1.3. Малые фотоэлементы

Один из таких фотоэлементов изображен на рис. 5.

Рис. 5. Малый фотоэлемент

Технические данные малых фотоэлементов приведены в табл.5

Табл. 5. Технические данные малых фотоэлементов

Фотоэлемент с мощным сигналом и усилителем (рис. 6). Рекомендован для ворот, автомоек, лифтов и т.д., сред с высоким содержанием пыли

Рис. 5. Фотоэлемент с мощным сигналом и усилителем

Технические данные для отдельного усилителя фотоэлемента приведены в табл.6

Табл.6

Световодные фотоэлементы (рис. 7) – включают усилители с широким выбором световодов.

Рис. 7. Световодные фотоэлементы

Данные на этот фотоэлемент представлены на рис. 8 (и таблице) ниже

Рис. 8. Световодные фотоэлементы

Фотоэлемент F70PRN приведен на рис. 9

Рис. 9. Малый фотоэлемент F70PRN

Фотоэлемент снабжен дисплеем (рис. 10)

Рис. 10. Дисплей фотоэлемента F70PRN

Усилитель с аналоговым выходом V8 C/D (рис. 11)

Рис. 11. Фотодатчик V8 C/D

Фотоэлемент чувствителен к небольшим изменениям цвета. Источником света являются LED-диоды. Предусмотрено программирование трех разных цветов. Технические данные усилителя:

Наборы различных датчиков

Технические данные барьерных фотоэлементов

1.5. Ультразвуковые датчики UST 50/ USR 25, хотя и не относятся к оптическому диапазону, но часто очень важны в системах управления. Они имеют вид:

Технические данные УЗ-датчиков

Практика 4. Характеристики матричных фотоприемников

1. Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств.

2. Определение ПЗС-матрицы

3. Общее устройство и принцип работы.

4. Методы получения кремнния

5. Светочувствительные линейки.

6. Основные параметры ПЗС-матриц.

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

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

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.

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

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.

Сканистор представляет собой полупроводниковый преобразователь пространственного распределения светового потока в адекватную ему последовательность электрических сигналов (видеосигнал).

Фотодиодные линейки и матрицы. Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов.

ПЗС-ма́трица или CCD-ма́трица    специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) - это фотоприемник, воспринимающий изображение, осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и формирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению.

Параметры некоторых отечественных ФПЗС

Тип прибора	Число элементов	Диапазон спектральной чувствительности, мкм	Вольтовая чувствительность, мВ/лк	Частота опроса, МГц	Габаритные размеры, мм
ФПЗС1Л	500	0,5–0,1	3,0	Сведений нет	29,514,73, 3
ФПЗС3М	256ґ288	0,4–1,0	30,0	Сведений нет	19,515, 75 2, 98
1200ЦЛ1	1024	0,5–1,0	2,4	0,05–3	29,114, 73, 95
1200ЦЛ2	2048	0,36–1,0	8,0	0,1–3	29,114, 73, 95
1200ЦМ2А	576ґ360	0,5–1,0	10,0	Сведений нет	42,5ґ24, 7ґ5, 5

Рис. 2. Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора )

1  Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;

2  Микролинза субпикселя;

3  R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;

4  Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или оксида олова;

5 Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);

7  Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей;

8  Кремниевая подложка p-типа.

Рис. 3. Элемент ПЗС-матрицы

Рис. 4. Полнокадровая матрица

Рис. 5. Генератор на ПЗС-матрице

Для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы сенсор не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы (около 30 срабатываний в секунду) может быстро выйти из строя. К счастью, благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор, который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхмалые (до 1/10000секунды) значения выдержки, особенно критичные для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа ит.д.). Однако электронный затвор требует также, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы (рис. 6).

Рис. 6. Светочувствительный слой

В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров, а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Рис. 7. Матрица с обратной засветкой

Практика 5. Приемники оптического излучения. Материалы для их разработки и изготовления.

• Принципы построения фотоприемников

• Тенденции разработок новые материалов для приемников оптического излучения

• Основы и необходимость тепловизионных приемных устройств

• Три поколения современных тепловизионных систем

Таким образом, (r, t) – волна вероятности, получившаяся название волны де Бройля. С другой стороны, если электрон рас­сматривать как частицу, которая может (без рассея­ния) свободно перемещаться вдоль цепочки, то его энергия E увеличивалась бы квадратично при уве­личении его импульса. Однако электрон рассеивается на атомах цепочки, и, чтобы учесть это взаимодействие, следует учитывать вол­новые свойства электрона, то есть рассматривать электрон как плоскую волну. Увеличение р озна­чает уменьшение длины волны . При >>а, где а  постоянная решетки, волна практически не рассеивается.

