Источники. и приёмники излучения 2013

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА
М.А. АНТОНОВ,
ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Конспект лекций по дисциплине «Источники и приемники излучения»
Казань 2013
УДК 628.9 (076.5)
Антонов М.А.
Источники и приемники оптического излучения. Конспект лекций
по дисциплине «Источники и приемники излучения». Казань, КНИТУ
им. А.Н. Туполева, каф Оптико-электронные системы 2013.
Содержится конспект лекций по дисциплине «Источники и
приемники излучения»
Предназначены для студентов 3-5 курсов дневной, вечерней и
заочной форм обучения по направлению 200400 - «Оптотехника» и по
специальности 200203 -«Оптико-электронные приборы и системы».
Табл. . Ил. . Библиогр.:
2
Лекция 1
Параметры и характеристики оптического излучения.
Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны или
частоты принято называть его спектром. Условно по спектральному составу
излучение можно представить в виде следующей шкалы:
-9
10
Космические
лучи
-7
10
Гаммалучи
-5
10
-3
10
Рентгеновское
излучение
-1
10
2
3
1- 10
10
5
7
10
10
9
10
видимое
-11
10
0,34-0,78
λ , мкм
УФизлучен
ие
ИК
Радиоизлучение
Основные энергетические и фотометрические величины и
соотношение между ними.
Основным параметром системы энергетических величин является поток
излучения Фе – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время,
значительно большее периода электромагнитных колебаний.
Спектральный
состав
излучения
характеризуется
спектральным
распределением потока излучения – функцией, описывающей зависимость
монохроматического излучения Фе (λ ) от длины волны.
В интервале длин волн dλ мощность, переносимая потоком будет
Фе (λ )dλ
Тогда общая (вся) мощность, переносимая потоком излучения
∞
Фе = ∫ Фе (λ )dλ
0
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в оптико-электронном
приборостроении величины, характеризующие оптическое излучение, так
называемые фотометрические.
Энергетические величины
1
Поток излучения (лучистый поток,
мощность излучения)
Фе =
∞
∫Ф
е
(λ )d λ
0
Вт
t
QЭ =
2
Энергия излучения (лучистая энергия)
∫Ф
0
e
( t ) dt
Дж
3
3
4
Энергетическая светимость
(поверхностная плотность потока
излучения, излучательность)
5
Энергетическая освещенность
(облученность, плотность мощности)
М
Е
dФ
=
е
dΩ1
Вт·
ср − 1
dA 1
Вт·
м −2
dА2
Вт·
м −2
dФ e
=
е
e
J
L еΘ 1 =
6
dФe
JЭ =
Сила излучения (энергетическая сила
света)
eΘ 1
dA 1 ⋅ cos Θ 1
Энергетическая яркость (лучистость)
Вт· м
−2
⋅ cр
−1
t
7
Энергетическая экспозиция
(количество облучения)
H
e
∫
=
E e ( t ) dt
Дж·
0
м −2
Световые величины
0 , 78
∫ V (λ )Ф
ФV = К т ⋅
8
Световой поток
e
(λ ) dλ
0 , 38
лм
t
∫Ф
Qv =
9
10
12
Светимость
v
Яркость
dФ
лм ⋅ e
dΩ1
кд (кандела )
dA 1
лм ⋅ м −2
d А2
лк
dФ v
=
Еv =
L vΘ 1 =
13
dФv
Jv =
Сила света
Освещенность
( t ) dt
0
световая энергия
М
11
v
v
J
vΘ 1
dA 1 ⋅ cos Θ 1
K д ⋅ м −2
t
H
14
Экспозиция (количество освещения)
v
=
∫
0
E v ( t ) dt
лк⋅ c
Для использования при проектировании и расчете ОЭП интерес представляет
распределение потока излучения в пространстве. Рассмотрим такие величины.
Энергетической силой света (силой излучения) называется отношение
потока излучения dФe , распространяющегося от источника в определенном
направлении внутри малого телесного угла dΩ1 , к этому телесному углу. (Имеется
в виду точечный источник света).
Энергетической светимостью М е называется отношение потока излучения,
испускаемого малым элементом поверхности к площади этого элемента dA1 .
Энергетической освещенностью (облученностью)
Ее
называется
отношение потока излучения dФe , падающего на малый элемент поверхности dА2 ,
к площади этого элемента.
4
Энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении
называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы
света к видимой площади излучающей поверхности
L еΘ 1 =
J
eΘ 1
dA 1 Θ 1
, но т.к. dA1Θ1 = dA1 ⋅ cosΘ1 , то L е Θ 1 =
J
eΘ 1
dA 1 ⋅ cos Θ 1
При оценке мощности излучения по производимому им световому ощущению,
т.е. по реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения, пользуются
световым потоком и соответствующими световыми величинами.
Рассмотрим переход от энергетических величин к световым.
Глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Это
характеризуется кривой относительной спектральной чувствительности глаза.
5
Если измерить в бесконечно малом диапазоне ∆λ световой поток и поток
излучения, то отношение светового потока к потоку излучения будет
характеризовать спектральную световую эффективность.
Kλ =
Фvλ
Феλ
Отношение K λ какой-либо длины волны λ к максимальному значению К м
называют относительной спектральной световой эффективностью для дневного
зрения. Часто график Vλ называют кривой спектральной чувствительности глаза
или кривой видности.
Vλ = V (λ ) =
Kλ
Км
−1
К м =683лм· ВТ
Если поток излучения определяется как
Фе =
∞
∫Ф
eλ
d λ , то световой поток
0
∞
0 , 78
0 , 78
0
0 , 38
0 , 38
Фv = ∫ К λ ⋅ Феλ ⋅ dλ =
∫ К λ ⋅Феλ ⋅ dλ = 683 ∫ Vλ ⋅ Феλ ⋅ dλ
Теперь рассмотрим световые величины, эквивалентные
величинам.
энергетическим
6
Лекция 2
Основные законы теплового излучения и их использование.
Кратко о тепловых излучателях.
Рассмотрим закон Кирхгофа, который состоит в том, что чем лучше тело
поглощает энергию, тем лучше оно ее излучает.
Формулировка: в точке поверхности теплового излучателя при любой
температуре и любой длине волны спектральный коэффициент направленного
излучения для заданного направления равен спектральному коэффициенту
поглощения для противоположно-направленного излучения.
М е λ1 М е λ 2
М λ
=
= ... = е n = М е λЧ .Т .
аλ1
аλ2
аλn
Здесь МeλЧ.Т. - спектральная плотность энергетической светимости
абсолютно черного тела;
αλ - спектральный коэффициент поглощения.
В соответствии с законом сохранения энергии для любого тела сумма
коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна 1.
αλ + ρλ + τλ = 1
Здесь αλ - спектральный коэффициент поглощения;
ρλ - коэффициент отражения;
τλ - коэффициент пропускания.
Если тело непрозрачное, то τλ =0 и тогда получим
αλ
= 1 - ρλ, при ρλ → 1, αλ → 0, т.е. тело с хорошей отражательной
способностью плохо поглощает энергию, а следовательно по закону Кирхгофа и
плохо излучает.
Поэтому в технике есть понятие самого лучшего излучателя, т.е. у которого
αλ=1.
Абсолютно черное тело (АЧТ)
Поскольку даже у самого лучшего поглотителя (например, черного бархата)
коэффициент поглощения (отражения) все же не равен 0, то было изобретено
оригинальное устройство АЧТ.
7
Закон Стефана – Больцмана.
Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени
абсолютной температуры
МeЧ.Т. = ϭТ4
ϭ=5,67·10 −8 ВТ ⋅ м −2 ⋅ к −4 - постоянная Стефана – Больцмана.
Из закона видно, что АЧТ – очень удобный источник для измерений и
эталонирования – задали температуру и сразу знаем энергию излучения.
Поскольку естественные источники отличаются от АЧТ, то вводят понятие серого
тела – источник, подчиняющийся законам излучения АЧТ, но с меньшей
светимостью.
Для серого тела закон Стефана – Больцмана будет иметь вид:
МeС.Т. = εТ ϭТ4
здесь εТ - коэффициент излучения этого материала.
Например: Алюминий полированный с t =50-500ºC
Алюминий окисленный с t =200-600ºC
Вольфрам
t = 1500-2230ºC
Железо литое
t = 925-1115ºC
Древесный уголь
εТ =0,04-0,06
εТ =0,11-0,19
εТ = 0,31
εТ = 0,87- 0,95
εТ = 0,96
Закон Планка.
Описывает распределение энергии АЧТ по спектру длин волн.
С1
M eλ = M e ( λ , Т ) =
;
С2
5
λТ
λ ⋅ (е − 1)
8
где С1 =3,74· 10 −16 ВТ ⋅ м 2 ;
С2 =1,47· 10 −2 м ⋅ К ;
С2
В случае если λТ <3000 мК ⋅ К , т.е. ( е >>1)
λТ
С1
М еλ =
λе
5
С2
λТ
= С1 ⋅ λ ⋅ е
−5
−
С2
λТ
.
Из закона Планка получается закон Стефана-Больцмана,
проинтегрировать его по всем длинам волн (по всему спектру):
М
е
=
∞
∫С
1
λ
−5
С2
(е
λТ
− 1) d λ = σ Т
4
если
.
0
На приведенном графике кривая М еλ идет вверх до λmax а затем
более плавно спадает.
Если проинтегрировать М еλ от λ = 0 до λ max ,
М е0 − λ max =
λ max
∫ С 1λ ( е
−5
С2
λТ
− 1) −1 d λ =
0
1
σТ 4 .
4
Таким образом, в пределах от 0 до λ max в спектре АЧТ содержится одна
четверть всей излучаемой энергии.
Закон Голицына-Вина (закон смещения).
λ max =
2898 3000
, здесь λ max [мкм], T[K].
≈
Т
Т
Позволяет рассчитать максимум спектральной плотности светимости АЧТ,
т.е. максимум кривой Планка.
9
Эквивалентные температуры.
Если рассмотреть нагретые тела как источники излучения, то они отличаются
от идеального черного тела, т.к. их коэффициенты излучения не равны единице на
всех длинах волн. Реальный излучатель поэтому дает меньше энергии, чем черное
тело при той же температуре.
Для расчетов энергии излучения реальных источников – серых и селективных
– удобно воспользоваться эквивалентными им полными излучателями, поскольку
все параметры излучения черных тел можно определить по известной
температуре. В качестве признаков эквивалентности могут служить яркость, цвет
и энергетическая светимость, в соответствии с которыми введены понятия о
яркостных, цветовых и радиационных температурах.
Яркостная температура – это температура черного тела, при которой на
какой-либо длине волны оно имеет ту же спектральную плотность энергетической
яркости, что и рассматриваемое тело. Из определений черного тела и
приведенного определения ясно, что яркостная температура всегда меньше
реальной температуры нагретого тела (источника).
------- АЧТ с Т= 6000ºК, _________ Солнце за пределами атмосферы.
Цветовой температурой называется температура черного тела, при которой
отношение спектральных плотностей яркости излучения черного тела для двух
длин волн λ1 и λ2 такое же, как и для реального источника.
10
Чтобы сравнивать интегральные величины излучения черного тела и
реального излучателя, введено понятие радиационной температуры.
Радиационной температурой называется температура черного тела,
имеющего такую же суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость,
что и реальный излучатель.
11
Лекция 3
Классификация, параметры и характеристики источников излучения.
4.1. Классификация источников по виду.
(см. ниже.)
По временным параметрам – непрерывные, импульсные.
По пространственным характеристикам – направленные, ненаправленные.
4.2.Параметры источников излучения.
К основным параметрам источников излучения относятся:
- энергия излучения (дж), (для импульсных источников, лазеров.)
- поток излучения Фе (Вт) – это полный поток излучения источника во всём
спектральном диапазоне.
- энергетическая яркость Lе (Вт·м-2·ср-1)
- сила излучения Jе (Вт·ср-1) (для точечных источников.)
Используются те параметры источников излучения, которые наиболее удобны.
4.2.2. Спектральные параметры:
- диапазон длин волн излучения (длина волны излучения – для
монохроматических, селективных источников)
- ∆λ, мкм; λраб, мкм.
4.2.3. Временные параметры: максимальная частота модуляции, длительность
импульса излучения.
fmax ,(Гц); ∆tи (с)
4.2.4. Пространственные параметры
- угол излучения ω, (ср), или его плоский аналог.
4.2.5. Электрические параметры: рабочее напряжение U (В), ток J(А),
потребляемая мощность Р (Вт).
12
13
4.3.1. Основные характеристики источников излучения.
К основным характеристикам источников излучения относятся:
4.3.1. Энергетические характеристики
- зависимость излучения от электрических параметров, напряжения, тока.
4.3.2. Спектральные характеристики
- спектральное распределение потока, силы, яркости излучения.
4.3.3. Пространственные характеристики.
- индикатриса излучения (зависимость излучения от угла в полярных
координатах)
Светодиод
14
Лампа накаливания
4.3.4. Электрические характеристики
- вольтамперная характеристика
4.3.5. Временные характеристики (частотные
15
Тепловые источники излучения.
К тепловым источникам излучения относятся источники, излучающие за счет
преобразования тепловой энергии в энергию излучения. Такие источники дают
непрерывный или сплошной спектр.
5.1. К ним относятся Черное тело, Штифт Нернста, Глобар, электрические
лампы накаливания.
В
1860
г.
Кирхгоф
сформулировал
условия,
которыми
следует
руководствоваться при конструировании черного тела. Он установил, что
излучение внутри замкнутой изотермической полости равноценно излучению
АЧТ, поэтому если в стенке полости
вырезать небольшое отверстие, то
выходящее через него излучение будет очень близко к излучению АЧТ. Он
показал, что на характер излучения практически не влияет геометрическая форма
полости материал ее стенок. Важна только постоянная температура и чтобы
отверстие было много меньше внутренней полости
по площади. Поэтому у
полостей АЧТ бывают различные формы.
16
Для сферической формы АЧТ было получено выражение для эффективного
коэффициента излучения ε':
ε
'
где
=


ε 1 −
ε−
ε
δ 
δ ,
 +
S 
S
коэффициент излучения стенок полости;
δ - площадь отверстия полости;
S – площадь полости, включая отверстие.
Так по этой формуле, если
2r
= 0,1 , то при
D
ε = 0,5
ε ' = 0,998 ,
а при
ε = 0,6 ε ' = 0,999
Сферическая полость недостаточно удобна для создания излучателя простой
конструкции и часто заменяется цилиндрической или конической полостью.
Большинство моделей АЧТ имеет вид полости с круглым отверстием, диаметр
которого может изменяться по диафрагме в пределах 0,3-10 мм.
Как правило, материал полости (сердечник) изготавливается из нержавеющей
стали.
Рассмотри пример конструкции модели АЧТ
1-радиаторы, 2-диафрагмы, 3-защитное окно, 4-асбестовый слой,
17
5-латунный экран, 6-сердечник, 7-слой из слюды, 8-крышка,
9-термисторы
10-корпус.
При t=800ºK электронагреватель имеет мощность 120 Вт
ε ' = 0,995
5.2. Электрические лампы накаливания.
Используются в качестве источников видимого и ближнего инфракрасного
излучения от 0,35 мкм до ~3мкм.
График
спектральной
плотности
излучения
лампы
накаливания
с
вольфрамовой нитью:
Максимум излучения в области 1 мкм. Температура тела накала достигает
3000ºК. При этом средний коэффициент излучения при этой
температуре в
области 2-3 мкм составляет 0,32-0,35.
Для лабораторных целей изготовляют специальные лампы, у которых нити
накала изготавливают в виде конуса.
Специальные лампы имеют в колбе окно, прозрачное в ИК области из кварца
или слюды.
Для увеличения срока службы ламп накаливания в их колбу вводят
дозированное количество йода. Колбы этих ламп выполнены из кварцевого стекла
и наполняются инертным газом (аргоном, ксеноном или криптоном).
Такие лампы имеют в два с лишним раза больший срок службы и на 15-20%
большую светоотдачу. К концу срока службы снижение светового потока
18
составляет не более 5% против 15-20% у обычных ламп.
19
Лекция 4
Люминесцентные и газоразрядные
источники излучения
Газоразрядные источники излучения – это приборы, в которых излучение
оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в
атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей. Очень часто эти
источники называют газоразрядными лампами, имея в виду источники видимого
излучения.
Современные газоразрядные лампы имеют целый ряд преимуществ перед
лампами накаливания:
- более высокий световой КПД (лампы накаливания имеют от 7 до 20 лм/Вт,
газоразрядные – от 45 до 100 лм/Вт);
- больший срок службы (накаливания – 250 часов, газоразрядные – 1400 часов);
- некоторые газоразрядные лампы имеют яркость существенно большую, чем
лампы накаливания;
- газоразрядные источники можно модулировать с ƒ до 10000 Гц;
- газоразрядные источники могут быть импульсными с длительностью импульса
от наносекунд до секунд.
