Классификация приемников ик-излучения.

Приемники ИК-излучения – это приборы, предназначенные для приема и преобразования энергии излучения в электрическую (или другие виды энергии). Это основной элемент ИК-прибора.

Выделяют три группы приборов:

• тепловые приемники;

• фотоэлектрические;

• фотохимические.

Тепловые приемники чувствительны в широком , т.е. неселективны. Два других типа считаются селективными.

В тепловых приемниках ИК излучение сначала преобразуется в тепло, а затем в электрическую энергию.

В фотоэлектрических приемниках ( ФП) происходит изменение электрических свойств материала под воздействием излучения.

В фотохимических приемниках (фотопленка) энергия излучения преобразуется в процессе химических реакций в видимое изображение.

К тепловым ФП относят: термоэлементы, болометры, оптико-акустические, пироэлектрические и пневматические.

Фотоэлектрические ФП делят на приемники с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотогальванические ФП) и внешним фотоэффектом (фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, видиконы, телевизионные трубки и т.д.).

Параметры и характеристики фп

В ИК-приемниках излучение может быть направлено на чувствительный элемент или в виде постоянного потока или прерывистого. Прерывание потока излучения по определенному закону называется модуляцией, а частота с которой поток прерывается называется частотой модуляции f . Модуляция необходима для выделения и обнаружения слабых сигналов от объектов и исключения фонового излучения (дневной свет, Солнце и т.д.), а также для измерения параметров ФП.

Параметр ФП – это величина, единственное значение которой характеризует свойство ФП. Параметр может быть измерен непосредственно или вычислен по данным измерений других величин. Основными параметрами ФП являются:

R_т – внутреннее (темновое) сопротивление;

 – постоянная времени (инерционность);

U_ш – уровень шумов;

вольт-ваттная чувствительность Su;

пороговая чувствительности P_i;

обнаружительная способность Д*.

Для расчета некоторых параметров необходимо также знать конструктивные особенности ФП q_п – площадь чувствительного элемента, уровень облученности чувствительного элемента (А), U_п – напряжение питания и полосу пропускания усилительного тракта ∆f. Большое влияние на ряд свойств оказывает также частота модуляции излучения, температура слоя.

Внутреннее сопротивление ФП – это сопротивление чувствительного элемента при отсутствии облучения. R_т – определяет требования к выходной схеме усилителя сигнала ФП. От R_т зависит также уровень шумов ФП. R_т – может сильно изменяться от внешних условий (T, ). R_т ФП PbS при уменьшении температуры от 293К до 77К изменяется ~ 100 раз. Изменение R_т сильно сказывается на величине сигнала, снимаемого с ФП. Сопротивление: зависит от формы, размеров, Т, материала ФП, изменяясь от 10 до 10⁹Ом.

Шумы ФП – это хаотические сигналы с переменной амплитудой и частотой, случайно возникающие в цепи приемника.

Уровень шумов ограничивает предельные возможности ФП в части регистрации слабых сигналов. Величина шума оценивается обычно среднеквадратичным значением его амплитуды. Различают 3 основных вида шумов: тепловые, токовые и радиационные.

Тепловые шумы вызываются хаотическим тепловым движением свободных электронов.

Токовые шумы вызываются изменением сопротивления цепи приемника при протекании темнового тока, возникающего вследствие теплового движения электронов и их рекомбинации с дырками. На эти шумы накладываются шумы контактов электродов. Эти шумы называются 1/f, где f – частота усилителя, т.к. эти шумы пропорциональны 1/f. Большинство ФП имеют токовые шумы, которые тем больше, чем тоньше чувствительный слой (особенно для тонкопленочных ФР).

Радиационные (фоновые) шумы появляются при изменении температуры ФП из-за теплообмена с окружающей средой (фоном). Теплообмен приводит к появлению некоторого изменяющегося во времени излучения. Радиационный шум фактически определяет предел пороговой чувствительности ФП. Часто за идеальный принимают ФП у которого все шумы кроме радиационного незначительны:

• у термоэлементов преобладают тепловые шумы;

• у полупроводниковых болометров – тепловые и 1/f;

• у фоторезисторов 1/f и радиационное.

Для практического использования необходимо знать распределение шумов по частотам.

Типичное распределение для фоторезисторов:

I область – преобладают шумы 1/f, граница ~ 1000Гц.

II область – генерационно рекомбинационные шумы (они характерны для полупроводниковых приборов)

III область – тепловые шумы (>10000Гц).

