Конспекты лекций / Лекция 9

Лекция 9.

Фотометрические преобразователи.

1. Фотоэлектрические преобразователи

1.1.Приемники излучения

Фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы) по основному своему

назначению основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона

вэлектрический сигнал. Оптический диапазон занимает область спектра электро-

магнитных излученийот глубокого ультрафиолетового (от 0.01 мкм) до дальнего

преобразованиеоптического излучения в электрический сигнал.

Основные характеристики фотоэлементов:

1)Световая характеристика - выражает зависимость значения фототока от величины падающего на фотоэлемент светового потока IФ = f (Ф) при постоянном напряжении между электродами U=const.

2)Спектральная характеристика – определяет зависимость спектральной чувствительности фотоэлемента от длины волны светового потока Sλ= f (λ) при неизменном напряжении между электродами. По этой характеристике определяют максимальную спектральную чувствительность фотоэлементов и ширину спектральной области, в которой он пригоден для работы. Зависимость Sλ= f(λ) называется абсолютной спектральной характеристикой, а отношение γλ= Sλ/Sλmax относительной спектральной характеристикой фотоэлемента.

3)Статическая вольтамперная характеристика показывает зависимость фототока в цепи фотоэлемента от напряжения, приложенного к его электродам IФ=f(U) при

постоянном значении светового потока неизменного спектрального состава Фλ=const. 4) Частотная характеристика определяет зависимость амплитуды фототока в цепи фотоэлемента или его фото- э. д. с. от частоты пульсирующего с постоянной амплитудой потока излучения.

К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним

фотоэффектами.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны,

вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами,

электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Группу приемников с внешним фотоэффектом составляют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия фотоэлементов с внешним фотоэффектом заключается в том, что кванты света, достигая чувствительной поверхности фотокатода, вызывают эмиссию фотоэлектронов, которые под действием внешнего электрического поля создают фототок.

Вакуумные фотоэлементы конструктивно оформляются обычно в видестеклянного баллона (рис. 8.), на внутреннюю поверхность которого наносится светочувствительный слой из щелочных металлов. Катод занимает около половины внутренней поверхности баллона, а остальная прозрачная его часть служит входным световым окном. Анод фотоэлемента выполнен в видеметаллического стержня,

кольца или сетки и расположен в центре баллона. Внутри баллона создается вакуум до 0,01...0,001 Па. Под действием светового потока фотокатод излучает поток электронов, которые при наличии между катодом и анодом постоянного напряжения создают фототок.

Рисунок 1. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта

Достоинства: высокая чувствительность (фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители). Недостатки: необходимость высоких питающих напряжений и

существенные габариты.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках,

происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации

фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

1. Фоторезисторы - полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Действие основано на зависимости их

фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них

излучения.

Достоинства: простота их устройства и низкая стоимость. Недостатки:

заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями), температурная и временная нестабильность.

Рисунок 2. Условное обозначение фоторезистора

2. Фотодиод - фотоэлектрические приемники, в которых под действием излучения возникает фото-ЭДС на границе двух контактирующих материалов, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем. Они выполняются на основе полупроводниковых р-n переходов и могут использоваться в вентильном, или в диодном режиме - с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод.

Достоинства: простота технологии изготовления и структуры, сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия, малое сопротивление базы, малая инерционность.

Рисунок 3. Обозначение на схеме фотодиода

3.Фототранзи́стор – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения

Рисунок 4. Обозначение фоторанзистора на схеме

1.2.Источники излучения

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-

emittingdiode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом,

создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет

(если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

Светодиоды — наиболее развивающееся направление в области источников света.

Сейчас созданы светодиоды практически всех цветов радуги — от красного до фиолетового, а также диоды, излучающие в инфракрасной области.

Рисунок 5. Светодиоды и условное обозначение на схеме

Оптопара (оптрон) - электронный прибор, состоящий из излучателя света (светодиод) и

приемника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров,

фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.По сути: в одном корпусе соединены и источник света, и приемник.

2. Применение фотоэлектрических преобразователей в медицине

Зако́нБугера – Ламберта – Бера – физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в

ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—760 нм) и инфракрасной (>760 нм)

областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии — зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны. Спектрофотометрия

спектрофотометрии – спектрофотометры.

Фотоплетизмография - метод исследования кровенаполнения сосудов. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, т.е. при исследовании кровотока определяется размером сосуда или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

Фотоплетизмограмма (ФПГ) получаемая после усиления и обработки сигнала фотоприемника характеризует состояние кровотока в месте расположения датчика

Рисунок 6. Датчик фотоплетизмограммы при исследовании кровотока в пальце руки

Рисунок 7. Фотоплетизмограмма периферического пульса

Пульсоксиметрия (оксигемометрия, гемоксиметрия) — неинвазивный метод определения степени насыщения крови кислородом (сатурация).

Для неинвазивного определения оксигенации крови в “поле зрения” фотоплетизмографического датчика помещается участок тканей, содержащий артериальные сосуды. В этом случае сигнал с выхода датчика, пропорциональный абсорбции света, проходящего через ткани, включает две составляющие: пульсирующую компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную “базовую” составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка (рис.8).

Рисунок 8. Распределение абсорбции света в тканях

Путем анализа формы сигнала ФПГ можно выделить его фрагменты, соответствующие моментам систолического выброса. Именно в эти короткие промежутки времени на вершине систолы удается наиболее точно определить сатурацию артериальной крови кислородом.

Для определения сатурации используется методика двухлучевой спектрофотометрии. Измерение абсорбции света производится в моменты систолического выброса, то есть в моменты максимума амплитуды сигнала датчика (рис.43) для двух длин волн излучения. Для этой цели в датчике используются два источника излучения с различными спектральными характеристиками.

Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода длины волн излучения источников необходимо выбирать в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином и гемоглобином. Этому условию удовлетворяют красная и ближняя инфракрасная области спектра излучения. При длине волны излучения 660 нм (красная область) гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин, а на волне 940 нм (инфракрасная область) - поглощение оксигемоглобина больше, чем гемоглобина.

Подробнее: http://www.symona.ru/school/monitoring-breath/monitoring-breath_74.html

Различают трансмиссионную пульсоксиметрию (анализ светового потока, пропускаемого через ткани организма, рис. 9) и отраженную пульсоксиметрию (анализ отраженного от тканей светового потока, рис. 10).

Рисунок 9. Метод трансмиссионнойпульсоксиметрии допускает установку датчиков на кончик уха

Рисунок 10. Метод отраженной пульсоксиметрии позволяет оценить сатурацию при помощи датчика, прикрепленного на лоб

Вопросы к лекции:

1.Фотоэлектрические преобразователи (определение). Световая и спектральная характеристика фотоэлементов

2.Внешний фотоэффект и фотоэлементы на его основе (дать определения)

3.Внутренний фотоэффект и фотоэлементы на его основе (дать определения).

4.Светодиод. Оптрон (дать определения).

5.Закон Бугегра-Ламберта-Бера. Спектрофотометрия.

6.Фотоплетизмография и пульсоксиметрия (сатурация крови кислородом, трансмисионная и отраженная пульсоксиметрия).

7.Статическая вольтамперная и частотная характеристики ФЭП