3.2 Параметры приемников излучения

Параметр это величина, характеризующая определенное свойство приемника излучения, служащая критерием оценки его качества, при работе в определенных условиях. Параметр можно измерить экспериментально или вычислить по данным измерений других величин.

1 Интегральная чувствительность. Интегральной чувствительностью фотоприемника называют величину отношения эффективно преобразованной приемником энергии излучения в другой вид энергии к полному потоку излучения, падающего на фотоприемник.

Для фотоэмиссионных фотоприемников мерой их реакции является фототок, поэтому выражение для интегральной чувствительности в энергетических фотометрических единицах имеет вид:

, (14)

где I- фототок;

Ф _ - полный поток излучения, поглощенный фотоприемником.

Интегральная чувствительность в световых фотометрических единицах выражается следующим соотношением:

,

где Ф _V - полный световой поток, попавший на фотоприемник.

В световых фотометрических единицах иногда интегральную чувствительность фотоприемников выражают в виде:

,

где Е_v – освещенность чувствительной площадки фотоприемника.

Иногда в качестве интегральной чувствительности выбирают вольтовую чувствительность, которая зависит не только от параметров фотоприемника, но и от схемы включения. В этом случае интегральная чувствительность в энергетических единицах, равная , выражается в вольтах, деленных на ватт, а в световых единицах выражается в вольтах, деленных на люмен или в вольтах, деленных на люкс.

Для фоторезисторов интегральная чувствительность равна отношению величины относительного изменения сопротивления элемента к изменению его облученности . На линейном участке световой характеристики фотосопротивления его интегральная чувствительность определяется выражением. В двух случаях она измеряется в обратных ваттах.

В фотоприемниках, у которых чувствительность зависит от напряжения питания, в паспорте приводится удельная интегральная чувствительность (чувствительность на один вольт). Она выражается, например, в виде или в других похожих единицах.

Интегральная чувствительность – паспортная величина, которая относится к заданному эталонному источнику излучения. По ГОСТ 7721-76 для паспортизации фотоприемников, чувствительных в видимом и ближнем ИК диапазонах, используется источник типа А, представляющий собой абсолютно черное тело (АЧТ) с температурой 2856 К. Для фотоприемников, чувствительных в ИК диапазоне, для паспортизации используются излучатели в виде АЧТ с температурой 100 и 300 К. В настояще время рекомендуется для паспортизации приемников, чувствительных в ИК области, применять излучение АЧТ с температурой 127315 К.

Иногда для фотоприемников указывают интегральную чувствительность для определенных режимов работы. Так, например, чувствительность для фоторезистора, записанная в виде S_(500,800,1), означает, что чувствительность приведена для источника в виде АЧТ с температурой 500 К при частоте модуляции 800 Гц и шириной полосы частот модуляции, равной 1 Гц.

Использование в настоящее время для построения оптико-электронных приборов источников излучения, спектр которых значительно отличается от спектра излучения эталонных излучателей, требует знания чувствительности фотоприемника на отдельных длинах волн. Это можно осуществить с использованием спектральной характеристики фотоприемников, которая представляет собой монохроматическую чувствительность фотоприемника на отдельных длинах волн. Такая характеристика называется спектральной чувствительностью фотоприемника (спектральной характеристикой) и обозначается в энергетических единицах в следующем виде:

,

Здесь I_- фототок при облучении фотоприемника изучением на длине волнысо спектральной плотностью потока излученияФ_е.

2 Коэффициент использования потока излучения. Он показывает, какую долю сложного потока излучения, падающего на фотоприемник, составляет эффективный для этого приемника поток.

Коэффициент использования потока излучения определяется следующим выражением:

, (15)

где – спектральная чувствительность фотоприемника в относительных единицах;

– максимальная чувствительность фотоприемника в абсолютных единицах;

Понятие коэффициента использования потока излучения применимо к любому излучателю, а не только к эталонному.

3 Эффективная ширина полосы чувствительности фотоприемника. В некоторых расчетах вместо коэффициента использования потока излучения пользуются эффективной шириной полосы чувствительности фотоприемника_эфф. Эффективной шириной полосы чувствительности фотоприемника называют ширину диапазона спектра, в которой был бы сосредоточен весь эффективный поток излучения, падающий на него, при условии, что в этом интервале спектра функция спектральной плотности потока излучения постоянна и равна своему максимальному значению.