Благодаря
этому
газоразрядные
лампы
постепенно
вытесняют
лампы
накаливания в установках промышленного, общественного, наружного и
рекламного освещения, а также сигнализации.
Недостатки газоразрядных ламп:
- линейчатый (а не сплошной) спектр излучения может искажать цветопередачу;
- при питании газоразрядных ламп переменным током 50 – 60 Гц возникает
пульсация потока излучения, что ухудшает условия наблюдения за подвижными
объектами;
- имеют более сложную схему питания, что связано с падающей вольт - амперной
характеристикой и с высоким напряжением зажигания;
- некоторые лампы имеют длительный период разгорания.
20
Газоразрядные лампы обычно выполняют в виде стеклянных или кварцевых
колб, в которые впаяны два или три электрода – анод, катод и электрод поджига.
Колбу наполняют газом при различных давлениях.
Если между электродами лампы приложить напряжение («+» к аноду, «-» к
катоду), то свободные ионы газа начнут перемещаться к катоду, а свободные
электроны – к аноду.
Ионы газа при этом ударяются о катод и выбивают из него электроны, которые
при движении к аноду ионизируют газ, поддерживая тем самым непрерывным
процесс разряда. При небольших напряжениях источника питания ионы газа не
разогревают катод, он остаётся холодным. Такой разряд называется тлеющим.
При увеличении напряжения источника питания, ионы сильнее бомбардируют
катод, и он разогревается, при этом дополнительно возникает термоэмиссия
электронов, число которых значительно увеличивается. Такой разряд называется
дуговым. Ток лампы при этом значительно увеличивается.
Для тлеющего разряда характерна малая яркость, низкие давления газа и малые
плотности тока. Спектр излучения, в основном, линейчатый, тлеющий разряд
используют в лампах для научных исследований.
Для дугового разряда характерны большие давления газа и большие плотности
тока, при этом линии излучения расширяются, и имеется большой выход
нерезонансного (теплового, сплошного по спектру) излучения.
Рассмотрим различные виды газоразрядных ламп.
Существуют три вида ртутных ламп: низкого давления (1,3 – 130 Па), высокого
давления (300 – 3000 Па) и сверхвысокого давления (1 – 10 МПа).
Ртутные
лампы
низкого
давления
делятся
на
бактерицидные
и
высоковольтные.
Бактерицидные лампы изготавливают обычно в виде трубки Ø15 – 50 мм и
длиной 150 – 800 мм. В нее помещают несколько миллиграммов ртути и
наполняют её аргоном при давлении несколько сотен Па. Колбы ламп
изготавливаются из специального, прозрачного для УФ – излучения, так
21
называемого увиолевого стекла. На концах трубки впаиваются оксидные
вольфрамовые электроды. Такие лампы обычно используются для стерилизации
помещений. В сеть их включают по тем же схемам, что и люминесцентные.
Схема включения люминесцентной лампы
При включении лампы в сеть (выключателем 5) электроды через пускатель
(стартёр) 2 подогреваются проходящим через них током, возникает термоэмиссия,
приводящая к ионизации аргона и разогреву лампы. Ртуть испаряется,
ионизируется, и в лампе возникает разряд.
Дальнейший нагрев электродов поддерживается током разряда, и внешняя цепь
нагрева электродов через стартёр выключается.
Дроссель 3 служит для ограничения тока, конденсатор 4 – для уменьшения
износа контактов стартера.
Излучение разряда в парах ртути сосредоточено главным образом в двух
линиях с λ1 = 0,2537 мкм и λ2 = 0,1849 мкм.
Высоковольтные ртутные лампы низкого давления представляют собой
кварцевые колбы в виде трубок длиной от нескольких десятков см до одного
метра. Срок их службы велик, т.к. они не имеют подогреваемых электродов,
вместо
которых
применяют
массивные
вольфрамовые
электроды,
оксидированные щелочноземельными металлами.
Поскольку электроды не подогреваются, лампы имеют высокое напряжение
зажигания, например, при мощности лампы 20 Вт, длине 0,5 м, напряжение
22
составляет 280 В, ток 50 мА. 87% энергии таких ламп содержится в интервале ∆λ
= 0,185 ÷ 0,254 мкм.
Ртутные лампы высокого давления выполняются в виде трубок из
кварцевого стекла, в концы которых впаяны электроды из вольфрама. Типичными
ртутно-кварцевыми лампами высокого давления являются прямые ртутнокварцевые лампы (ПРК). Колба такой лампы наполнена аргоном и небольшим
количеством ртути. Лампы используют в качестве источника УФ - излучения.
Срок службы таких ламп ~ 800 часов.
Схема включения лампы ПРК
Конденсатор С1 = 300 ÷ 500 пФ служит для облегчения зажигания ламп и
образует с дросселем высокочастотный контур. Если лампа не зажигается, то
кратковременно включают ключ К. Конденсатор С2 = 2 ÷ 3 мкФ подает на клеммы
ламп кратковременный импульс высокого напряжения. Разгорание длится 10 – 15
мин. Металлическая пластина 1 облегчает предварительное зажигание.
Ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления (СВД) представляют
собой кварцевые трубки, обычно заключённые в стеклянную колбу, наполненную
инертным газом. Давление паров ртути в кварцевой горелке достигает 0,5 – 1,5
МПа, поэтому её изготавливают толстостенной. В ней имеются два электрода
рабочих и два электрода поджига.
23
Конструкция ртутно-кварцевой лампы сверхвысокого давления:
1 – наружная колба; 2 – инертный газ; 3 – вводы; 4 – основной вольфрамовый электрод;
5 – электрод поджига; 6 – кварцевая горелка; 7 – ограничительное сопротивление; 8 - цоколь
Внутреннюю поверхность стеклянной колбы покрывают люминофором,
который преобразует УФ – излучение в видимое. Напряжение питания лампы 220
В, срок службы 3 – 4 тыс. часов. Лампы выпускаются мощностью от десятков
Ватт до 1 кВт и обладают высокой световой отдачей 40 – 55 лм/Вт. Лампы
включают через специальные трансформаторы или дроссели.
Рассмотрим еще один вид газовой лампы сверхвысокого давления –
ксеноновую лампу. В ней используется дуговой разряд в инертном газе ксеноне
при больших плотностях тока и давлении до единиц МПа. Спектр излучения
ксеноновых ламп – непрерывный с ярко выраженными полосами на участке
от 0,82 до 1 мкм.
Спектр излучения Солнца и газовой лампы сверхвысокого давления
Для сравнения штриховой линией показан спектр излучения Солнца.
24
Ксеноновые лампы имеют яркость от 900 до 2000 Мкд/м2. Их широко
применяют в кинопроекционной аппаратуре.
Схема включения ксеноновой лампы
Рассмотрим класс люминесцентных ламп, широко применяющихся для
освещения. Они являются ртутными лампами низкого давления. Обычно
изготавливаются в виде трубок Ø 15 – 50 мм и длиной 15 – 80 см.
Внутреннюю поверхность трубки покрывают тонким слоем люминофора,
который преобразует УФ – излучение в видимое, что дает возможность получить
световую отдачу до 80 лм/Вт. Яркость люминесцентных ламп в пределах 7000
кд/м2, а срок службы около 12000 часов.
В качестве люминофоров используются смеси в различных пропорциях:
вольфраматы кальция и магния; силикаты цинка, кадмия; фосфаты кальция и
цинка.
Спектр излучения люминофора представляет собой, как правило, непрерывную
полосу, хотя возбуждающее излучение может быть и монохроматическим.
Распределение энергии в спектре люминесценции не зависит от длины волны
возбуждающего излучения.
Для
примера
спектр
вольфрамата
приведем
излучения
1
кальция.
0,
8
0,
6
0,
4
0,
2
25
0,3
6
0,44
0,5
0,6
0,68
Импульсные лампы.
Импульсной лампой называется газоразрядный прибор с двумя основными
токоведущими электродами (катодом и анодом) и газовым промежутком между
ними, рассчитанным на возникновение там мощных импульсных (искровых)
электрических разрядов с интенсивным излучением. В импульсную лампу входит
также третий – управляющий электрод.
Обычно импульсные лампы подключаются к конденсатору.
Пример обозначения импульсных ламп:
1-я буква – вид лампы: И – импульсная;
2-я буква: С – стробоскопическая, Ф – фотоосветительная;
3-я буква – форма светящегося тела: К – компактная, Ц – цилиндрическая,
Б – кольцевая; или форма куба: Т – трубчатая, Ш – шаровая.
Например, ИФК – импульсная, фотоосветительная, с компактной формой
светящегося тела (2000 Дж в импульсе).
Помимо всех остальных световых характеристик, у импульсных ламп ещё
применяются кривые изменения силы света от времени, например
26
Лекция 5
Полупроводниковые излучающие диоды
Принцип действия излучающих диодов (светодиодов) основан на явлении
электролюминесценции при протекании тока в структурах с р-n – переходом. Они
выполняют функции, противоположные фотоприёмникам, т.е. преобразуют
электрическую энергию в световую (в энергию оптического излучения).
Наиболее распространёнными материалами для изготовления излучающих
диодов в настоящее время являются:
GaAs – арсенид галлия, легированный различными присадками Zn, Fe, Si;
GaP – фосфид галлия, легированный Zn, Fe, O2;
SiC – карбид кремния, легированный В и N.
Рассмотрим основные параметры излучающих диодов (светодиодов):
Физл. – мощность излучения, т.е. поток излучения (световой поток для
светодиодов), измеряется при заданном прямом токе через диод;
Физл.и. – импульсная мощность излучения, т.е. амплитуда потока излучения,
измеряется при заданном импульсном прямом токе;
Iпр.м. – максимально допустимый прямой постоянный ток, при котором
обеспечивается заданная надёжность при длительной работе;
Iпр.и. – максимально допустимый прямой импульсный ток, максимальный ток при
определённых длительности импульса tи и частоте повторения;
∆λ0,5 – ширина спектра излучения, т.е. интервал длин волн, в котором
спектральная плотность мощности излучения диода составляет половину
максимальной;
λmax – длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной
характеристики;
Uпр. – напряжение на диоде при протекании через него постоянного тока;
Uобр. – максимально допустимое обратное напряжение;
tн.изл. – время нарастания импульса излучения, т.е. интервала времени, в течение
которого мощность излучения диода нарастает от 0,1 до 0,9 максимального
27
значения;
tсп.изл. – время спада импульса излучения, т.е. интервал времени, в течение
которого мощность излучения диода изменяется от 0,9 до 0,1 максимального
значения.
Рассмотрим теперь основные характеристики излучающих диодов.
Спектральная характеристика Фλ = ƒ(λ) – зависимость монохроматического
потока излучения Фλ от длины волны λ.
Излучение
светодиодов
можно
считать
почти
монохроматическим
с
оговорённой для каждого типа λmax, имеющей незначительный разброс внутри
образцов данного типа.
Спектры излучения световодов:
1 – кривая оптической видимости глаза; 2 – GaP; 3 – SiС модиф. 6Н, легированный В и N; 4 –
GaP, легированный Zn, Fe и O2; 5 – GaAs, легированный Zn и Fe; 6 – GaAs, легированный Si и
Fe.
Следует отметить, что необходимо учитывать смещение λmax при изменении
температуры.
С
увеличением
температуры
максимум
спектральной
характеристики λmax уходит в сторону длинных волн, а интенсивность излучения
уменьшается. Это один из основных недостатков ИД.
Яркостная характеристика L = ƒ(i) – зависимость яркости излучения от
28
прямого тока i. Особенность характеристики: она имеет небольшой нелинейный
участок и почти линейный участок протяжённостью в один или два порядка
изменения яркости.
Яркостные характеристики светодиода
Временная
динамическая
характеристика
ИД
определяется
минимальным временем нарастания и спада импульса излучения, завалом
плоской вершины при питании
прямоугольным импульсом тока, а также
минимальной скважностью импульсов.
Длительность переднего и заднего фронтов светового импульса в основном
зависит от постоянной времени RС (внутренней), индуктивности диода и цепи
питания, а также температуры.
Фронты импульсов света у некоторых типов ИД при комнатной температуре
могут быть равны нескольким наносекундам, частота повторения импульсов
достигает десятков мегагерц.
Светодиоды на основе GaAs со спектральной характеристикой 6 имеют фронты
нарастания и спада 200 – 500 нсек, а светодиоды на основе SiC в жёлтой области
спектра (КЛ 101) имеют фронты нарастания 100 – 250 мксек.
Характеристики светодиодов как элементов электрической цепи.
Параметры светодиода как элемента электрической цепи определяются его
вольт – амперной характеристикой. У всех светодиодов она типично диодная с
сильной нелинейностью в проводящем направлении. Поэтому последовательно с
29
диодом необходимо включать ограничивающий резистор, обеспечивающий
устойчивый режим светодиода.
Вольт-амперная характеристика светодиода:
1 – GaAs; 2 – GaP; 3 – SiC.
Схемы включения ИД.
Лазеры.
Лазеры
–
это
приборы,
в
которых
для
генерации
когерентных
электромагнитных колебаний оптического диапазона спектра используется
явление индуцированного излучения.
30
Поскольку подробно будет читаться соответствующий курс, то здесь
рассмотрим более конспективно (основные понятия и характеристики).
Когерентное излучение – излучение с одинаковой частотой и постоянной
разностью фаз, сохраняющейся во времени, достаточном для наблюдения.
Некогерентное излучение – излучение, у которого разность фаз беспорядочно
меняется.
Лазеры классифицируют по:
-
виду
активного
вещества:
твёрдотельные,
газовые,
жидкостные,
полупроводниковые;
- виду подводимой энергии накачки: излучением, электрическим током, за счет
химической реакции;
- спектральному диапазону: УФ-диапазон, видимый диапазон, ИК-диапазон;
- режиму работы: непрерывный, импульсный.
Кратко рассмотрим виды лазеров.
Лазеры твердотельные.
1. Кристаллические
Могут генерировать импульсы большой мощности до 1010 Вт, а также работать
в непрерывном режиме с большой мощностью. Спектры излучения:
Al2O3 : Cr3 – 0,6943 мкм;
CaWO4 : Nd3 – 1,058 мкм;
CaF2 : Sm2 – 0,708 мкм.
Возбуждение в кристаллических лазерах производится методом накачки
оптическим излучением: накачка 2 кВт, выходная мощность 10 Вт – малый КПД.
2. Со стеклянной активной средой
Созданы лазеры на стёклах, активированных ионами неодима, иттербия, эрбия
и гольмия. Стеклу можно придать любую форму, например, оптическое волокно.
Излучаемая линия шире, чем в кристаллических лазерах. Для неодимовых
стёкол λ = 0,92 ÷ 1,37 мкм.
Энергия стеклянных лазеров доходит до 150 Дж за импульс τи = 0,5…3 мс. КПД
31
≈ 5 %. Угловая ширина пучка в пределах 5…18 мрад (0,3º…1º).
Газовые лазеры.
Активной средой является газ, смеси газов. Длины волн излучения
λ = 0,2 ÷ 400 мкм.
1. Гелий – неоновый лазер
Возбуждение осуществляется подачей на электроды газоразрядной трубки
напряжения с частотой ~ 30 МГц при мощности несколько десятков Вт.
Характеризуется высокой когерентностью, малой потребляемой и выходной
(<100мВт) мощностями, небольшими габаритами, малым КПД (0,01 – 0,1 %).
2. Лазер на СО2
КПД → 0,25 при мощности излучения > 1000 Вт. Длина газоразрядной трубки
1…6 м, Ø 22 – 75 мм.
Полупроводниковые лазеры.
Наиболее распространены полупроводниковые лазеры с накачкой инжекцией
(питание постоянным током, низковольтное).
Полупроводниковые лазеры излучают когерентное излучение в интервале λ =
0,63 ÷ 5,7 мкм. Им необходимо охлаждение: GaAs – Т = 77 К,
λ = 0,875 мкм.
В непрерывном режиме (77 К) Р = 1…3 Вт, в импульсном – 100…200 Вт.
Расходимость: 0,12 0,35 рад (6º ÷ 20º).
32
Лекция 6
Классификация, параметры и характеристики приемников
излучения.
Классификация приемников излучения
Приемники оптического излучения называется элемент или устройство,
предназначенное для приема и преобразования энергии оптического излучения в
какие-либо другие виды энергии (в дальнейшем будем просто называть –
приемник излучения ПИ).
ПИ, преобразующие невидимые рентгеновское, ультрафиолетовое или
инфракрасное изображение в видимое, называются преобразователями.
Мы будем рассматривать в этом курсе физические ПИ (не биологические),
которые являются важнейшими элементами оптико-электронных приборов и
осуществляют связь между их оптическими и электрическими частями.
ПИ можно разбить на 4 группы:
 Тепловые;
 Фотоэлектрические (на внутреннем и внешнем фотоэффекте);
 Фотохимические;
 Прочие.
Тепловые ПИ основаны на преобразовании оптического излучения сначала в
тепловую энергию, а потом в электрическую.
