001	2,0
ФТ-3	3,0	60	5–10	1,5–1,55	0,0001	1,0
ФТГ-5	3,0	50	5–10	1,5–1,55	0,00002	1,0
KТФ109А	2,0	Сведений нет	5	0,83	Сведений нет	0,25 А/Вт

Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах.

Фототиристор - это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока. Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких, как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии.

Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) - на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) - более 10000.

Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, так как превышает весь видимый (0,38-0,78 мкм) спектр световых волн и захватывает как инфракрасную, так и ультрафиолетовую зоны (например, сурьмяно-цезиевые фотокатоды типа Sb-K-Na-Cs имеют область спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 0,3-0,8 мкм).

В наиболее распространенном астрономическом фотоумножителе ФЭУ-79 11 динодов, благодаря чему достигается динодное умножение 10⁶- 10⁷. Это значит, что каждый фотоэлектрон, выбитый из фотокатода и попавший на первый динод, создает на аноде импульс электрического тока, состоящий из 10⁶- 10⁷ электронов. Отношение числа импульсов электрического тока на аноде ФЭУ к числу квантов, упавших на фотокатод, называется квантовым выходом ФЭУ ε. Для ФЭУ-79 в зеленом участке спектра ε ~ 0,1.

Рис. 1. Внешний вид фотоумножителя ФЭУ-79

Видиконы. Существуют фотоприемники, которые способны воспринимать все изображение целиком, со всеми его перепадами яркостей (или светлот), цветов, полутонов. В телевидении эти приборы называют передающими трубками. Основными элементами видикона являются фотомишень и электронный прожектор.

Сканистор представляет собой полупроводниковый преобразователь пространственного распределения светового потока в адекватную ему последовательность электрических сигналов (видеосигнал). Сканистор считается твердотельным аналогом передающего электронно-лучевого прибора, основанным на внутреннем фотоэффекте. При отсутствии светового потока сигнал на выходе цепочки фотодиод - вентильный диод равен нулю, а при воздействии светового потока в фотодиодах возникают фототоки, которые суммируются и создают ступенчатый выходной сигнал.

Сканисторы применяют в фототелеграфии, в системах оптической обработки информации, а также в колориметрах и спектрофотометрах.

Фотодиодные линейки и матрицы. Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а матричные представляют собой набор таких линеек.

Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, а в матричном варианте - путем поочередного опроса каждой линейки (и каждого фотодиода в линейке). Фотодиодные линейки и матрицы используются в современных спектрофотометрах, сканерах и других устройствах ввода оптической информации.