. (16)

4 Пороговый поток, пороговая чувствительность.Пороговым потоком называют тот минимальный поток излучения, который вызывает на выходе фотоприемника сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов. Понятие порогового потока применимо и к световому потоку. Пороговый поток измеряется в ваттах, а пороговый световой поток измеряется в люменах.

Пороговый поток измеряется, как и интегральная чувствительность, по эталонному (вполне определенному) источнику и зависит от его излучения. Поэтому в паспорте на фотоприемник, наряду с пороговым потоком, указывается тип источника, по которому он измерялся. Имеет смысл также монохроматический пороговый поток или спектральное распределение пороговой чувствительности.

Пороговый поток однотипных фотоприемников зависит от площади светочувствительной площадки и от ширины полосы частот, в которой регистрируется сигнал, так как величина шума зависит от полосы частот.

В этом случае для описания порогового потока вводят понятие пороговой чувствительности.Под пороговой чувствительностью понимают пороговый поток, отнесенный к единичной площади светочувствительного слоя фотоприемника и к единичной полосе пропускания.

Тогда интегральная и спектральная пороговые чувствительности равны соответственно

;. (17)

5 Обнаружительная способность.Обнаружительная способностьD,D_– это величина, обратная соответствующей пороговой чувствительности.

6 Квантовая эффективность и квантовая пороговая чувствительность.Иногда при расчете оптико-электронной аппаратуры, использующей лазерные и монохроматические источники,применяют квантовую эффективность и квантовую пороговую чувствительность.Квантовой эффективностью фотоприемника называют отношение числа квантовN_кв.эфф., активно поглощенных чувствительным слоем (для внешнего фотоэффекта, выбивших фотоэлектроны, а для внутреннего фотоэффекта, сгенерировавших электронно-дырочные пары), к общему числу квантовN_кв., попавших на фотоприемник.

Квантовая пороговая чувствительность N_пор выражается числом квантов падающего монохроматического излучения в единицу времени, вызывающего сигнал, равный шуму.

7 Вольтовая и токовая чувствительность (чувствительность по напряжению и по току). Отношение амплитуды эффективного напряжения, снимаемого с фотоприемника при оптимальном режиме его питания, к амплитуде синусоидально модулированного потока излучения называется вольтовой чувствительностью или чувствительностью по напряжению.

Если на выходе фотоприемника измеряют ток, а не напряжение, то приемник характеризуется токовой чувствительностью или чувствительностью по току. Эти чувствительности зависят не только от свойств приемника, но и от схемы, в которую он включен. Схема включения для различных фотоприемников неодинакова, поэтому связь между интегральной и вольтовой (токовой) чувствительностью зависит от типа фотоприемника.

8 Сопротивление фотоприемника. Знание его необходимо при выборе и расчете цепи включения приемника излучения и выборе сопротивления нагрузки. Для фоторезисторов выбирается темновое сопротивление (сопротивление фоторезистора без засветки светочувствительного слоя), а для фотодиодов динамическое сопротивление, равное отношению изменения напряжения сигнала к изменению тока. От величины сопротивления фотоприемника зависит его постоянная времени и величина его шумов. Сопротивление фотоприемника обуславливает выбор усилителя и схемы связи усилителя с фотоприемником. Для низкоомных приемников часто используется трансформаторная связь.

9 Шум фотоприемника. Вместе с полезным сигналом на выходе фотоприемника возникает хаотический сигнал со случайной частотой и амплитудой – шум. Так как это случайная величина, то она среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру частот определяется спектральной плотностью шума – дисперсией, приходящейся на бесконечно малый участок спектра. Так как природа и механизм действия шумов весьма многообразны, то их необходимо рассматривать отдельно.

3.3 Характеристики приемников излучения

Характеристикой называется зависимость, описывающая изменение какого-либо параметра при изменении внешних факторов. Характеристику можно выразить формулой, графиком, таблицей. Применительно к приемникам излучения различают следующие характеристики.

1 Спектральная чувствительность. Спектральной чувствительностью S_ называют реакцию фотоприемника на монохроматический поток излучения или на световой поток.

. (18)

Для расчета параметров фотоприемников удобно их спектральную чувствительность использовать в относительных единицах, нормированных на максимальное значение спектральной чувствительности S_max, которое представляет собой число. Ее удобно использовать для расчета однотипных фотоприемников, имеющих одинаковую относительную спектральную чувствительность, но различную интегральную чувствительность.