Рис. 5.1. Структура зонного спектра: а - зависи­мость энергии электрона от импульса в зоне 1. Разрешенным значениям импульса

Практика 6. Современные разработки фотоприемников

• Требования к основным параметрам матрицы ИК - приёмника излучения

• Основные свойства одноплощадочных приёмников ИК-излучения

• Специальные фотоэлементы. Фотонные приёмники излучения

• Тепловые приёмники излучения

• Материалы для фотонных приёмников излучения

В современных тепловизионных системах используются фотонные и тепловые приёмники инфракрасного (ИК) излучения. Спектральный диапазон чувствительности приёмников излучения велик (от 0,8 до 1000 мкм), а параметры при достаточном охлаждении близки к пределу, ограниченному флуктуациями фона (режим ОФ). На рис. 6.1 представлены относительные спектральные характеристики фотонных и тепловых приёмников излучения.

Рис. 6.1. Относительные спектральные чувствительности приёмников.

Фотонные приемники излучения

Тип приемника	Рабочая температу-ра, К	Постоянная времени, мкс	Максимум чувстви-тельности, мкм	Область спектра, мкм	D*(500К) смГц1/2.Вт-1
Si, ФД	300	10-2	0,9	0,6 – 1,1	~107
Si, лавинный ФД	300	~10-5	0,9	0,6 – 1,1	>2.107
Ge, ФД	300	~10-5	1,5	0,9 – 1,9	5109
PbS, ФР	300	>100	2,4	1,1 – 3,5	1,5109
InAs, ФД	77	0,5	3,1	1,8 – 3,8	21010
PtSi, ФД Шоттки	90	~103	0,9	0,8 – 5,0	2109
PbSe, ФР	300	1 – 5	3,9	1 – 5,0	2108
InSb, ФД	77	0,1 – 2	4,9	2 – 5,5	51010
HgCdTe, ФД	195	~2	4,5	1 – 5,5	41010
HgCdTe, ФД	77	0,5 – 2	10,5	8 – 11,5	21010
HgCdTe, ФР	77	0,1 – 2	10,5	8 – 14	25.1010
PbSnTe, ФД	77	0,5	11	8 – 11,5	21010
Si:Zn	70 – 100	(1 – 5) 10-2	2,4	0,9 – 2,5	8109
Si:Te	120	(5 – 10) 10-2	3,5	0,9 – 4,2	21010
Si:In	≤50	~10-4	4,6	0,9 – 7,0	21010
Si:Mg	<50	~510-3	11,5	0,9 – 12	51010
Si:Ga	<30	~510-2	15	0,9 – 17	2,51010
Si:Bi	<30	10-3 – 10-2	17,5	0,9 – 22	2,51010
Si:As	<30	~10-2	24	0,9 – 28	1,1010
Ge:Cu	15	10-3 – 10-2	21	1,5 – 27	1,1010
Ge:Zn	6	(1 – 5) 10-3	37	1,5 – 45	2,51010
Ge:Hg	30	310-4	12	3 - 14	31010
Ge:Be	4.2	10-4 – 10-2	50	1,5 – 65	Режим ОФ
Ge:Cd	25	10-3 – 510-2	90	1,5 – 100	Режим ОФ
Ge:In	4.2	10-3 – 10-2	110	1,5 - 240	Режим ОФ

Характеристики неохлаждаемых тепловых приёмников представлены в таблице 2 и на рис. 2.

Табл. 2.

Тепловые приемники излучения

Тип приемника	Рабочая температура, К	Постоянная времени, мс	Область спектра, мкм	D*(500К) смГц1/2Вт-1
Термопара	300	10 - 100	0,8 – 20	≤1,5109
Термобатарея	300	0,5 – 400	0,8 – 35	<5109
Болометр	300	1 – 100	0,8 – 40	<5109
Сверхпроводник	16	~0.5	1 – 1000	~10 10
Пироэлектрик	300	0,1 - 100	0,6 - 35	≤8108

Практика 7. Преобразователи сигналов в радиоэлектронике и оптике

• Основы оптоэлектроники

• Преобразователи сигналов фотоприемников. Пространственное распределение светового поля широкоформатного излучателя.

• Компараторы .

Оптоэлектроника (ОЭ) – это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Оптопары или элементы гальванической развязки, представляющие собой приборы, в которых излучатель связан с фотоприемником оптически и развязан электрически.

была поставлена задача – разработать излучатель, свободный от указанных недостатков и позволяющий сформировать достаточно однородную пространственную структуру светового поля в плоскости объекта испытаний. Для этого разработана конструкция широкоформатной ламповой панели, при которой импульсные ксеноновые лампы ИНП-16/580 расположены вертикально в одной плоскости параллельно друг другу с постоянным шагом установки (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Излучатель – 14-ламповая панель с датчиками диагностики излучения

На рис. 7.2 изображена схематическая конструкция устройства сканирования светового поля.

Рис. 7.2 Устройство сканирования светового поля

Рис. 7.3. Конструкция фотодатчика (в разрезе, вид сверху)

Компаратор (аналоговых сигналов) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше.