Тепловые ПИ, основанные на изменении сопротивления чувствительного
элемента под действием тепла, возникающего при падении потока излучения,
получили название болометров.
ПИ, использующие термоэлектрический эффект, называются термоэлементами.
Тепловые ПИ, в которых поглощенный поток излучения преобразуется в тепло, а
затем это тепло измеряется различными чувствительными элементами
называются калориметрами.
33
Чувствительные элементы калориметров делятся на термоэлектрические,
термометры сопротивления и емкостные с диэлектриком на основе
пироэлектрического вещества.
Тепловые ПИ, основанные на пироэлектрическом эффекте так и называют
пироэлектрическими. Пироэлектрический эффект заключается в том, что при
изменении температуры пироэлектрического кристалла изменяется его
поляризация.
Специальные виды тепловых ПИ.
К ним можно отнести оптико-акустические ПИ, дилатометрические ПИ, и ПИ на
основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце. Оптико-акустические
ПИ делятся на два вида:
 селективные, в которых излучение поглощает сам газ, а его расширение
фиксируется оптическим или емкостным микрофоном;
 неселективные, в которых излучение поглощает зачерненная мембрана,
нагревающая соприкасающийся с ней газ, воздействующий на оптический
микрофон.
Дилатометрические ПИ используют тепловое расширение твердых тел под
действием энергии поглощенного потока излучения.
Тепловые ПИ на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце
представляют собой пластинку кристаллического кварца с токопроводящими
электродами, приклеенную на теплопроводящий элемент. При изменении
размеров теплопроводящего элемента в кварце возникает ЭДС.
Фотоэлектрические ПИ – самый распространенный тип ПИ.
Делятся на две большие группы – ПИ на основе внутреннего фотоэффекта и ПИ
на основе внешнего фотоэффекта.
34
В фотоэлектрических ПИ падающие фотоны оптического излучения прямо
взаимодействуют с кристаллической решеткой, в результате чего освобождаются
носители тока.
Если носители тока остаются в полупроводнике, то наблюдается внутренний
фотоэффект, который, например, в фоторезисторах проявляется в увеличении их
электропроводимости.
Если внутренний фотоэффект возникает в системах, состоящих из двух
различных контактирующих веществ (металла и полупроводника, двух
полупроводников) при освещении приконтактной области, то возникает фотоЭ.Д.С. Такое явление называется вентильным фотоэффектом, а ПИ,
основанные на этом явлении, называются вентильными фотоэлементами или
фотоэлементами с запирающим слоем.
Если в качестве контактирующих слоев в вентильном фотоэлементе применить
полупроводники с п- и р- проводимостью, то такой ПИ называется фотодиодом.
Фотодиоды могут работать в фотогальваническом режиме, когда при облучении
появляется фото-Э.Д.С., и в фотодиодном режиме с приложенным обратным
напряжением, когда при облучении меняется величина обратного тока.
ПИ с р-п-р переходами обладают свойствами внутреннего усиления фототока
называются фототранзисторами.
Имеются ПИ развертывающего типа на основе полоски полупроводника
р-п-р-типа, которые позволяют получить на сопротивлении нагрузки временное
распределение тока, соответствующее распределению освещенности на полоске
полупроводника. Они называются сканисторами.
Имеется большой класс матричных приемников (приборы с зарядовой связью –
ПЗС). Они содержат периодическую структуру из емкостных элементов на основе
металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с последовательным переносом
зарядов.
Если при облучении ПИ носители тока (электроны) эмитируются в вакуум или
газ, образуя ток во внешней цепи, то это внешний фотоэффект.
35
ПИ на основе внешнего фотоэффекта – это фотоэлементы (ФЭ) и
фотоумножители (ФЭУ). В фотоэлементе вылетающие электроны направляются
непосредственно к аноду, а в ФЭУ вылетевшие электроны ударяются в
промежуточные электроды, при этом происходит вторичная эмиссия и число
электронов, приходящих к аноду возрастает (умножается) во много раз.
Электронно-оптические преобразователи, также относятся к ПИ на внешнем
фотоэффекте, они преобразуют невидимое глазом изображение (УФ, ИК) в
видимое глазом, либо производят усиление изображения (при наблюдении ночью,
в сумерках).
Фотохимические ПИ – это различные фотоматериалы.
Параметры и характеристики приемников излучения.
Параметр – это величина, характеризующая определенное свойство ПИ. Его
можно измерить или вычислить по данным измерений других величин.
Основные параметры ПИ.
Чувствительность ПИ называется отношение измеряемой электрической
величины, вызванной падающим на ПИ излучением к величине этого излучения.
Различают чувствительность к потоку излучения SФe, к световому потоку SФv, к
облученности SEe, освещенности SEv.
По спектральному составу излучения различают интегральную Sинт и
монохроматическую Sλ чувствительность.
Интегральной чувствительность ПИ называют его чувствительность к
немонохроматическому (сложному) потоку излучения заданного спектрального
состава.
Например, для ПИ с внешним фотоэффектом
Для фоторезисторов
36
Sинт – величина паспортная и относится к определенному источнику, для других
источников ее надо пересчитывать.
Обычно источники таковы:
- светоизмерительная лампа накаливания при цветовой температуре Тцв
=2856±10К (источник типа А) – в видимой области.
- черное тело с температурой 1273±15К – в ИК-области.
На практике применяют интегральную токовую чувствительность SинтI [A/Bт,
А/лм, А/лк] или интегральную вольтовую чувствительность SинтU [В/Вт, В/лм,
В/лк].
Монохроматической чувствительностью называют чувствительность ПИ к
монохроматическому излучению
Sλ =∆I/∆Фλ [А/Вт, А/Лм];
.
Sλ = ∆U/∆Фλ [В/Вт, В/Лм].
Импульсной чувствительностью ПИ называют отношение амплитудного значения
тока (напряжения) фотосигнала к амплитудному значению потока излучения при
заданной его форме.
Частоту, форму и глубину модуляции определяют при этом требования
стандартов и ТУ на ПИ конкретных типов.
37
Лекция 7
Пороговые и шумовые параметры приемников излучения.
Помимо полезного регулярного сигнала в выходной цепи ПИ наблюдается
хаотический сигнал со случайной амплитудой и частотой – шум ПИ. На фоне
шума становятся неразличимы малые полезные сигналы, т.е. шум ограничивает
возможности Пи.
Причины возникновения шума (тока шума, напряжения шума) могут быть
внешними и внутренними; воздействие тепла, тока ПИ, фотонный характер
излучения и т.д.
Шумы являются случайными процессами, их описывают понятиями теории
вероятности и математической статистики, в частности такими характеристиками,
как: математическое ожидание (среднее значение шума), среднеквадратическое
значение или дисперсия шума.
Током шума ПИ Iш называют среднеквадратическое значение флуктуации
тока, протекающего через ПИ в указанной полосе частот.
Напряжением шума Uш называют среднеквадратическое значение
флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ПИ в указанной полосе
частот.
Имеются следующие виды шумов:
Радиационный (или фотонный) шум возникает из-за флуктуации потока
квантов, падающих на фотоприемник, от фона и флуктуацией потока квантов,
излучаемых самим ПИ в пространство, т.к. он имеет определенную температуру
(закон Стефана – Больцмана
М е = δТ 4 )
Дисперсия флуктуаций потока излучения фона:
Тф- температура излучения фона; εТф - коэффициент теплового излучения
фона; А – площадь фотоприемника; ∆f - полоса частот; εТп - коэффициент
38
поглощения фотоприемной площадки; k =1,38 10 - 23 Дж/К - постоянная
Больцмана; σ =5,67 10 -8 Вт/м2К4- постоянная Стефана-Больцмана.
Дисперсия флуктуаций потока излучения от ПИ
Общая флуктуация, определяющая дисперсию рационального шума
Дисперсия напряжения радиационного шума
Где Sинт.ф – чувствительность ПИ к излучению фона;
Sинт ПИ - чувствительность ПИ к излучению самого ПИ.
Дробовой шум определяется тем, что электрический ток представляет собой
поток частиц, флуктуирующих во времени. Имеет равномерный спектр.
Дисперсию тока дробного шума определяют по формуле Шоттки
e = 1,6 10-19 А с - заряд электрона, I0- среднее значение тока в ПИ.
Протекая по нагрузочному сопротивлению, ток дробового шума создает
средний квадрат напряжения шума
(Для нахождения V надо извлечь корень из этого выражения)
Генерационно-рекомбинационный шум
Наблюдается у полупроводниковых ПИ и вызывается случайным характером
генерации носителей тока, а также случайным характером рекомбинации этих
носителей, т.е. флуктуацией числа и времени их жизни.
Например, для фоторезисторов
39
RТ и Rн - темновое сопротивление фоторезисторов, и нагрузки, [Ом];
τн- время жизни носителей, [с];
n- концентрация носителей, [1/см3];
V - объем фотослоя, [см3];
f - частота модуляции потока излучения, [Гц];
Vпит- напряжение питания, [В];
Vг-р.ш. – напряжение генерационно-рекомбинационного шума.
Шум мерцания (фликкер-эффект)
Возникает у фотоэлементов из-за непостоянства чувствительности
фотокатода во времени, проявляется на низких частотах (f < 100 Гц) и может на
порядок превышать дробовый шум.
В – постоянная, зависящая от фотокатода; fм- частота модуляции потока
излучения, ∆ – постоянная.
Токовый шум (избыточный, 1/f- шум)
Объединяет несколько видов шума, которые отдельно рассчитать трудно. Он
зависит от состояния поверхности и технологии изготовления фотослоя, от
качества контактов и токов утечки.
Дисперсия шума:
B'- коэффициент, зависящий от типа ПИ
(Для PbS фоторезистора B'=10-11 - 10-12)
При расчете общего шума считают, что шумы некоррелированы, поэтому их
дисперсии складываются
40
В связи с шумами вводятся следующие понятия:
Пороговым потоком ПИ Фп в заданной полосе частот называют среднее
квадратическое значение действующего на ПИ синусоидально модулированного
потока излучения источника сигнала с заданным спектральным распределением,
при котором среднее квадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала
равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной
полосе частот (ГОСТ
21934-83)
Для сравнения пороговых потоков ПИ, снятых аппаратурой с различной
полосой пропускания и имеющих различные площадки, вводят:
Пороговый поток ПИ в единичной полосе частот Фп1 – это среднее
квадратическое значение действующего на ПИ синусоидально модулированного
потока излучения источника сигнала с заданным спектральным распределением,
при котором среднее квадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала
равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в единичной
полосе частот
*
Удельным пороговым потоком Фп
называют пороговый поток ПИ в
единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади
фоточувствительному элементу
41
Величину D, обратную пороговому потоку ПИ в заданной (единичной)
полосе частот, называют обнаружительной способностью
Удельная обнаружительная способность
Временные параметры приемников излучения
Собственные постоянные времени ПИ - τсп, τн
τсп- интервал времени после прекращения излучения, по истечении которого
спадающее по экспоненте напряжение фотосигнала уменьшается в е раз
τн- время после начала воздействия излучения, по истечении которого
нарастающее по экспоненте напряжение фотосигнала достигает доли (1 – 1/e) от
своего максимального значения.
Граничная частота ПИ fгр показывает частоту синусоидальномодулированного потока излучения, при которой чувствительность ПИ падает до
значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении.
42
Лекция 8
Характеристики ПИ
Характеристикой называют зависимость, описывающую изменение какоголибо параметра ПИ при изменении внешних факторов.
Характеристику можно выразить формулой, графиком или таблицей.
Рассмотрим спектральные характеристики ПИ.
Абсолютной спектральной характеристикой чувствительности ПИ
Sабс(λ) называют зависимость монохроматической чувствительности, sλ
измеренной в абсолютных единицах, от длины волны падающего на ПИ потока
излучения.
Обычно спектр характеристики имеют вид плавных кривых с одним
максимумом при λmax.
Измерение абсолютной спектральной характеристики для данного класса
ПИ трудоемко, т.к. она меняется от образца к образцу.
Поэтому используют понятие:
Относительная спектральная характеристика чувствительности ПИ
S(λ) - зависимость монохроматической чувствительности ПИ, отнесенной
к значению максимальной чувствительности, от длины волны падающего на ПИ
потока излучения.
Относительная спектральная характеристика не меняется от образцов
одного типа ПИ
Ранее известно, что
Т.е.
dVλ =SабсV(λ)·dФе = SабсV(λ)·Феλ(λ)dλ = SVλmax·S(λ)·Феλ(λ)dλ
Чтобы получить сигнал от всего потока, проинтегрируем
43
Эффективным потоком излучения Фэфф для данного ПИ и источника
называют поток, который при чувствительности ПИ, постоянной по всему
спектру и равной максимальному значению Svλmax, вызвал бы такой же сигнал,
какой вызывает весь падающий реальный поток при реальной спектральной
чувствительности.
Интегральный поток от источника равен
Поделим V на Ф и определим интегральную вольтовую чувствительность
Отношение интегралов в полученном выражении, т.е. χ показывает, какую
долю в сложном потоке, падающем на ПИ, составляет эффективный поток Фэфф
для данного ПИ и источника.
Это отношение χ называют коэффициентом использования потока
излучения данным приемником (или спектральным КПД ПИ).
Выразим χ через относительные величины (поделим числитель и
знаменатель на Фλmax).
Теперь χ можно определить графическим интегрированием.
44
Рис. Спектральный КПД приемника и эффективная полоса его чувствительности
В расчетах часто используют параметр, называемый эффективная ширина
полосы чувствительности ПИ - ∆λэфф - это ширина интервала спектра, в
которой был бы сосредоточен весь эффективный для данного ПИ поток
излучения, при условии, что плотности потока излучения постоянна и равна
своему максимальному значению, т.е.
Или деля числитель и знаменатель на Феλmax, получим
Сравнивая выражения для ∆λэфф и χ , можно получить связь между ними
Вольтовые характеристики ПИ
45
Вольтамперной характеристикой ПИ называют зависимость тока ПИ от
напряжения питания, приложенного к нему при фиксированном потоке
излучения.
Она определяет электрические свойства ПИ, его схему включения.
Вольтовые характеристики выражают зависимость чувствительности от
напряжения питания S (Uпит) (при Фе = const), среднеквадратических значений
тока шума Iш (Uпит),напряжение шума Uш (Uпит), порогового потока Фп(Uпит) и
удельной обнаружительной способности D*(Uпит).
Частотные характеристики ПИ
Частотная характеристика ПИ – это зависимость какого-либо из его
параметров от частоты модуляции потока излучения (f).
Она определяет, как и постоянная времени, динамические свойства ПИ.
Вид частотной характеристики зависит от формы модуляции, например,
ПИ, имеющий экспоненциальную зависимость выходного сигнала во времени,
при синусоидальной форме модуляции потока излучения описывается
выражением
Фо- амплитуда потока излучения, [Вт]; f - частота модуляции потока, [Гц];
φ- сдвиг фазы выходного тока относительно фазы потока излучения;
SJo- токовая чувствительность [А/Вт]; τ– постоянная времени ПИ;
ω - угловая частота изменения потока; j = √-1;
Сомножитель (2πfτ)- характеризует изменение амплитуды выходного
сигнала от частоты модуляции f. При f=0, амплитуда имеет max значение
Зависимость сдвига фазы гармонической составляющей выходного тока
(напряжения) относительно входного воздействия от частоты называется фазовой
характеристикой.
46
Частотной характеристикой удельной обнаружительной способности ПИ
называется зависимость D* от частоты модуляции потока излучения D*=φ(f).
Важными характеристиками ПИ являются спектральные распределения
плотности среднеквадратического значения шума и напряжения шума по
частотам (спектр мощности шума). Они позволяют правильно выбирать частоту
модуляции сигнала и полосу пропускания электронного тракта.
К пространственным характеристикам ПИ относят угловую характеристику
чувствительности S (θ), где θ – угол падения излучения на ПИ, зависимость
чувствительности от положения светового пятна на светочувствительном
элементе ПИ – зонную характеристику S(x, y); для координатных приемников –
координатные характеристики Uвых(x); Uвых(y).
47
Лекция 9
Пересчет параметров приемников излучения.
В условиях работы ПИ по реальному излучению, которое по своему
спектральному составу отличается от излучения применявшегося для измерения
паспортных данных ПИ, необходим пересчет параметров ПИ.
Для селективных ПИ его параметры, как SИНТ, SU, SJ, ФП, ФП1, ФП*, Д*,
зависят от спектрального распределения излучения источника. Поэтому их
величины следует пересчитывать для реального излучения объекта.
Пересчет параметров ПИ, заданных в световых величинах, в энергетических
по одному и тому же источнику излучения.
Интегральная чувствительность – пересчет.
1. Дано SИНТ [А/лм]. Определить SИНТ [А/Вт]
Ток сигнала от ПИ при освещении паспортным источником:
здесь SИНТ–интегральная токовая чувствительность по паспорту [А/лм],
ФV –световой поток паспортного источника [лм].