Зная распределения шумов можно выбрать оптимальную частоту модуляции излучения, рабочую частоту усилителя, чтобы U_ш было минимальным.

Чувствительность. Различают вольтовую или токовую чувствительность, вольт-ваттную и спектральную чувствительность.

Вольтовая чувствительность – это значение амплитуды эффективного напряжения снимаемого с нагрузочного сопротивления при заданных значениях U_п, облученности ФП и т.д. Измеряется в В. В случае токовой чувствительности это значение фототока в А. Более объективной с точки зрения чувствительности является вольт-ваттная чувствительность. Это уже отношение амплитуды напряжения сигнала к амплитуде синусоидально-модулированного потока излучения (т.е. к величине облученности ФП) (S_u=U_c/Ф, [S_u]=B/Вт (В/лм). При работе в токовом режиме чувствительность по току определяется аналогичным соотношением S_i=i/Ф [S_i]=А/Вт или А/лм.

Спектральная чувствительность. S_λ вводится в связи с тем, что S зависит от λ принимаемого излучения. Это отношение величины чувствительности при данной λ к максимальной чувствительности.

S_λ=S_λi/S_λmax. [S] – измеряется в относительных единицах.

Порог чувствительности – важнейший параметр ФП. Это минимальное значение потока излучения вызывающее на выходе ФП сигнал равный U_ш

P_п = Ф/U_c/U_ш [P]=Вт, т.к. при U_c=U_ш , P_п = Ф , P_п = Ф U_ш/ U_c

Если известна облученность приемника и площадь чувствительного элемента q, то P=U_ш E q_п/U_c.

Порог чувствительности зависит также от ширины полосы частот, ∆f. Если отнести полосу пропускания измерительного устройства к 1 Гц, то P = U_шEq_п/U_c√∆f, т.к. U_ш пропорциональна √∆f

И далее для сравнения порогов чувствительности различных фотоприемников Р относят к единичной площади чувствительного элемента, учитывая опять же U_ш ~ √q_п. Отсюда Р будет определяться из формулы:

или [P] = Вт/Гц^1/2см.

Обнаруживающая способность. Величина Р обычно очень мала (10^-10 – 10^-14), поэтому удобнее пользоваться обратной величиной:

см Гц^1/2Вт^-1 .

С учетом коэффициента использования излучения к_и, выражающего отношение спектрального распределения излучения воспринимаемого ФП и излучаемого источником обнаружительная способность будет рассчитываться из выражения:

Д_λ * = Д*/к_и ,

т. е. как обнаружительная способность в λ_max.

Чем больше Д*, тем чувствительнее ФП. При записи Д* часто указывают условия измерения:

Д*(573К, 800, 1Гц) или Д*(6,3мкм, 800, 1)

ИК - датчик дополнительно преобразует в ток шумы флуктуации теплового излучения окружающих предметов. Этот добавочный шум определяет максимально достижимую Д*. В связи с этим существует и может быть изображена кривая предельной обнаружительной способности Д* от длины волны воспринимаемой фотоприемниками при данной температуре.

Д* можно повысить за счет:

1. охлаждения корпуса ФП;

2. уменьшения угла зрения на окружающие предметы, т.е. при характеристике Д* нужно указывать Т_раб. и угол зрения.

Так уменьшение угла зрения со 120 до 20⁰ увеличивает обнаружительную способность в 3 раза.

Постоянная времени. Это промежуток времени от начала облучения ФП до момента, когда выходная величина сигнала достигает 63% от установившегося значения при длительном времени облучения. Она определяет максимально возможную f модуляции оптического потока. При большом значении постоянной времени при увеличении f до определенной частоты снижается S_u и Д*. Диапазон изменения постоянной времени: от 10^-8 с до нескольких секунд. Для ФП с внутренним фотоэффектом постоянная времени обычно ≤ 400 мкс.

Характеристики ФП – это свойство выражающееся в функциональной зависимости от какого-либо параметра (выраженное обычно графически). Различают следующие характеристики:

а) спектральная S_u (Д*) = f(λ);

б) частотная S_u = f(f);

в) световая S_u = f(Ф);

г) вольтовая S_u = f(U_пит.);

Рекомендуемое значение для фоторезисторов U_пит. ≤ 50 В/мм

д) температурная S_u (Д*) = f(Т_сл);

Для PbS S_u увеличивается в 100 раз при снижении температуры чувствительного элемента до 173К.

Для InSb S_u увеличивается также в 100 раз при снижении температуры чувствительного элемента до 78К.

Для KРТ S_u увеличивается в 10⁴ раз при снижении температуры до 30К.