Рис. 7.7. Схемотехническое обозначение компаратора

Структура схемы дифференциального усилителя приведена на рис. 7.8

Рис. 7.8. Дифференциальный усилитель

Рис. 7.9. Дифференциальный усилитель

Операционный усилитель (ОУ ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления.

Обозначение ОУ (рис. 7.10):

Рис. 7.10. Обозначение операционного усилителя на схемах

• V₊: неинвертирующий вход

• V₋: инвертирующий вход

• V_out: выход

• V_S+: плюс источника питания (также может обозначаться как V_DD, V_CC, или V_{CC +} )

• V_S−: минус источника питания (также может обозначаться как V_SS, V_EE, или V_{CC −} )

Практика 8. Оптические устройства исследования, связи

• Фотоумножители

• Оптические микроскопы

• Оптические разговорные устройства

Конструктивно от вакуумного фотоэлемента ФЭУ отличается тем, что кроме фотокатода и анода содержит ещё фокусирующую электронно-оптическую систему, диафрагму и дополнительные электроды (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электронов (рис. 8.1, а).

Рис. 8.1. Устройство ФЭУ со схемой его питания (а, б) и пояснение работы канального (в—д) и жалюзийного (е ) ФЭУ

При освещении фотокатод 1 эмитирует первичные фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и фокусируются электронно-оптической системой 2 на первый динод Э₁, вызывая его увеличенную вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны, вылетевшие из первого динода, ускоряются электрическим полем и направляются на второй динод Э₂, увеличенный поток электронов со второго динода — на третий и т. д.

Электрическое поле, ускоряющее электроны, создается делителем постоянного напряжения R1—R11, обеспечивающим положительный потенциал каждого последующего каскада больше (относительно) предыдущего.

Фотокатоды ФЭУ аналогичны фотокатодам ФЭ и могут работать «на просвет» и на «отражение». При работе на просвет полупрозрачный фотокатод наносят на плоское входное окно колбы в виде круга диаметром 10—50 мм (иногда до 250 мм), при работе на отражение входное окно часто располагают на боковой стенке колбы, а излучение через него попадает на фотокатод со стороны вакуума.

Рис. 8.2. Фотоэлектронные умножители. 1 – фотокатод; 2 – диноды; 3 – коллектор; 4 – фокусирующая сетка; 5 – падающий свет; 6 – слюдяной экран

На рис. 8.3 представлен современный оптический микроскоп «Альтами МЕТ 3М»

Рис. 8.3. Современный металлографический микроскоп Альтами МЕТ 3М

Микроско́п — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом.

Рис. 8.4. Окуляры микроскопа Альтами 136

Рис. 8.5. Система освещения с конденсором

Рис. 8.6. Предметный столик люминесцентного микроскопа Альтами ЛЮМ 2

Стереомикроскопы  один из наиболее востребованных современных микроскопов (рис. 8.6).

Рис. 8.7. Исследование с помощью компьютеризованного бинокулярного микроскопа

Рис. 8.8. Учебный стереомикроскоп Альтами ПС II

Люминесцентные микроскопы

Рис. 8.9. Люминесцентный микроскоп Альтами ЛЮМ 1

Рис. 8.10. Профессиональный волоконно-оптический видеомикроскоп NOYES VFS 1

Рис. 8.11. Оптический телефон OVS6000 фирмы GN Nettest

Рис. 8.12. Переговорное устройство ПУ-2

Рис. 8.13. Схема оптического разговорного устройства

Практика 9 Методы клинической фотометрии

• Особенности проведения фотометрических исследований биологического объекта

Практические методы клинической фотометрии

• Кубик Люммера – Бродхуна

• Фотометрический стенд

Рис. 9.1. Места локализации (а) и регистрация объемного пульса (б) для здоровой и больной кожи

Рис. 9.2. Схема кубика Люммера-Бродхуна, применяемого для сравнения силы света двух источников. а – две призмы, из которых состоит кубик; б – их расположение в фотометрической головке; в – поля сравнения, видимые в окуляр O.

Рис. 9.3. Фотометрическая скамья, применяемая в визуальной фотометрии

(фотометрическая головка показана на рис. 9.2,б).

Рис. 9.4. Блок-схема и общий вид фотометра

Фотометр 1 выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ-38, разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 228 (прошедшего процесс старения для стабилизации параметров), скорригированной под функцию видности глаза V(λ) не хуже F’ = 5%, где F' - есть отличие от единицы поправочного коэффициента физического фотометра Кс. Расчет Кс позволяет исключить систематическую составляющую погрешности измерений, связанную с переходом от источника типа «А» (калибровка эталонной фотометрической головки) к спектру излучения светодиода.

Рис. 9.5. Структурная схема измерения ВАХ источников света

Рис. 9.6. Спектральная чувствительность фотометра, ее положение относительно функции V(λ) и динамика ухода характеристики по результатам поверок