По тому же источнику этот же сигнал выразим:
здесь SИНТе – интегральная чувствительность (энергетическая) [А/Вт],
Фе – паспортный поток источника (энергетический) [Вт].
Но поток излучения и световой поток связаны между собой (из прошлой
лекции).
напомним, что
48
Критерий использования глазом потока излучения.
V(λ) – кривая видимости глаза (относительная спектральная плотность
чувствительности глаза).
Из условия равенства сигналов фотоприемника (J=J)
Отсюда
(2)
Пересчет порогового потока и обнаружительной способности.
2.Дано: ФnV, DV . Найти Фne, De.
Ток от шума (при пороговом потоке) (когда сигнал = шуму)
Отсюда
С учетом (2)
(2’)
Для обнаружительной способности, поскольку
49
Перечет параметров ПИ, заданных в энергетических единицах по
паспортному источнику, в параметры, заданные в энергетических единицах по
другому (произвольному) источнику.
Пересчет интегральной чувтвительности.
Дано: SIИНТе. Определить SIIИНТе по произвольному источнику.Из прошлой
лекции (1)
Здесь æ - коэффициент использования потока излучения данного источника
данным ПИ, Sλ max- максимальная спектральная чувствительность ПИ.
Для первого источника (паспортного)
Для второго источника (произвольного)
Поделим второе выражение на первое (сократим Sλ max , т.к. это один и тот
же приемник)
(3)
Пересчет порогового потока и обнаружительной способности.
Дано: ФIne и DIe – по паспортному источнику.
Найти ФIIne и DIIe – по
произвольному источнику.
; поскольку
;
подставляя
одно и то же значение
,
Получим
(4)
50
Пересчет параметров ПИ, заданных в световых единицах по
одному (паспортному) источнику, в параметры энергетические по
другому (произвольному) источнику.
Пересчет интегральной чувствительности.
Дано: SIИНТ (А/лм) Определить: SIIИНТе (А/Вт)
Из (2) и (3)
(2)
Пересчет порогового потока и обнаружительной способности.
Дано: ФInV [лм], ДIV [1/лм]
Определить: ФIIne [Вт], ДIIe [1/Вт].
Согласно (4)
Но из (2’):
æ– коэффициент использования потока излучения.
51
Лекция 10
Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта.
ПИ на основе использования внутреннего фотоэффекта базируются на
взаимодействии падающих квантов излучения с кристаллической решеткой
полупроводников различного типа, в результате которого происходит ионизация
атомов кристаллической решетки с образованием свободных носителей зарядов –
электронов и дырок. Это приводит к изменению электропроводности
полупроводника.
Фоторезисторы (ФР).
На явлении фотопроводимости и основан принцип действия
фоторезисторов, при этом под действием потока излучения у ФР меняется
сопротивление.
Фоторезисторы представляют собой пленки или пластинки
фоточувствительного полупроводникового материала, снабженные двумя
контактами для включения их в электрическую цепь.
ФР неполярны, одинаково проводят ток в любом направлении, поэтому их
можно питать как постоянным, так и переменным током.
Спектральная чувствительность фоторезисторов в зависимости от
применяемого материала чувствительного слоя лежит в очень широких пределах
от 0,3 до 40 мкм. Для примера рассмотрим спектральную чувствительность
некоторых фоторезисторов.
52
Относительные спектральные характеристики чувствительности некоторых ФР: 1 –
напыленный CdS (295К); 2 – ФСК-М1 (CdS при 295К); 3 - ФСД (CdSe при 295К); 4 –
монокристалл р-типа из Ge: Au при 77К; 5 – ФСА (PbS при 295К); 6 – PbSe (295К); 7 –
монокристалл n-типа из InAs при 295К; 8 – монокристалл из InSb при 295К; 9 – Ge: Hg (30К); 10
– Ge: Zn: Sb (053К ; 11 – Ge: Cd (4,2К); 12 – Ge: Cu (4,2К); 13 – Ge: Zn (4,2К).
При охлаждении фоторезисторов их абсолютная спектральная
чувствительность значительно возрастает.
У фоторезисторов из соединений свинца при охлаждении спектральная
чувствительность смещается в длинноволновую область спектра, у большинства
других резисторов – наоборот.
Фоторезисторы имеют световую характеристику – зависимость
сопротивления фоторезистора от его освещенности. Примеры этих характеристик
для резисторов типа ФСА:
Световая и люкс-омическая характеристика некоторых ФР.
Вольтамперные характеристики фоторезисторов J(U) при Ф=const линейны
в широких пределах.
Фоторезисторам присущи следующие виды шумов: токовый, генерационнорекомбинационный, тепловой и радиационный. Их преобладание в зависимости
от частоты можно выразить графически:
53
Эксплуатационные параметры и относительное изменение
сопротивления фоторезисторов.
Каждому типу фотосопротивления соответствует максимально-допустимая
электрическая мощность рассеяния РФРmax и максимальное напряжение питания
(например, для ФСК – 1 Uраб≤50В; Рmax≤125мВт).
Схемы включения ФР.
Схема деления напряжения
Определим значение сопротивления нагрузки в этой схеме при
условии max вольтовой чувствительности ФР и при освещении всей площадки
фоторезистора.
При отсутствии освещения фоторезистора Rср=Rт, а темновой ток:
При наличии освещения
54
Приращение падения напряжения на нагрузке:
здесь
При малых освещенностях ∆RФ=к∆Ф<<RТ, поэтому
В этом случае вольтовая чувствительность
Находим SUmax (дифф., =0 и т.д.),получим Rт+Rн – 2 Rн=0, или Rн=Rт при
этом
Здесь
.
Мостовая схема включения.
Или для компенсации температурного дрейфа
55
Дифференциальная схема включения.
Применяется для компенсации действия потока фона. Здесь потоки
фона обуславливают одинаковые токи, но текущие в сопротивлении нагрузки
навстречу друг другу, и поэтому =0.
Фототок в Rн возникает от излучения объекта, поступающего на один ФР,
или на оба ФР, но в противофазе.
Применяют также трансформаторную схему включения ФР.
В этой схеме получают определенный выигрыш в
чувствительности по напряжению за счет того, что к ФР подводится практически
56
все Uпит. Кроме того, Rн гальванически развязано с ФР и его сопротивление не
сказывается на работе ФР. Кроме того постоянный поток от фона не дает
напряжения на Rн.
Параметры и характеристики инерционности ФР.
Временные нарастания и спада τн и τсп лежат в пределах 1 – 10000 мксек.
Они зависят от освещенности ФР. Увеличение освещенности приводит к
уменьшению τн и τсп.
Зависимость постоянной времени ФР от освещенности:
1 - τн; 2- τсп для СФЗ-1; 3- τн; 4- τсп для ФСК-4А
Частотные характеристики ФР.
57
Лекция 11
Фотодиоды.
Фотодиодами называют полупроводниковые приборы, основанные на
внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р-n
перехода, при освещении которого появляется ЭДС – это фотогальванический
режим, или – при наличии приложенного запирающего напряжения – изменяется
значение обратного тока – это фотодиодный режим.
Рассмотрим фотодиодный режим работы ФД.
Схема включения в фотодиодном режиме:
Теоретически вольтамперные характеристики рассчитываются по формуле:
Здесь J – общий ток в цепи ФД, JS – темновой ток ФД, UR=JRн – падение
напряжения на нагрузки от протекающего тока, е – заряд электрона, к –
постоянная Больцмана, Т – температура в К, U – напряжение источника питания.
Соответственно напряжение на нагрузке и фотодиоде будет
Ток в цепи при приложении запирающего напряжения Un будет
Выразим через токовую чувствительность
Из приведенных выражений
58
Дифференцируя это выражение, получим вольтовую чувствительность ФД
- видим, чтобы повысить вольтовую чувствительность, необходимо
увеличить Rн.
Определим максимально возможное Rн max. Оно будет равно
Из этого можно получить две приближенные формулы для max вольтовой
чувствительности.
При
При
.
.
Т.е. если фототок >> темнового (Jф>>JS), то максимальная вольтовая
чувствительность не зависит от параметров фотодиода.
Если Jф<<JS, то SUmax тем больше, чем меньше JS.
При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне
немодулированной фоновой засветки целесообразно иметь минимальную
вольтовую чувствительность по постоянному току (от фона) и максимальную – по
переменному току (от объекта). Для этого используют трансформаторную схему
включения ФД, позволяющую получить большое Rн по переменному току
(индуктивное сопротивление трансформатора) и малое по постоянному току
(активное сопротивление).
59
Фотогальванический режим.
ФГ – режим не требует источника питания и обеспечивает существенно
меньшие шумы, что часто компенсирует потери чувствительности, т.к. позволяет
реализовать большие значения отношения сигнал/шум. ФД в ФГ – режиме имеют
малое внутреннее сопротивление, поэтому их используют в цепях с малым
сопротивлением нагрузки. При этом предъявляются соответствующие требования
к усилителю, который должен при больших коэффициентах усиления иметь
малый уровень шума.
Схема включения в фотогальваническом режиме:
Постоянная времени и частотные характеристики ФД.
В фотодиодном режиме постоянная времени ФД существенно меньше, чем
в фотогальваническом так у кремниевых фотодиодов граничная частота в
фотодиодном режиме доходит до 200МГц, а в фотогальваническом fгр=1-2МГц.
Форма частотной характеристики и fгр зависит от параметров самого ФД, от
приложенного обратного напряжения питания, от спектрального состава
падающего излучения, от формы модуляции напряжения и т.д.
Спектральная чувствительность ФД.
Спектральная чувствительность кремниевых фотодиодов (ФД К-1, ФД20КП), лежит в области 0,4-1,9 мкм, с максимум λmax=0,7-0,9 мкм, германиевых
также 0,4-1,9 с λmax=0,9-1,6 мкм. При охлаждении спектральная чувствительность
смещается в длинноволновую область.
60
Спектральные характеристики GaAs, Si и Ge.
Шумовые (обнаружительные, пороговые) характеристики
фотодиодов.
В условиях работы в фотодиодном режиме с немодулированными потоками
излучения основными факторами, ограничивающими обнаружительную
способность, является обратный темновой ток. У германиевых ФД он сильно
увеличивается с ростом температуры, у кремниевых почти не меняется. У ФД
наблюдается токовый, дробовый, тепловой и радиационный шумы.
В фотогальваническом режиме собственные шумы ФД малы и
обнаружительная способность ограничивается шумами электронного тракта. У
германиевых ФД обнаружительная способность достигает 1012[Гц1/2/Вт] при
λ=1,55мкм, у кремниевых 1013-1014[Гц1/2/Вт] при λ=0,8÷0,9мкм.
Высокочастотные ФД.
Для уменьшения постоянной времени ФД:
-уменьшают толщину базы, чтобы образовавшиеся на поверхности
носители быстрее дошли до р-n перехода;
-расширяют р-n переход за счет подачи высокого обратного напряжения,
чтобы излучение в большей степени поглощалось в р-n переходе.
-делают базу прозрачной для регистрируемого излучения для того, чтобы
излучение поглощалось в самом р-n переходе.
В высокочастотных ФД с гетеропереходом материал освещаемого
61
полупроводника подбирают так, чтобы регистрируемое излучение проходило
сквозь него и поглощалось в самом р-n переходе. Это позволяет получить
постоянную времени 10-20нс.
У поверхностно-барьерных ФД (ПБ ФД) контактный барьер располагается
на поверхности полупроводника (на основе эффекта Шоттки – образование
контактного барьера на границе металл – проводник). Постоянная времени у ПБ
ФД порядка 1нс.
ФД p-i-n типа (ПИН – фотодиоды).
Представляют собой собственный полупроводник i с большим удельным
сопротивлением (в 106-107 раз более высоким, чем n- и p- области), ограниченный
с двух сторон сильно легированными слоями n- и р- типов.
При малой толщине освещаемого слоя (здесь n- типа – 0,5мкм) падающее
излучение поглощается в i- слое. Постоянная времени такого ФД определяется
временем пролета носителей через переход. Τ=10-1-10-12с. Частотная
характеристика p-i-n фотодиодов в коаксиальном исполнении (корпус
представляет собой часть коаксиального кабеля) простирается до частот 20ГГц.
62
Лекция 12
Приемники излучения с внутренним усилением фототока.
Лавинные фотодиоды (ФД).
Такие фотодиоды позволяют реализовать внутреннее усиление фототока за
счет электрического пробоя p-n перехода и образования лавинного процесса
размножения поступающих в p-n переход неосновных носителей.
При большом обратном электрическом смещении p-n перехода
образовавшиеся при облучении носители ускоряются электрическим полем и
сталкиваются с кристаллической решеткой в области p-n перехода, образуя
дополнительные электронно-дырочные пары, лавинно умножаясь.
В результате входной ток усиливается во много раз. Лавинные фотодиоды
имеют лучшее, чем у ФЭУ отношение сигнал/шум. Недостаток – требуется весьма
стабильное напряжение питания.
Диапазон спектральной чувствительности кремниевых ЛФД 0,35-1,13мкм,
Sλ=0,5 А/Вт при λ=0,9мкм, fгр=10ГГц.
Фототранзисторы.
Фототранзистором называют полупроводниковый ПИ на основе
использования внутреннего фотоэффекта, совмещающий в себе свойства ФД и
усилительного триода.
Чаще всего используются биполярные ФТ на основе внутреннего
фотоэффекта с двумя p-n переходами и с дополнительным усилением фототока на
втором p-n переходе. Он состоит из монокристалла германия n- типа – базы, в
котором с двух сторон созданы сплавные p-n переходы – коллекторные и
эмиттерные.
63
Входным сигналом для ФТ служит падающий поток излучения Ф, который
и управляет током в цепи. Значительный эффект усиления фототока наблюдается
при включении ФТ с «оборванной» базой.
Благодаря усилению фототока интегральная чувствительность ФТ выше,
чем у ФД и достигает 0,2-0,5 А/лм.
По постоянной времени и частотным характеристикам ФТ уступают ФД.
Τ=10-4-10-6[с]. ФТ имеют следующие недостатки: нестабильность параметров при
изменении температуры, неравномерность чувствительности по полю
фоточувствительной площадки, увеличенный порог чувствительности из-за
значительных шумов (У ФТ-1 Uш достигает 5*103 мкВ), большую постоянную
времени (10-4-10-6 с).
Фототиристоры.
Называется фоточувствительный полупроводниковый прибор p-n-p-n –
структуры с тремя p-n переходами, при облучении которого прибор переводится
из закрытого состояния в открытое.
Схема работы фототиристора аналогична схеме работы обычного тиристора
с той разницей, что управляющим воздействием является не ток, а поток
излучения.
Фототиристоры имеют некоторые преимущества перед ФД и ФТ в схемах,
преобразующих падающий поток излучения в электрический сигнал (в фотореле,
64
логических схемах и т.д.):
- область рабочих напряжений фототиристоров на порядок выше ФД и ФТ;
- предельно допустимый ток фототиристоров и его интегральная
чувствительность в 3-4 раза выше, чем у ФТ;
- постоянная времени фототиристора сравнима с ФД и меньше, чем у ФТ;
- диапазон рабочих температур сравним с кремниевыми ФД.
Координатные ПИ
Координатным фотоприемником называют ПИ, по выходному сигналу которого
определяют координаты светового пятна на фоточувствительной поверхности.
Существуют координатные приемники на основе ФД, ФР, ФТ и других ПИ.
Рассмотрим некоторые типы координатных ПИ.
Фотопотенциометры
Представляют
собой
бесконтактный
аналог
обычного
потенциометра
с
механически перемещающимся электрическим контактом.
В
фотопотенциометре
электрический
контакт заменен фотоэлектрическим, что
U1
1
повышает срок его службы и надежность.
2
1—резистивный слой (сопротивление);
2—фотопроводящий слой;
3
5
U2
RH
4
3—коллектор (проводящий);
4—подложка;
5—световой зонд.
Фотопотенциометр
RH
состоит
из
изолирующей подложки 4, на которую
65
нанесены:
—резистивный слой 1;
—фотопроводящий слой 2;
—коллектор (проводник) 3.
По поверхности ФП движется световой зонд 5, который играет роль движка
потенциометра. Световой зонд формируется оптическим устройством.
В месте засветки фотопроводящего слоя создается фотопроводимость, которая
является
электрическим
контактом,
соединяющим
резистивный
слой
с
коллектором.
Выходное напряжение, снимаемое с фотопотенциометра (с RН), является
функцией положения светового зонда на фотопроводящий слой.
В зависимости от назначения ФП бывают линейными и функциональными.
Функциональные ФП позволяют пространственное перемещение светового зонда
преобразовывать в электрический сигнал заданного функционального вида, что
осуществляется за счет профилирования резистивного слоя.
Фотопотенциометры обладают чувствительностью от 0,5 до 1,0 В⁄мм·мВт и
постоянной времени ≈10-6с. Отклонение от линейности у них достигает 1-5% на
длине до 70мм.