2 Переходная характеристика фотоприемника.Под ней понимают реакцию фотоприемника на единичный скачок потока излучения во времени. Она характеризует постепенное нарастание сигнала фотоприемника при его мгновенной засветке. Этот процесс определяется постоянной времени фотоприемника (). Это время, отсчитываемое от начального момента времени до того момента, когда сигнал возрастет до уровня 63 % от максимального. Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие. Но его быстродействие также зависит и от схемы включения, температуры, характера излучения. Диапазон изменения постоянной времени различных типов фотоприемников изменяется в широких пределах от долей наносекунды для лавинного фотодиода до нескольких секунд для болометров. Для фотоприемников одного и того же типа разброс постоянных времени составляет 5-10%.

3 Импульсная характеристика фотоприемника.Реакция приемника на единичный импульс потока излученияФ(t)=(t)называется импульсной характеристикойS_и(t)фотоприемника. Под-функцией(t)понимают импульс единичной амплитуды, длительность которого бесконечно мала по сравнению с постоянной времени фотоприемника.

4. Частотная характеристика. Частотной характеристикой фотоприемника называют зависимость его чувствительности от частоты модуляции, падающего на фотоприемник излучения. Вид частотной характеристики изменяется от вида модуляции потока излучения. Например, для фотоприемника, имеющего экспоненциальную зависимость выходного сигнала во времени, для синусоидальной модуляции эта характеристика описывается выражением

, (19)

где =2f– циклическая частота.

Для уверенной передачи модулированного сигнала частота модуляции не должна превышать максимально допустимой частоты f_max, которая удовлетворяет сотношению. Эта оценка справедлива для любого вида модуляции потока излучения.

Зависимость угла сдвига фазы гармонической составляющей выходного напряжения (тока) относительно соответствующей ей гармонической составляющей потока излучения называется фазовой характеристикой.Для амплитудно-модулированного излучения она имеет вид

. (20)

5 Энергетическая (световая) характеристика. Под энергетической (световой) характеристикой фотоприемника понимают зависимость чувствительности (любой), фототока или напряжения от величины падающего на фотоприемник излучения. Характерной особенностью световой характеристики является то, что при малых потоках излучения она линейна. По мере увеличения потока излучения наблюдается насыщение. По энергетической характеристике можно определить интегральную чувствительность по току и по напряжению при заданном уровне засветки фотоприемника, которые являются крутизной соответствующей характеристики. Таким образом, можно определить чувствительность для любого источника, для которого известна световая характеристика.

6 Апертурная характеристика фотоприемника.Апертурной характеристикой называют зависимость сигнала фотоприемника от угла падения излучения на фотоприемник. Предельная область работы фотоприемника по углу составляет90⁰, но максимальный угол апертурной характеристики часто зависит от конструкции фотоприемника.

7 Вольт-амперная характеристика.Эта характеристика определяет зависимость тока фотоприемника от величины приложенного питающего напряжения. Для каждого типа фотоприемника она имеет свой, характерный для данного приемника вид, но для любого фотоприемника на вольт-амперной характеристике имеется линейный участок, на котором обычно выбирается рабочая точка. Анализ вольт-амперных характеристик позволяет решить вопрос выбора схемы включения фотоприемника и выбор рабочего интервала питающих напряжений.

8 Вольтовы характеристики.Они отражают связь между чувствительностью, шумом, пороговым потоком и другими параметрами фотоприемника в зависимости от питающего приемник напряжения. Так как с увеличением питающего напряжения растут интегральная чувствительность, и шумы, то для обеспечения оптимальных условий работы фотоприемника величина питающего напряжения должна подбираться с учетом всех факторов. Чтобы при проведении расчетов исключить зависимость чувствительности от величины питающего напряжения, пользуются понятием удельной чувствительности, относя ее к напряжению в один вольт.

9 Температурные характеристики. Они отражают зависимость параметров фотоприемника от температуры светочувствительного слоя. Например, температурный коэффициент чувствительности определяет, на сколько процентов изменяется чувствительность фотоприемника при изменении температуры светочувствительного слоя на один градус.

10 Спектр мощности шума.Спектр мощности шума (спектр плотности шума) – зависимость, описывающая распределение дисперсии шума по частотам. С точки зрения уменьшения уровня шумов на измеряемый фотоприемником сигнал целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляцииf₀и уменьшать ширину полосы пропускания системыf. С этой целью широко применяются селективные усилители, настроенные на частоту модуляции потока излучения.