Основные недостатки фотопотенциометров:
—необходимость работы с малыми токами на большое RН;
—сложность
нанесения
однородных
резистивных
слоев
и
взаимной
совместимости разнотолщинных слоев.
Функциональные фоторезисторы и фотодиоды
У функциональных фоторезисторов на подложке
U
формируется
4
профильный
фотопроводящий
слой.
3
На подложку наносятся электроды 1 и 4, между
2
1
66
RH
Uвых
ними
находятся
профильный
фотопроводящий слой 2. щелевой световой зонд 3, продвигаясь вдоль
фоточувствительной площадки, включает в цепь RН участки фотопроводящего
слоя разной длины, а, следовательно, и разного сопротивления.
Фототок, а, следовательно, и выходной сигнал функционального ФР зависит от
потока излучения в щелевом зонде и от температуры окружающей среды, что
является недостатком работы функционального ФР.
Эти недостатки устраняются в функциональном ФР с компенсирующей
нагрузкой.
Здесь
U
функциональный
ФР
состоит
из
фотопроводящего слоя 1, нанесенного на
1
2
подложку, и из индиевых электродов 2,3 и 4.
3
Форма
4
функциональную зависимость, по которой
Uвых
меняется
электрода
сопротивление
определяет
2
фотослоя
при
перемещении светового зонда 5.
5
Сопротивление освещенного участка между электродами 3 и 4 является здесь
сопротивлением нагрузки. Это обеспечивает постоянство эксплуатационного
параметра нагрузки в широком интервале температур, освещенностей зонда и
времени эксплуатации.
U
4
Другим видом функционального фоторезистора
является щелевой функциональный фоторезистор
(ЩФФР).
1
2
RH
Uвых
3
Щелевой фотопроводящий слой 2 находится
между двумя параллельными электродами 1 и 3.
При перемещении маски 4 с заданным профилем
освещаемая площадь фоторезистора меняется по
соответствующему закону, что и вызывает изменение Uвых по тому же закону.
ЩФФР также можно изготавливать с компенсирующей нагрузкой.
67
Координатные фотодиоды, работающие на основе продольного фотоэффекта
(инверсионные координатные фотодиоды—ИКФ).
При локальном освещении фотодиода, работающего в фотогальваническом
режиме, генерированные в области светового пятна носители создают фото-ЭДС,
измеряя которую можно по амплитуде и полярности судить о местоположении
светового пятна на фотоприемной площадке.
Схема расположения контактов на двухкоординатном приемнике.
Зависимость
значения
фото-ЭДС
от
положения светового пятна называется
3
инверсионной
пеленгационной
пример
пеленгационной
характеристикой.
2
1
или
Uy
Нарисуем
x
характеристики.
Ее кривизна зависит от диаметра светового
4
пятна
Ux
и
расстояния
контактами.
При
между базовыми
смещении
светового
пятна на расстояние 0,01мкм изменение напряжения составит примерно 10мкВ
(при Vmax=1,5мВ).
U, мВ
1,
5
1
0,
5 1
4
3
2
1
0,5
1
1,5
2
3
4
х,
мм
Многоэлементные
68
приемники излучения
Их можно разделить на ПИ с полной электрической развязкой отдельных
чувствительных элементов и ПИ с внутренними электрическими связями.
ПИ с полной электрической развязкой представляют собой набор отдельных
одноэлементных приемников, обычно изготовляемых на единой подложке и часто
имеющих самостоятельные каналы предварительного усиления.
Такие приемники при большом числе элементов пока имеют увеличенные
габаритные размеры и большое число выводов.
У приемников с внутренними электрическими связями имеется гораздо большее
число каналов, но взаимовлияние и разброс параметров отдельных элементов,
наличие коммутационных переходных процессов и утечек по токоведущим
шинам и подложкам, заметно усложняют их применение.
ПИ с полной развязкой позволяют осуществить произвольную координатную
выборку сигнала с отдельных элементов. Но они уступают ПИ с внутренними
связями по числу элементов, пространственному разрешению, динамическому
диапазону амплитуды сигнала и по уровню шумов коммутации.
Простейшим приемником с полной развязкой является двухплощадочный ПИ,
состоящий
из
двух
фотоприемных
площадок,
разделенных
небольшим
промежутком. Площадки обычно включаются по дифференциальной схеме.
Достоинством такого приемника является большая крутизна характеристики,
малый дрейф нуля, высокое быстродействие.
Недостатками
являются
сравнительно
небольшой
линейный
участок
координатной характеристики, зависимость ее крутизны от многих параметров
(формы,
размера,
ориентации
изображения
излучателя,
распределения
освещенности и др.)
Помимо однокоординатных ПИ, измеряющих одну координату, имеются и
двухкоординатные приемники. Простейшим из них является координатный
разрезной фотодиод, фоточувствительная поверхность которого разделена на 4
части с промежутками порядка 0,05÷0,1мм. Размеры отдельных площадок таких
69
фотодиодов достигают нескольких мм, а крутизна координатной характеристики
0,1..0,5 В⁄мм·мВт. Ко всем четырем площадкам подведены контакты.
Используются дифференциальные схемы включения по двум координатам.
Однокоординатный ПИ
4
1
1,2—фоточувствительные
площадки
ПИ;
х
(х
)
3—световое пятно;
4—дифференциальный усилитель.
2
3
Двухкоординатный
ПИ
(схема
включения)
2
1
6
1÷4—фоточувствительные
площадки;
7
5—световое пятно;
3
5
х
4
6
х
6—суммирующие
усилители;
7—дифференцирующие
6
усилители.
7
6
y
В ряде случаев отдельные элементы чувствительного слоя используются не для
образования полезного сигнала, а для компенсации влияния переменных внешних
условий (температуры, давления, влажности, уровня фоновой освещенности и
т.п.).
70
Лекция 13. Матричные приемники излучения
В последние годы для работы в составе различных ОЭП были разработаны
многоэлементные двумерные координатные ПИ с числом элементов от
нескольких десятков до нескольких тысяч.
Например, отечественная кремниевая фотодиодная матрица МФ-22.
Число элементов 64×64.
Размер элемента 80×80 мкм.
Шаг структуры 100×100 мкм.
Пороговая экспозиция 10-12Дж.
Динамический диапазон 103.
Неоднородность темнового сигнала 10%.
Минимальное время выборки одного элемента 1мксек.
Главной характеристикой светочувствительной матрицы является число
точек, которое она в состоянии воспроизвести. Эти точки называют пикселами (от
англ. рiхеl — рiсturе еlement, элемент изображения). Пикселы на плоскости
матрицьг организованы в «строки» и «столбцы» наподобие таблицы.
Число пикселов (разрешение матрицы) имеет непосредственное отношение
к размеру получаемого изображения. Разумеется, чем больше этот показатель, тем
более крупный по объему файл мы получим после обработки. К примеру, матрица
мобильного телефона (640х480, 307200 пикселов) создаст изображение размером
900 Кбайт в несжатом виде: 307200х3 (красный, синий, зеленый) = 921600 байт.
Реальное разрешение фотоаппарата — это количество элементов
изображения, которое воспринимает его матрица. Производители часто
указывают не только общее количество пикселов на сенсорах, но и
«эффективное». Последнее всегда меньше. Это подразумевает, что примерно 5%
ячеек остаются незадействованными. Например, они часто используются для
калибровки уровня шума по его «теневой» составляющей (то есть при отсутствии
71
падающего света) или для «подгонки» изображения под стандартное соотношение
длины и ширины (например, 3:2, как в стандартном пленочном кадре).
В зависимости от электронной структуры сенсоры принято делить на 2
типа: ССD (сharge-соupled device), или ПЗС (прибор с зарядовой связью), и СМОS
(complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комлементарные
структуры «металлоксид-полупроводник»). Принцип фотодетекции (то есть
собственно световосприятия), используемый в них, одинаков. Отличия состоят
лишь в способе регистрации заряда и в том, насколько каждый из этих сенсоров
насыщен встроенной электроникой.
Рассмотрим принцип работы ПИ с внутренними электрическими связямиприборов с зарядовой связью—ПЗС. Это полупроводниковые устройства, в
которых при подаче на них определенной последовательности тактовых
импульсов осуществляется управляемое перемещение пакетовых зарядов вдоль
полупроводниковой подложки. Эти устройства состоят из ряда МДП-структур
(металл-диэлектрик-
полупроводник),
в
которых
металлические электроды образуют
регулярную систему с достаточно
малым шагом—расстоянием между
электродами.
Рассмотрим
трехфазную
структуру
ПЗС.Один
образуется
тремя
элемент
электродами,
каждый из которых подключен к
своей токопроводящей шине 1..3.
подложкой является полупроводниковая пластина, на которую нанесены
микроостровки окисла, покрытые слоем металла, играющего роль электрода.
В начальный момент времени t0 на шину 2 подан потенциал (отрицательный
в случае n-подложки). Под электродами этой шины в результате действия
72
освещенности происходит накопление зарядов.
В момент времени t1 высокий потенциал с шины 2 снимается и подается на
шину 3.
Заряды перетекут в потенциальную яму под электроды шины 3
одновременно во всех элементах. К электродам шины 1 они не потекут, поскольку
там низкий потенциал.
В момент времени t2 высокий потенциал с шины 3 снимается и подается на
шину 1, при этом все заряды одновременно переносятся под электроды шины 1.
далее процесс повторяется.
Таким образом, линейка фотоПЗС, в которой под прозрачными электродами
при освещении возникает внутренний фотоэффект, позволяет преобразовать
распределение освещенности в зарядовые пакеты носителей, хранить их и
создавать выходной видеосигнал при последовательной смене потенциалов на
фазных шинах.
При этом используются различные схемы считывания информации со всего
фотоприемника.
Рассмотрим т.н. схему кадрового считывания.
За
половину
времени
кадра
в
оптической секции 1 накапливается по
1
столбцам информация в виде зарядов. Во
время второй половины кадра происходит
перенос зарядов из оптической секции 1 в
2
секцию хранения 2.
3
Затем в оптической секции 1 опять
Jвы
начинает
происходить
накопление
зарядов, а в это время из секции хранения 2 происходит параллельный перенос по
столбцам в выходной регистр 3, из которого последовательно считывается
видеосигнал.
Так как заряды от каждого элемента области накопления, соответствующие
73
освещенностям этих элементов, проходят через области расположения других
«элементарных» зарядов, то к каждому из них добавляется остаточный заряд,
генерируемый под воздействием излучения в предыдущих элементах. Это
вызывает смаз изображения, проявляющийся в виде тянущихся за изображением
«хвостов». Для борьбы со смазом используется высокочастотная фильтрация,
схемы компенсации и ряд других приема.
Достоинствами ПЗС-линеек и матриц являются: высокое разрешение,
достигающее 10..15 мкм при общем числе элементов в линейке порядка 103, и в
матрице 5·102×5·102, достаточно большое быстродействие, малые размеры, масса
и электропотребление, большой срок службы.
Одним
из
принципиальных
недостатков
ПЗС-приборов
является
невозможность осуществления произвольного закона выборки сигналов с
отдельных элементов линейки или матрицы, поскольку в них производится
последовательный съем сигналов с отдельных строк или столбцов.
От этого недостатка в значительной степени свободны приборы с зарядовой
инжекцией (ПЗИ). Однако большие выходные емкости, свойственные ПЗИ,
приводят к возрастанию шумов и усложняют прием слабых сигналов. ПЗИ
гораздо инерционнее, чем ПЗС.
В оптико-электронных приборах, кроме телевидения, ПЗС успешно
используются
для
определения
координат
малоразмерных
изображений.
Используя специальные алгоритмы обработки сигнала, можно получить точность
измерений, характеризуемую погрешностями в сотые доли размера одного
элемента.
Другим важным применением ПЗС в ОЭП является так называемое
межкадровое вычитание, используемое при пространственной фильтрации,
селекции движущихся излучателей.
Нужно сказать о том, что ни ПЗС-, ни КМОП-устройства изначально не
создавались для оснащения ими фото- и видеокамер. Они были предназначены
для использования в полупроводниковых элементах оперативной памяти
74
компьютеров.. Первые коммерческие образцы сенсоров на основе этих элементов
появились лишь в 1974 г. благодаря усилиям компании Fairchild Semiconductor.
Сегодня они вьшускаются всего несколькими «китами» электроники (Sony,
Philips, Kodak, Matsushita, Toshiba). Дело в том, что освоить их изготовление
чрезвычайно сложно, поэтому ПЗС-матрицы весьма дороги.
В противовес им, КМОП-технологии первоначально применялись только
для создания микросхем. Они и поныне в огромных количествах используются в
разного рода промышленных и бытовых устройствах. Поэтому массовость
изготовления и широкое распространение чипов на этой основе делают их
достаточно дешевыми. Кроме того, КМОП-элементы конструктивно достаточно
легко объединяются в одной микросхеме с процессорами для обработки
изображений и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Благодаря этому
на их основе легче создавать однокорпусные устройства (те же матрицы
фотоаппаратов), включающие в себя все необходимые элементы, причем с их
высокой концентрацией в единице объема. Например, уже сегодня можно создать
КМОП-матрицу для мобильного телефона величиной с гречишное зерно.
КМОП-матрица
75
ПЗС-матрица
До последнего десятилетия фотосенсоры на основе КМОП не позволяли
получать качество изображения, сравнимое с ПЗС. Сегодня сенсоры на основе
этой технологии иногда даже превосходят по качеству получаемого изображения
ПЗС. Например, КМОП-сенсоры используются в цифровых зеркальных аппаратах
производства Canon. даже Nikon, традиционно тяготевшая к ПЭС, начинает
использовать другой тип матриц. КМОПматрица устанавливается, например, в
фотоаппаратах Nikon D2Х.
Цветное зрение сенсоров
Рассказывая об устройстве и принципах работы матриц, мы не рассмотрели
один важный вопрос. С точки зрения спектрального состава воспринимаемого
76
света все фотодетекторы сенсора совершенно одинаковы. Иначе говоря, они не
разбирают, какой свет на них воздействует, и фиксируют лишь черно-белое
изображение. Как превратить его в цветное?
Очевидно, для этого необходимо сначала разделить свет на базовые
составляющие — красную, зеленую и синюю (RGB). Чтобы сделать это еще до
попадания лучей на фотодетекторы, их ячейки прикрываются сверху
светофильтрами соответствующих цветов. При этом в каждую светоприемную
ячейку попадает только свет нужной длины волны, а все прочие отсекаются.
Расположение фильтрующих элементов может изменяться в зависимости от
конструкции матрицы, но наиболее распространенным на сегодняшний день
является так называемый байеровский фильтр. Он был разработан компанией
Kodak еще в 70-х годах минувшего века и использовал принцип
пространственного умножения цветовых точек. Основой байеровского типа
распределения микросветофильтров является то, что он содержит вдвое больше
зеленых точек, чем красных или синих. Это компенсирует в исходном
изображении особенность человеческого глаза воспринимать зеленый свет как
наиболее яркий, определяющий контурную резкость объектов. другой важной
особенностью такого способа является и то, что он позволяет одинаково
правильно воспроизводить изображения в фотокамере вне зависимости от того,
снимаете ли вы кадр в вертикальном или горизонтальном формате.
77
Следуя своей собственной логике и стремясь усилить цветовую
насыщенность изображения, получаемого с помощью матрицы, корпорация Sony
разработала другую модель, содержащую помимо трехцветных светофильтров
еще и голубые. По странной ассоциации разработчиков они почему-то именуются
«изумрудными». С помощью последних, по мнению компании, ей удалось
добиться получения более «живой» картинки.
Пикселы готового многоцветного изображения в традиционных сенсорах
ПЗС и КМОП формируются за счет аппроксимации содержимого 4
соседствующих ячеек. В них содержится по 25% синего и красного и 50%
зеленого.
Перерасчет цветовых составляющих представляет известное неудобство и
несколько понижает качество картинки. Для преодоления этого недостатка была
разработана принципиально иная, трехслойная матрица Foveon,
прародительницей которой явилась американская компания с таким же
названием. Ее исследователи использовали в конструкции нового сенсора простой
принцип: проникновение лучей света в глубь матрицы определяется энергией
фотонов, то есть длиной волны излучения (синий свет задерживается в самых
поверхностных слоях, а красный — в наиболее глубоких). Поэтому строение
матрицы Foveon напоминает цветную фотопленку. Она также содержит слои,
чувствительные к синему, зеленому и красному свету. Поскольку при
формировании изображения отсутствует аппроксимация между соседними
78
точками, а захват падающего излучения получается максимальным, возрастает
качество.
К сожалению, сенсоры Foveon тоже не лишены недостатков. Их
светочувствительность, как правило, ниже, чем у традиционных ПЗС- и КМОПматриц. Это вызвано тем, что лучи, падающие на более глубокие слои, отчасти
задерживаются световоспринимающими ячейками, лежащими выше. Более
выражены и шумы.
Другой вариант повышения качества изображения, получаемого с помощью
сенсоров, также предусматривает наличие не одной, а трех
световоспринимающих матриц, соответствующих цветовым составляющим.
Исходный поток света вначале делится на З пучка, проходя через специальные
призмы и расположенные позади них светофильтры (синий, зеленый, красный).
Подобная конструкция получила название 3ССD), так как качестве
светоприемников используются ПЗС-сенсоры. Сегодня такими матрицами
оснащаются, в основном, видеокамеры, поскольку качество неподвижной
картинки, получаемой с помощью 3ССD, пока невелико. Возможно, это
обусловлено сложностью совмещения трех одноцветных картинок.
79
Лекция №14
Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта.
Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называется
испускание электронов с поверхности фоточувствительного слоя в вакуум или в
другое вещество под действием падающего потока излучения.
В
ПИ
с
внешним
фотоэффектом
поток
электронов,
называемых
фотоэлектронами, эмитируемых под действием падающего излучения одним из
электродов—фотокатодом—в вакуум или газ, ускоряется за счет постоянного
внешнего напряжения и улавливается другим электродом—анодом, образуя во
внешней цепи электрический ток—фототок.
В фотокатоде происходит следующий процесс: поглощение фотона,
передача его энергии электрону, диффузия (перемещение) возбужденного
электрона к поверхности фотокатода, прохождение электрона в вакуум через
поверхностный потенциальный барьер—электрическое поле вблизи поверхности,
удерживающее электроны внутри вещества. Энергию, которую необходимо
сообщить электрону для преодоления поверхностного потенциального барьера,
называют работой выхода.
Законы внешнего фотоэффекта.
1.
Закон Столетова.
Значение фототока в режиме насыщения прямо пропорционально потоку
80
излучения, поглощенному фотокатодом при неизменном спектральном составе
падающего излучения.
Ιф=Ф⋅Sинт.
Ф—поглощенный поток;
Sинт.—интегральная чувствительность фотокатода.
Здесь слова «в режиме насыщения» означают, что все вылетающие
электроны собираются на анод, т.е. фототок не зависит от Uпитания.
Закон Эйнштейна.
2.
Максимальная энергия выбиваемых фотоэлектронов пропорциональна
частоте ν падающего на фотокатод излучения и не зависит от потока
излучения.
m ⋅V 2
= hν − E ф
2 max
Здесь m и V—масса и скорость фотоэлектрона,
h—постоянная Планка, Еф—работа выхода.
Для каждого вещества существует длинноволновая граница внешнего
фотоэффекта, называемая красной границей, т.к. энергия квантов падающего
потока
уменьшается
с
увеличением
длины
волны
и,
соответственно,
уменьшением частоты излучения.
m ⋅V 2
= 0 , т.е.
Порог наступает, когда
2 max
h ⋅ν гр
= Е ф , т.е. ν гр =
λ гр =
с
ν гр
=
Еф
h
,а
h⋅с
= 1,234 Е ф
Еф
Здесь с—скорость света в вакууме.
Время запаздывания между поглощением кванта и выходом электрона
81
меньше 10-12с (пикосекунд), что позволяет создавать очень быстродействующие
ПИ.
Электровакуумные фотоэлементы
Электровакуумным фотоэлементом называют вакуумный или ионный диод,
основанный на явлении фотоэлектронной эмиссии электронов в вакуум или газ,
преобразующий энергию оптического излучения в электрические сигналы и
содержащий фотокатод и анод.
Тип фотокатода и материал окна колбы ФЭ определяют диапазон его
спектральной чувствительности.
Нарисуем пример конструкции ФЭ (Ф-10).
ФК—фотокатод,
А—анод, ОК—охранное кольцо.
Как видно из закона Эйнштейна спектральная
чувствительность увеличивается с уменьшением длины
волны
λ и
ограничивается
материалом подложки
фотокатода, окна колбы, толщины его.
Также спектральная чувствительность зависит от температуры ФК
(изменяется
работа
выхода
электрона),
его
старения,
утомления
ФК
(неравномерного понижения спектральной чувствительности из-за времени,
длительного освещения, от анодного напряжения, от цикличности работы).
Для оценки спектральной чувствительности фотоэлементов разработана
система типовых спектральных
характеристик (от С-1 до С-15).
Временное разрешение ФЭ
складывается из времени эмиссии
фотоэлектрона
(10-12с), времени
82
пролета электрона от катода до анода (10-11-10-10) и переходными процессами в
цепи ФЭ-нагрузка.
Схема включения ФЭ.
+Un
Uп можно доводить до 200-300 В.
Фотоэлементам
присущи
радиационный,
дробовый шум, шум мерцания (фликкер-эффект). На
Rn
вход усилителя, кроме того, поступает тепловой шум
от RН.
Шум
мерцания
имеет
зависимость
1⁄f
и
сказывается только на низких частотах (100Гц), где он может превосходить
дробовый на порядок.
Фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронным
умножителем
(ФЭУ)
называют
электровакуумный
прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрические
сигналы и содержащий фотокатод, вторично-электронный умножитель и анод.
Конструктивно от ФЭ ФЭУ отличается тем, что кроме ФК и анода содержит
еще фокусирующую электронную систему, диафрагму и систему дополнительных
электродов (динодов), являющихся эммитерами вторичных электронов.
83
1-фотокатод; 2-фокусирующая система; 3-диафрагма; 4-диноды; 5-анод; 6-колба.
При
освещении
фотокатод
эмиттирует
1
фотоэлектроны,
которые
ускоряются электрическим полем фокусирующей системы 2 и через диафрагму 3
направляются на первый динод 4, вызывая вторичную электронную эмиссию.
Таким же образом действуют остальные диноды, в результате на анод 5 попадает
многократно усиленный поток электронов, вызванный одним фотоэлектроном.
Электрическое поле, ускоряющее электроны, создается источником питания
Uпит, напряжение которого распределяется между электродами ФЭУ с помощью
делителя напряжения на резисторах R1÷R9. На нагрузке Rn выделяется
напряжение, обусловленное током анода.
Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии σ,
которое является отношением числа вылетевших с динода электронов к числу
упавших на него, и коэффициентом усиления М, являющимся произведением σ
всех динодов.
Для серийных ФЭУ при среднем коэффициенте вторичной эмиссии σ=4 и
числе каскадов 12, М достигает 107 (т.е. 10 мм), что достаточно для регистрации
сигнала на выходе от одного упавшего на фотокатод кванта (выбившего один
фотоэлектрон).
Поэтому ФЭУ могут работать в режиме т.н. «счета фотонов», т.е.
регистрации чрезвычайно слабых сигналов.
В
последнее
время
широко
применяется
т.н.
«канальные»
ФЭУ,
использующие непрерывный динод с распределенным сопротивлением.
В простейшем случае такой динод представляет собой трубку (канал) из
специального стекла, на поверхности которого образуется слой, обладающий
электросопротивлением и вторичной эмиссией.
84
(R=107÷108Ом; σ=3÷3,5).
При подаче высокого напряжения на
концы канала через проводящие контакты
по его поверхностному слою течет ток,
создающий
падение
напряжения
канала,
создающее
вдоль
равномерное
электростатическое поле внутри канала.
Вторичный
электрон,
выбитый
из
стенки
канала
под
действием
электростатического поля ускоряется и при повторном соударении со стенкой
умножает число электронов.
При отношении длины канала к диаметру (калибре) 50-100, получают
усиление 106-107 при Uпит=2,5 кВ.
Спектральная чувствительность ФЭУ определяется, в основном, типом
фотокатода и материалом окна колбы. Спектральные характеристики ФЭУ такие
же, как и у ФЭ.
Для регистрации излучения с λ<0,1мкм (далекий УФ) применяют ФЭУ с
открытым входом, т.е. вообще без окна, но это, в основном, в вакууме (космос).
Постоянная времени по фронту нарастания импульса составляет для
обычных ФЭУ 5-10 нсек, что позволяет регистрировать модулированные потоки с
частотой сотни МГц.
ФЭУ присущи все виды шумов ПИ, однако преобладает дробовый.
Ток дробового эффекта фотокатода ФЭУ усиливается каждым каскадом, его
выражение имеет вид
I др = 2eI k M 2 (1 + B ) ⋅ ∆f ,
где e=1,6·10-19[А·с]—заряд электрона, Iк—суммарный ток фотокатода; М—
коэффициент
усиления
ФЭУ;
(1+В)—множитель,
учитывающий
влияние
дробового эффекта эмиттеров, (1+В)=2,5 для ФЭУ с электростатической
фокусировкой, ∆f—полосы частот.
85
На сигнал ФЭУ сильно влияет нестабильность источника питания. Для
обеспечения постоянства выходного сигнала в пределах 1% колебания Uпит не
должны превышать 0,005-0,01%.
Лекция №15
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП)
ЭОПом называется электровакуумное устройство на основе внешнего
фотоэффекта, которое преобразует оптическое изображение, создаваемое на
фотокатоде рентгеновскими, УФ, видимыми или ИК-лучами, в промежуточное
электронное, а затем в видимое изображение на флуоресцирующем экране.
Нарисуем устройство ЭОПа.
8-изображение;
9-фотокатод;
10-электронный пучок;
11-стеклянный баллон;
16-электронное изображение;
15-экран.
ЭОП состоит из стеклянного
баллона 11, изображение 8 проектируется на фотокатод 9,
на экране 15
формируется электронное изображение16, которое преобразуется в видимое
благодаря флуоресценции экрана из-за бомбардировки электронами. Экран может
рассматриваться глазом (через окуляр) или изображение может проектироваться
86
на ТВ-трубку.
На серийном ЭОПе: диаметр ФК 80 мм, длина ЭОП—160 мм, диаметр
экрана 50 мм, разрешающая способность 30 штр/мм.
Фотокатоды ЭОП аналогичны ФЭ и ФЭУ.
В качестве экранов применяются мелкозернистые люминофоры: желтозеленого свечения для работы с глазом, или фиолетово-синего для дальнейшей
передачи.
Послесвечение экранов 10-6÷10-2с.
При оценке работы ЭОП кроме традиционных параметров и характеристик
используются следующие параметры.
Яркость темнового фона—яркость свечения экрана Lф при отсутствии
освещения
фотокатода.
Необходима
при
учете
пороговых
потоков,
регистрируемых ЭОП.
Световая отдача экрана ξ-- отношение светового потока, излучаемого
экраном Фэкр в полусферу, к мощности облучающего экран электронного потока
Рэл.
ξ=
Фэкр
Рэл
Зная, что Рэл=Uпит·Iфк=U·Sифк·Ффк, где Sифк—интегральная чувствительность
ФК [А/мм], Uпит—напряжение питания ЭОП.
ξ=
Фэкр
U пит ⋅ Sифк ⋅ Ффк
Коэффициент преобразования ЭОП η-- отношение потока, излучаемого
экраном во внешнюю полусферу Фэкр, к потоку излучения Ффк, попавшему на ФК.
η=
Фэкр
Ффк
= ξ ⋅ U пит ⋅ S ифк
Коэффициент яркости ЭОП ηL—отношение яркости экрана ЭОП к
87
освещенности го фотокатода
ηL =
Lэкр
Eфк
Для увеличения яркости применяют многокамерные ЭОП, представляющие
собой последовательное соединение однокамерных с общим вакуумным объемом,
причем экран предыдущего и фотокатод последующего каскадов нанесены на
противоположные стороны пластины из слюды.
Питание
ЭОП
обеспечивается
высоковольтным
преобразователем,
первичным источником служат батареи. Потребляемая мощность несколько Вт.
ЭОП широко применяют в приборах визуального наблюдения при плохой
видимости в условиях естественной ночной освещенности 10-3÷10-4Лк (бинокли ,
прицелы и т.п.)
Поколения ЭОП.
По принятой в мире терминологии ЭОП классифицируются на 4 поколения – I, II, III и IV (с некоторыми промежуточными
ступенями I+, II+).
Фотокато
д
ЭОП I поколения имеет чувствительность катода 120-250 мкА/лм. Усиление света у этих ЭОП
Балло
н
составляет 120-900, разрешение в центре 25-35 штр /мм. Отличительная особенность этих приборов в том,
что четкость изображения падает от центра к краям поля зрения, искажения изображения возрастают,
разрешающая способность снижается. Кроме того, если в поле зрения попадаются яркие источники света,
Фокусирующий электрод
например, фонари, светящиеся окна домов и др., то они засвечивают всё изображение, препятствуя
+20к
возможности наблюдения
Примечание: дать рисунки (фотографии)
Поколение I+ (Super+ в зарубежной литературе) это дальнейшее развитие ЭОП первого поколения. Увеличить
ВОП
фотокатода
разрешение ЭОП, уменьшить искажения формы предмета и, кроме того, защитить изображение от засветок боковыми
ВОП
точечными источниками света удалось применением на входе (иногда на выходе) вместо плоского стекла волоконнооптическая пластины (ВОП).
ИК
излучение
Усиление света таких ЭОП – около 1000, минимальная чувствительность фотокатода 280 мкА/лм, разрешение
Фокусирующие
электроды
в центре минимум 45 штр/мм. Приборы, построенные на ЭОП I+ поколения, отличаются от приборов I-ого поколения,
прежде всего очень четкой и комфортной картинкой, низким уровнем собственных шумов и, как правило, большей
дальностью действия в пассивном и активном (при использовании ИК подсветки) режимах работы. На открытой местности приборы
эффективны до уровней освещенности, соответствующих ¼ Луны на небе. При более низких освещенностях необходима подсветка. Стоимость
ЭОП I+ поколения в 4-9 раз выше ЭОП I-ого поколения.
Многокаскадные ЭОП I поколения. Для увеличения коэффициента усиления ЭОП иногда последовательно стыкуют два, три и
более каскада, собирая их конструктивно в один корпус. Коэффициент усиления
света многокаскадного ЭОП доходит до 20000-50000. Однако при этом сильно
растут искажения, и падает разрешение по краям изображения. Приборы,
Трехкамерный
ЭОП
построенные на многокаскадных ЭОП, получаются очень громоздкими и
тяжелыми, поэтому в последнее время их практически вытеснили малогабаритные приборы I+ и II+
поколения, имеющие лучшие характеристики и низкую стоимость.
88
ЭОП II поколения конструктивно отличается от ЭОП I поколения наличием после разгонной
ВОП
фотокатода
ВОП
камеры специального усилителя электронов – микроканальной пластины (МКП). Она состоит из
нескольких миллионов
ИК
излучен
ие
счет
(5000 на мм2, ∅≈10мкм) трубочек, с внутренней поверхностью из материала
способного эмитировать 3-5 электронов при поглощении одного, т.е. умножать попавшие в него электроны, за
Фокусирующие
электроды
вторичной эмиссии и напряжения 2-3кВ между торцами пластины. Длина канала или толщина пластины
МКП
составляет 1-3 мм. Коэффициент усиления яркости таких ЭОП достигает 50000 раз, чувствительность
фотокатода 240мкА/лм, разрешение в центре 32-35 штр/мм. Ресурс ЭОП II поколения составляет не менее 1000-3000 часов.
У ЭОП II+ поколения отсутствует разгонная камера и применен фотокатод с чувствительностью 600мкА/лм, причем спектральная
характеристика смещена в ИК область.
Усиление яркости ЭОП II+ поколения - около 25000-35000, разрешение 39-45 штр/мм, ресурс - 1000-3000 часов. Из-за отсутствия
разгонной камеры ЭОП II+ поколения имеет меньший коэффициент усиления яркости, чем ЭОП II поколения. Однако, из-за особенно высокой
чувствительности фотокатода в ИК диапазоне в большинстве случаев в приборы II+ видно на открытой местности лучше, чем в приборы с ЭОП
поколения II. Если же основная задача – ночная фото- или видеосъёмка, то выбор следует остановить на ЭОП II-ого поколения с большим
коэффициентом усиления яркости.
Приборы поколения II и II+ имеют: автоматическую регулировку яркости экрана, защиту от превышения общего уровня яркости,
защиту от боковых и прямых засветок точечными источниками света, хорошее качество изображения без искажений по всему полю зрения.
Микроканальная
пластина
Фотокато
д
Анод
Балло
н
ВУНы анода, МКП,
Экран
Фокусирующий
электрод
Они хорошо работают при очень низких условиях освещенности, соответствующих звездному небу и
звездному небу в легких облаках. Их относятся к классу профессиональной техники и до настоящего
времени ставят на вооружении большинства западных стран.
ЭОП III поколения принципиально отличается от ЭОП II+ поколения
высокоэффективным полупроводниковым фотокатодом на основе арсенида галлия, с
ещё большим смещением пика чувствительности в ИК область.
Основные параметры ЭОП III поколения:
Чувствительность фотокатода – 1500мкА/лм;
Коэффициент усиления – 35000
Разрешающая способность 50 штр/мм
Ресурс работы составляет 10000 часов, что в 3 раза больше, чем у ЭОП II+ поколения.
Приборы на базе ЭОП III-ого поколения очень хорошо работают в условиях предельно низкой освещенности. Картинка в приборе
насыщенная, четкая, с хорошим контрастом и проработкой деталей. Единственный небольшой недостаток – отсутствие защиты от боковых
источников света, так как отсутствует волоконно-оптическая шайба на входе ЭОП. В связи с этим не рекомендуется использовать приборы IIIого поколения, для работы в городских условиях. Стоимость приборов на ЭОП III-ого поколения в 1,5 - 2,5 раза выше, чем на II+ поколения.
ЭОП с ПЗС – IV поколение ЭОП и ПНВ. Приборы, в которых изображение, получаемое с помощью ЭОП, преобразуется ПЗС –
матрицей в видеосигнал и может наблюдаться на дисплее. Дисплей в таких приборах может быть либо разнесен с сенсорным блоком
(объектив+ЭОП+ПЗС) на расстоянии до 100м и более, либо в миниатюрном исполнении может быть размещен перед глазом (или глазами)
наблюдателя. Связь дисплея с сенсорным блоком может быть проводной или с помощью миниатюрного телевизионного передатчика. В
последнем случае изображение может приниматься по одному из каналов обычного телевизионного приёмника. Принципиально новая
компоновка таких ПНВ с «развязанным» индикатором позволяет выделить их в новое, IV поколение ПНВ (предыдущие поколения
«нумеруются» по поколениям используемых в них ЭОП).
Наиболее перспективными являются ЭОП, в которых матрица ПЗС помещается внутри ЭОП, перед экраном и возбуждается с
тыльной стороны непосредственно электронным пучком, несущим информацию об изображении. При этом исключаются потери на
преобразование энергии электронов в световую и ее перенос через оптику или фокон. (фокон - «стыковка» ЭОП+ПЗС через оптику переноса на
ПЗС). Однако технологическое совмещение в одном вакуумном объёме ЭОП и ПЗС, а также получение тонкой ПЗС являются очень сложными
задачами.
Тепловые приемники излучения
В тепловых ПИ облучение вещества приемника приводит к повышению его
89
температуры, что в свою очередь приводит к изменению электрических свойств
вещества ПИ (это может быть появлением ЭДС или изменением электрического
сопротивления).
Спектральная чувствительность тепловых ПИ постоянна в широком
диапазоне длин волн, т.к. энергия фотонов преобразуется в тепло неселективно.
Для увеличения чувствительности ПИ покрывают тонким слоем черни,
приближая условия поглощения потока излучения к идеальным (как в абсолютно
черном теле).
Реальные ПИ имеют все же ограниченный спектральный интервал работы,
ограничиваемый проницаемостью материала приемного элемента, пропусканием
окна ПИ, ростом коэффициента отражения материала в области больших длин
волн.
Тепловые ПИ делятся на несколько групп:
термоэлементы,
акустические
болометры,
ПИ,
оптико-
пироэлектрические
ПИ,
приемники на термоупругом эффекте.
Болометры
Принцип действия болометра основан на изменении электрического
сопротивления полупроводника или металла при изменении его температуры под
действием падающего на него излучения.
Чувствительный слой болометра выполняют обычно в виде металлической
или полупроводниковой пленки, представляющей собой термосопротивление.
Конструктивно чаще всего болометры содержат два термочувствительных
сопротивления, на одно из которых поступает поток излучения, а второе (без
облучения) служит для компенсации изменения температуры окружающей среды.
90
Относительное изменение сопротивления болометра
∆R
= α Т ⋅ ∆Т
R
Здесь ∆Т—изменение температуры [°K],
αТ—температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
ТКС
для
металлов
в
широком
диапозоне
температур
обратно
пропорционален температуре
αТ =
1
.
Т
Для комнатной температуры (300К) α Т =
Для полупроводников
αТ =
 1 
1
= 0,0033

300
 град 
− 3000
(отрицателен) и при комнатной
Т2
температуре
 1 
 , что на порядок больше, чем у металлов.
 град 
α Т = 0,033
Зарисуем устройство болометра.
6—входное отверстие;
7—стеклянная полусфера с внутренним зеркальным
покрытием, уменьшающим потери излучения
8—чувствительный элемент;
Устройство чувствительного элемента
11—диафрагма (защитная);
12—сурьмяная или золотая чернь;
9—чувствительный слой (сплав висмута со свинцом);
10—электроды;
13—нитролаковая подложка;
91
14—черненая заслонка (поглощающая прошедшее мимо чувствительного
элемента излучение).
Чувствительный элемент 8 находится за зеркальной стеклянной полусферой
7, с входным отверстием 6. часть излучения, отраженная от чувствительного
элемента, возвращается зеркальной полусферой обратно на чувствительный
элемент.
Чувствительный элемент состоит из слоя 9 (сплав висмута со свинцом),
напыленного на нитролаковую подложку 13, слой покрыт чернью 12.
Перед чувствительным слоем установлена черненая диафрагма 11,
защищающая электроды 10 от попадания излучения.
Позади чувствительного элемента установлена черненая заслонка 14 для
поглощения излучения, прошедшего мимо чувствительного элемента.
Болометр работает в области спектра 0,3—20 мкм.
Коэффициент
поглощения
чувствительного
элемента
составляет
0,996÷0,998, интегральная чувствительность—0,3 В⁄Вт.
Болометрам присущи тепловой, токовый и радиационный шумы. У
металлических преобладает тепловой шум, у полупроводниковых—токовый.
Болометры включаются в электрическую цепь подобно фоторезисторам, как
последовательно с Rn, так и по мостовой схеме.
Для достижения максимальной интегральной вольтовой чувствительности
Rn=Rболометра.
92
В качестве материалов для металлических болометров используют платину,
никель, золото; для полупроводниковых—сплавы окислов никеля, кобальта,
марганца.
Металлические
болометры
часто
подключаются
через
трансформаторный вход, т.к. у них очень малое собственное сопротивление.
Термоэлементы
В основе принципа действия термоэлемента (ТЭ) лежит принцип
термопары—термоэлектрический эффект Зеебека, который заключается в
появлении ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников при
нагревании места их спая (падающим потоком излучения).
У различных пар материалов значения термо-ЭДС неодинаковы. Для
изготовления
ТЭ
используются
различные
материалы
(металлы,
полупроводники).
Для сравнения пар пользуются удельной термо-ЭДС, возникающей при
единичном температурном перепаде:
∆U T = α Т ⋅ ∆Т
∆UТ—термо-ЭДС, возникающая при нагреве спая до температуры ∆Т; αТ—
коэффициент термо-ЭДС, численно равный ЭДС при разности температур 1°С.
Удельная термо-ЭДС металлических ТЭ составляет величину от единиц до
десятков мкВ⁄°С, у полупроводниковых ТЭ—значительно выше.
Схема включения ТЭ
На спай падает поток излучения ∆Ф, вызывая
разность
температур
∆Т
и
разность
потенциалов
(напряжение)
∆U T = α Т ⋅ ∆Т
93
Интегральная вольтовая чувствительность выражается:
SUиин =
∆U T
= αТ ⋅ α
σТ
∆Ф
Здесь α—коэффициент поглощения, σТ—полная термическая проводимость
спая [Вт/К].
Увеличить α можно чернением спая, а уменьшить σТ—вакуумированием и
конструкцией Ч.Э.
Интегральная вольтовая чувствительность металлических ТЭ находится в
пределах 3-5 В⁄Вт, чувствительность полупроводниковых ТЭ 30-50 В⁄Вт,
постоянная времени металлических ТЭ 0,1÷2с, полупроводниковых ТЭ 0,04÷0,1с.
Значение пороговых потоков ТЭ лежат в пределах 10-8—10-11Вт по любому
излучателю, т.к. они неселективны.
Основными шумами ТЭ являются тепловой и радиационный.
Качество работы ТЭ наиболее полно определяет его КПД—отношение
мощности, полученной на сопротивлении нагрузки к мощности излучения,
падающего на ТЭ
RТЭ =
Р
Ф
Обычно для ТЭ RТЭ не превосходит долей процента для металлов и единиц
процентов для полупроводников.
Пироэлектрические приемники
Пироэлектрическим
приемником
излучения
называется
тепловой
неселективный приемник, основанный на появлении поверхностных зарядов на
гранях пироэлектрического кристалла при изменении температуры кристалла,
вызванной его облучением лучистым потоком.
К пироэлектрическим кристаллам принадлежат кристаллы титаната бария,
триглицина сульфата…
Существуют пироэлектрические ПИ продольного и поперечного типов.
94
Вольтовая чувствительность ПИ на основе титаната бария 100 В⁄Вт при
Rn=10ГОм, Фп=5·10-9Вт/Гц
Приемники на термоупругом эффекте
В ПИ используется термоупругий эффект в кристаллическом кварце.
Устройство ПИ
3
2
1—поглощающее покрытие;
4
2—токопроводящее покрытие;
3—кварц;
4—теплоотводящий демпфер.
1
Rн
К
теплоотводящему
кристаллического
кварца
демпферу
3
4
толщиной
приклеена
0,1мм,
тонкая
на
пластинка
которую
из
нанесено
токопроводящее покрытие 2 и поглощающее покрытие 1. фактически это
конденсатор с обкладками 2 и 4 и диэлектриком 3.
При облучении ПИ модулированным излучением в кварце возникают
механические напряжения и на контактах 2 и 4 возникает разность потенциалов.
Если бы излучение было постоянным (не меняющимся), то система пришла бы в
тепловое равновесие и сигнал бы пропал.
Спектральный диапазон работы ПИ 0,4-20мкм, динамический диапазон 10
мкВт/см2÷300 Вт/см2, постоянная времени ∼10-6с.
95
Оптико-акустические приемники (ОАП)
Принцип работы ОАП заключается в том, что лучистый поток изменяет
температуру заключенного в специальной камере газа, который от этого изменяет
свой объем, т.к. одна из стенок
камеры выполнена в виде тонкой гибкой
мембраны, изменяя объем, газ деформирует мембрану, что регистрируется
различными способами.
Селективные ОАП—это ПИ, у которых излучение поглощает сам газ и
спектральная чувствительность определяется спектром поглощения самого газа.
Рассмотрим схематическую конструкцию ОАП.
Поток
прерываемый
излучения,
модулятором,
поступает через окно 2 в
объем газа 4, заключенный в
камере
противоположного
конца
гибкую
мембрану
5,
3,
имеющей
перемещение
с
которой
регистрируется микрофоном 6, сигнал усиливается усилителем 7 и поступает на
регистратор 8. Заполняя объем 4 различными газами и подавая излучение с
различными длинами волн, можно по сигналу регистрирующего устройства
провести анализ газа, находящегося в объеме. В ближней и средней ИК-областях
такие
приемники
интереса
не
представляют,
т.к.
вытесняются
более
чувствительными фотоэлектрическими ПИ, поэтому их применяют в дальней ИКобласти спектра. В неселективных приемниках устанавливается дополнительная
поглощающая излучение мембрана 9, делящая объем на две части.
Мембрана 9, поглощающая излучение и нагреваясь, нагревает газ и
передает давление на мембрану 5, остальное происходит аналогично, как и у
селективных приемниках. ОАП используются для научных исследований в ИКдиапозоне спектра.
96
Лекция №16
Телевизионные передающие трубки.
Телевизионные трубки были разработаны и создавались для электронной
передачи изображения на расстоянии, т.е. для осуществления работы системы
телевещания. Однако, этим применение ТВ-трубок не ограничивается. Они
применяются и в автоматических ОЭ-системах, например, для поиска и
определения координат цели пассивным (как правило, без подсветки) методом. К
телевизионным
трубкам
относятся
трубки
на
внешнем
фотоэффекте
–
суперортикон, диссектор и трубки на внутреннем эффекте – видикон, ПЗС, ПЗИ –
матрицы.
Суперортикон.
Представляет собой передающую электронно-лучевую телевизионную
трубку с переносом изображения.
Состоит из стеклянной колбы 1, на внутренней стороне переднего окна которой
нанесен фотокатод (полупрозрачный);ускоряющего цилиндрического электрода 3,
фокусирующих катушек 4 и 8, мишени 5, ускоряюще-фокусирующих электродов
6,7 и 9, электронной пушки с анодом 10, вторично-электронного умножителя с
динодами 11 и анодами 12.
97
Работа суперортикона.
Объект фокусируется оптической системой на фотокатод 2. Здесь
оптическое изображение преобразуется в электронное и переносится ускоряющим
полем электрода 3 на лицевую поверхность мишени 5, состоящей из очень
тонкого полупроводящего стекла толщиной 5-10мкм. На обратной стороне
мишени 5 за счет электростатической индукции возникают электрические заряды,
создающие
потенциальный
рельеф,
соответствующий
распределению
освещенности по передаваемому изображению.
Электронная пушка с анодом 10, имеющим небольшое (порядка 50мкм)
выходное отверстие образует тонкий электронный луч, падающий на мишень,
который под действием развертывающих катушек 4 и 8 последовательно
просматривает по строкам сверху донизу потенциальный рельеф мишени 5.
Проходя
по
различно
заряженным
точкам
мишени
электронный
луч
компенсирует различные положительные заряды этих точек, таким образом заряд
мишени,
при
этом
в
луче
протекает
ток,
пропорциональный
зарядам
потенциального рельефа мишени 5.
Следует сказать, что ускоряющее поле электродов 6, 7 и 9 направлено
навстречу электронному пучку лучей, так что к мишени электронные пучки
подлетают с нулевой скоростью (т.е. практически теряют свою кинетическую
энергию). Считав потенциальный барьер, луч отражается от мишени и под
действием ускоряющего поля электродов 6, 7 и 9 возвращается и попадает на анод
10,
являющийся
одновременно
первым
каскадом
вторично-электронного
умножителя. Усиливаясь на динодах 11 ВЭУ (~ в 1000 раз), видеосигнал попадает
с анода ВЭУ 12 на сопротивление нагрузки Rн, с которого и снимается на
дальнейшую обработку.
Суперортикон обладает очень большой чувствительностью по сравнению с
обычными передающими ТВ-трубками; его чувствительность приближается к
порогу чувствительности человеческого глаза.
Суперортикон является одним из типов ТВ-трубки с так называемым
98
накоплением сигнала. Это означает, что пока электронный луч снимает заряд с
какой-либо точки мишени, в остальных точках происходит накопление заряда
(время накопление равно времени сканирования кадра). Накопление значительно
повышает отношение сигнал/шум этого прибора.
Недостатком суперортикона является сложность его конструкции и
довольно большой уровень собственных шумов.
Видикон
Видикон является передающей телевизионной трубкой, в которой для
преобразования лучистой энергии в электрическую используется внутренний
фотоэффект.
Видикон обладает почти такой же чувствительностью, как и суперортикон, но
меньше по габаритам (150х25мм) и проще по конструкции.
Схема видикона
Видикон состоит из стеклянной колбы 5 с прозрачным входным окном 1, на
которое нанесена полупрозрачная металлическая пленка-электрод, поверх
которой нанесено фотосопротивление-мишень; катушек 3 для фокусировки и
развертки электронного луча 2; электронной пушки 4.
При работе видикона при отсутствии облучения мишени электронный луч 2,
испускаемый прожектором 4, последовательно проходя все точки мишени,
99
заряжает элементы мишени, которые можно представить как элементарные
конденсаторы.
Когда оптическая система строит изображение объекта на мишени, то
вследствие различной облученности и сопротивления в точках мишени
становится различным, при этом скорость разряда элементарных конденсаторов
будет различна. При этом на мишени образуется потенциальный рельеф.
Последовательно перемещаясь, электронный луч 2 производит повторную
зарядку точек мишени, при этом в каждой точке ток электронного луча зависит от
степени разреженности мишени в этой точке.
Ток луча (ток перезарядки мишени) будет протекать по сопротивлению
нагрузки и создаст на нем выходной сигнал, соответствующий изображению на
мишени.
Современные видиконы позволяют получать удовлетворительное
изображение при освещенности фотокатода в несколько люкс.
Разрешающая способность видиконов диаметром 26 мм (9х12 мм - размер
кадра, диагональ 15 мм) составляет 450-600 строк, а при диаметре 40 мм
(диагональ 25 мм) – 1000-1200 строк.
Недостатком видикона является значительная инерционность, и она
увеличивается с уменьшением освещенности. Например, при Е= 1000 лк
остаточный сигнал через 40мс (во втором кадре) ≤ 10%, а при Е= 10 лк – 40%.
Это проявляется на изображении в виде тянущегося следа за движущимся
объектом, в виде размывания изображения, потери четкости и снижении
контрастности.
В последнее время вместо фотопроводящей мишени стали применять
матрицу, состоящую из большого количества миниатюрных кремниевых
фотодиодов. Такие видиконы имеют значительно меньшую инерционность при
низких уровнях освещенности. Они называются кремниконы.
Диссектор
100
Диссектор – это передающая электронно-лучевая трубка с использованием
внешнего фотоэффекта, в которой сфокусированное электронное изображение,
полученное с фотокатода, развертывается относительно неподвижного отверстия
или щели путем электронного отклонения.
Рассмотрим схематично конструкцию диссектора.
Диссектор состоит из стеклянной колбы со входным окном; фотокатода 3;
развертывающей катушки 4; фокусирующей катушки 5; диафрагмы 7; динодов
ВЭУ 9; анода 10.
При работе диссектора оптической системой 2 строится изображение
предмета 1 на фотокатоде 3. Под воздействием освещенности фотокатода от
изображения возникает эмиссия фотоэлектронов, число которых в каждой точке
фотокатода пропорционально его освещенности. Фокусирующаяся катушка 5
строит в плоскости диафрагмы 7 электронное изображение 6, часть электронов от
электронного изображения 6 попадает через отверстие диафрагмы 7 на динодную
систему 9 и, умножившись, - на анод 10. Размер отверстия 11 в диафрагме 7
определяет мгновенное угловое поле прибора. Общее угловое поле прибора
определяется размером фотокатода 3. Для просмотра всего поля (изображения)
под действием отклоняющих катушек 4 электронное изображение 6 перемещается
относительно отверстия неподвижной диафрагмы 7 построчно и по кадру с
101
необходимой частотой.
При таком сканировании анодный ток
в каждый момент времени будет
зависеть от освещенности участка фотокатода, «вырезанного» отверстием 11
диафрагмы 7.
Большинство параметров и характеристик диссектора аналогичны ФЭУ,
однако пороговый поток диссектора выше на 30% по сравнению с ФЭУ из-за
добавления шумов системы сканирования. Для диссектора необходимо правильно
подбирать режим питания, т.к. от этого зависит его чувствительность.
Следует
отметить,
что
диссектор
проигрывает
по
пороговой
чувствительности суперортикону и видикону, т.к. они накапливают сигнал за
время между кадрами, тем самым значительно повышая, по сравнению с
диссектором, отношение сигнал/шум.
102
Лекция №17
Прохождение излучения через атмосферу.
Прохождение излучения через толщу однородного поглощающего, но не
рассеивающего вещества описывает закон Бугера или Бугера-Ламберта
Ф
е
= Ф
ое
е
− a 'x
Фе - световой поток в сечении с координатой x;
Фое - световой поток в плоскости с координатой 0;
a ' - натуральный показатель поглощения вещества для длины излучения λ.
Закон позволяет найти коэффициент пропускания слоя вещества толщиной х:
τ =
'
Фе
= е −a x .
Ф0
Для практических расчетов целесообразно это соотношение выразить через
степень 10:
τ = 10−0434⋅a x = 10− a x ,
x
'
здесь α – десятичный показатель поглощения вещества.
К сожалению, использование закона Бугера-Ламберта в практических
расчетах пропускания атмосферы осложняется рядом обстоятельств:
- непостоянство показателя поглощения по всей трассе распространения
излучения.
- непостоянство показателя поглощения в спектральном диапазоне.
Другие газы, содержащиеся в атмосфере (СО, СН4) мало влияют на
прохождение излучения.
В виде аэрозолей в атмосфере присутствуют пыль, частицы биологического
происхождения, кристаллы льда, капли воды и т.д., достигая высоту 100км.
Можно считать, что концентрация аэрозолей убывает по экспоненте до высот 5-6
км., относительно постоянна в верхних слоях тропосферы и имеет резко
выраженный максимум на высотах 15-23 км. Радиусы частиц аэрозоля могут
103
меняться в широких пределах – от 4·10-3мкм до 0,2 мм.
Прохождение монохроматического излучения через атмосферу.
Наиболее поглощающей примесью в составе атмосферы являются пары воды
(Н2О), содержание которой в атмосфере может изменяться в широких пределах.
Основной мерой концентрации паров воды является абсолютная влажность
– масса воды в граммах на 1 см3 объема воздуха при определенных температуре и
давлении. Более удобной мерой служит относительная влажность – отношение
абсолютной влажности в определенных условиях к абсолютной влажности в этих
же условиях при насыщении объема.
Мерой, определяющей суммарное поглощение излучения на трассе, является
количество осажденной воды, которое можно найти по относительной влажности
и длине трассы. Оно характеризуется толщиной слоя воды, образовавшейся при
конденсации паров в цилиндре, длина которого равна длине трассы.
Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено двумя основными
процессами:
- поглощение излучения газами, находящимися в атмосфере, в результате
которого происходит преобразование энергии излучения в другие её виды
(тепловую);
-
молекулярным
и
аэрозольным
рассеянием,
состоящим
в
изменении
104
направленности излучения.
Принято рассматривать атмосферу как среду, состоящую из смеси газов,
водяного пара и мельчайших взвешенных частиц, называемых аэрозолем.
Двухатомные молекулы азота и кислорода, из которых, в основном, состоит
атмосфера, не имеют полос поглощения в видимой и ИК-областях спектра.
Рассеяние излучения на этих молекулах также невелико.
Содержание водяного пара в атмосфере может сильно изменяться (от 10-5 до 4,5
% по объёму). Так, с понижением температуры количество водяного пара заметно
убывает. Основное его количество содержится на высотах до 5 км.
Углекислый газ обычно содержится в атмосфере в меньших количествах, чем
пары воды, средняя его концентрация сохраняется до высот около 20 км (по
объёму 0,03 %).
Концентрация озона изменяется с высотой довольно сложно, резко повышаясь
на высотах 22 ÷ 27 км и понижаясь практически до нуля на высотах свыше 40 км.
В приземном слое средняя концентрация озона составляет 2,7·10-6 % по объёму.
Удобной характеристикой влажности атмосферы становится приведённая
толщина слоя осаждённой воды на километр трассы ω’. Она связана с
относительной влажностью ƒ и абсолютной влажностью насыщенных паров а Н
соотношением
ω ' = 10 5 а Н f , [см/км].
Если абсолютная и относительная влажность на трассе постоянны, то полное
количество осаждённой воды выражается
ω = ω ' LТ , [см],
где LТ – длина трассы в км.
Абсолютную влажность находят по рис.
105
Зависимость толщины слоя осажденной воды насыщенного пара от температуры и абсолютная
влажность воздуха на уровне моря
Относительная влажность зависит от метеоусловий в данном месте.
В ряде случаев можно оценить изменение влажности по высоте из
эмпирического выражения
а Н = а 0 ⋅ 10 0 , 2 Н ,
где а 0 – влажность на уровне моря; а Н – влажность на высоте Н.
Полосы поглощения водяного пара находятся в областях длин волн:
0,498 – 0,5114; 0,542 – 0,5478; 0,567 – 0,578; 0,586 – 0,606; 0,628 – 0,7304; 0,926 –
0,978; 1,095 – 1,65; 1,319 – 1,348; 1,762 – 1,977; 2,520 – 2,845; 4,24 – 4,40;
5,25 – 7,50 мкм.
106
Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе протяженностью 1,8 км на уровне моря при
толщине слоя осажденной воды 17 мм
В отличие от паров воды углекислый газ распределяется в атмосфере более
равномерно, его концентрация 0,03 – 0,04 % и не зависит от высоты.
Исходной характеристикой при расчёте пропускания служит концентрация СО2
W в атмосферных сантиметрах, показывающая длину пути, на котором
содержится то же число молекул газа, находящегося при атмосферном давлении,
как в столбе произвольной длины и произвольного давления.
Концентрацию СО2 для горизонтальной трассы на уровне моря можно выразить
W = (3 ÷ 4) ⋅ 10 −4 ⋅ LТ .
Полосы поглощения углекислого газа лежат в областях длин волн:
1,38 – 1,5; 1,52 – 1,67; 1,92 – 2,1; 2,64 – 2,87; 4,63 – 4,95; 5,05 – 5,35;
12,5 – 16,4 мкм.
В вышеприведённую формулу вводят поправку на изменение температуры и
давления переходом к эквивалентному значению длины трассы
LЭ =
РВ
273
⋅
⋅ LТ ,
1,3 ⋅ 760 ⋅ 10 −6 Т В
где РВ – давление воздуха, [Па]; Т В – температура воздуха, [К].
С увеличением высоты, давление падает, и полосы поглощения становятся уже,
пропускание увеличивается. Это учитывают также с помощью эквивалентной
107
длины трассы
Р
LЭ = LТ  Н
 РО
т

 ,

где РН – давление на высоте; Р0 – давление на уровне моря; m = 0,5 для паров
воды и m = 1,5 для СО2.
Озон имеет следующие полосы поглощения: 0,6; 4,6 – 4,954; 8,3 – 10,6; 12,1 –
16,4 мкм.
Влияние озона на пропускание атмосферы учитывают для трасс, проходящих в
атмосфере (на высоте 10 ÷ 30 км).
Таблица 2.1
 РН
Поправки 
 Р0
m

 на высоту

Высота
Для во -
Для уг -
Высота
Для во -
Для уг -
Высота
Для во -
Для уг -
Н, км м
дяных
лекис -
Н, км
дяных
лекис -
Н, км
дяных
лекис -
паров
лого газа
паров
лого газа
паров
лого газа
0,3
0,981
0,940
2,4
0,852
0,620
15,0
0,348
0,042
0,6
0,961
0,833
2,7
0,835
0,580
18,0
0,272
0,020
0,9
0,942
0,840
3,0
0,819
0,548
21,0
0,214
0,010
1,2
0,923
0,774
4,5
0,739
0,404
24,0
0,167
0,005
1,5
0,904
0,743
6,0
0,670
0,299
27,0
0,134
0,002
1,8
0,886
0,699
9,0
0,552
0,168
30,0
0,105
0,001
2,1
0,869
0,660
12,0
0,441
0,085
Рассеивание излучения атмосферой
Поток излучения в атмосфере ослабляется также за счет рассеивания на
молекулах воздуха и на аэрозолях. На молекулах воздуха излучение рассеивается
в видимой и ближней ИК-области. Голубой цвет неба является следствием
рассеяния коротковолновой части спектра. Красный цвет заходящего Солнца
(ослаблена голубая часть спектра) также является следствием рассеяния. Условия
пропускания (из-за рассеяния) ИК-излучения намного лучше, чем видимого и для
108
λ≥10мкм рассеянием можно пренебречь.
Рассчитать
рассеяние
излучения
с
использованием
теоретических
положений практически невозможно из-за постоянно меняющегося состава
аэрозолей. Поэтому рассеивание потока излучения в окнах пропускания
атмосферы
учитывают
на
основании
результатов
экспериментальных
исследований, которые показывают, что с учетом всех видов рассеивания
пропускание атмосферы для монохроматического излучения, зависит от длины
волны излучения и метеорологической дальности видимости.
Метеорологическая дальность видимости характеризует замутненность
атмосферы и представляет собой наибольшую дальности видимости днем темных
предметов с угловыми размерами 30′, проектирующимися на фоне неба у
горизонта.
В таблице дана международная шкала видимости.
Метеорологическая
Балл
Видимость
дальность
Условия наблюдения
видимости,
км
0
0,005
0,05—0,2
Сильный туман, очень густой снег
2
0,2—0,5
Умеренный туман, сильный снег
3
0,5—1
1
Очень плохая
Очень сильный туман
Плохая
4
Слабый туман, умеренный снег или
сильная дымка
1—2
Умеренный снег, сильный дождь или
умеренная дымка
5
2—4
Средняя
6
Слабый
снег, сильный дождь или
слабая дымка
4—10
Умеренный дождь, очень слабый снег
109
или слабая дымка
7
Хорошая
10—20
Без осадков, слабый дождь
8
Очень хорошая
20—50
Без осадков
9
Исключительная
50
Совершенно чистый воздух
Для определения пропускания атмосферой монохроматического потока для
реальной трассы, обозначаемого τр используют следующее соотношение
τ р = (τ рэ )
LT
1,83
Здесь
⋅ 0,998 −(17−ϖ )
LТ—длина
трассы,
км;
ω--
количество
осажденной
τрэ—
воды,
экспериментально определенное пропускание атмосферы при рассеивании при
различных λ и l.
Значение τрэ берется из графика.
Экспериментальные
коэффициента
значения
рассеивания
спектрального
для
трассы
протяженностью 1830 м при ω=17 мм при
разных значениях метеорологической дальности
видимости (км): 1—1,5; 2—4,5; 3—6,1; 4—7,7;
5—10,2; 6—14,5; 7—16,0; 8—31,5; 9—64,0.
Пропускание атмосферы для конкретного (монохроматического) излучения.
Для оценки пропускания излучения лазеров необходимо точно знать
положение линий поглощения в спектрах атмосферных газов, поскольку лазеры
имеют малую спектральную ширину излучения.
На рисунке приведен тонкий спектр поглощения солнечного излучения в
диапазоне длин волн рубинового лазера (0,6934—0,6943 мкм). Там же дана шкала
температур кристалла, обеспечивающих настройку лазера в спектральном
интервале.
Длина волны лазера должна лежать в окне прозрачности. В этом случае
затухание потока излучения будет определяться только рассеянием.
110
Высокая монохроматичность излучения позволяет использовать для
расчетов закон Бугера-Беера
Фе = Фе 0 ⋅ е −αLT
Здесь LТ—длина трассы, α—показатель затухания [км-1]
Показатель затухания определяют с помощью метеорологической дальности
видимости (МДВ) l
Для чистой атмосферы (l>10км)
−n
3,91  λ 
1
α (l ) =

 , n = 0,585l 3
l  0,55 
В условиях дымки и тумана показатель затухания определяется из таблиц, где α1
и α2—показатели затухания излучения с длиной волны 10,6 и 1,06 мкм
соответственно, ω—видность в мг/м3
Зависимость показателя затухания от метеорологической дальности в условиях
дымки
l, км
α1, км-1
α2, км-1
l, км
α1, км-1
α2, км-1
10
0,04
0,7
4-5
0,095
1,7
9-10
0,043
0,78
3-4
0,13
2,3
111
8-9
0,048
0,87
2-3
0,193
3,5
7-8
0,055
0,9
1-2
3,4
10
6-7
0,064
1,1
0,5-1
11
27
5-6
0,078
1,4
0,5
11
27
Зависимость показателя затухания от метеорологической дальности в условиях
тумана
l, км
ω, мг/м3
α1, км-1
α2, км-1
0,75
5
0,9
4,0
0,55
10
1,8
5,5
0,35
20
5,0
8,5
0,35
90
10,0
12,0
0,15
180
20,0
10,0
В случае дождя показатель затухания рассчитывают по формуле
α = 0,9 ⋅ J 0, 74 , дБ км


Здесь J—интенсивность дождя [мм/час].
Поскольку радиус рассеивающих частиц много больше длины волны излучения,
то показатель затухания не зависит от λ.
Пропускание атмосферы в спектральных интервалах.
Мы рассмотрели закономерности, определяющие поглощение и рассеяние
в атмосфере для монохроматического излучения в конкретных условиях.
Для определения пропускания атмосферы в достаточно широких
интервалах
используется
ряд
расчетных
методов,
базирующихся
на
экспериментально полученных материалах.
Каждый из этих методов разрабатывался с определенными допущениями.
112
Поэтому метод расчета для решения конкретной задачи надо выбирать из условия
справедливости этих допущений для поставленной задачи.
Рассмотрим метод Эльдера-Стронга.
Разработан для расчета пропускания трасс большой протяженности.
Расположенных в нижних и средних слоях атмосферы. Метод базируется на том,
что пропускание атмосферы определяется в районе окон прозрачности. Также
принимается, что изменение коэффициента поглощения определяется только
параметрами воды, что позволяет использовать только один изменяющийся
параметр ω—толщину слоя осажденной воды.
Метод базируется на экспериментальной формуле для определения
пропускания в конечном спектральном интервале
τ ∆λ = t 0 − k1 lg ω
(1)
t0 и к1—коэффициенты, зависящие от спектрального интервала, ω-- толщина слоя
осажденной воды (водность), [мм].
Значения коэффициентов берут из таблицы 2.5
Таблица 2.5
Номер
Спектральный
к1
t0
интервала
интервал, мкм
I
0,7—0,92
15,1
106,3
II
0,92—1,1
16,5
106,3
III
1,1—1,4
17,1
96,3
IV
1,4—1,9
13,1
81,0
V
1,9—2,7
13,1
72,5
VI
2,7—4,3
12,5
72,3
VII
4,3—5,9
21,2
51,2
113
Область применения λ=0,7÷5,9мкм, LТ>2км.
Исходными данными для расчета являются: спектральная плотность
энергетической
пропускания
светимости
источника
оптической
системы
Меλ,
τ0λ,
спектральный
относительная
коэффициент
спектральная
чувствительность приемника излучения Sλ.
Необходимые
параметры
трассы
для
определения
ее
водности:
температура Т, относительная влажность f, высота Н и длина LТ трассы.
Расчет начинается с определения водности (толщина осажденного слоя
воды) ω. Зная ω, по формуле (1), используя коэффициенты t0 и к1 из таблицы 2.5,
определяют пропускание атмосферы в используемых спектральных интервалах
τ∆λ. Затем рассчитывают эффективную светимость источника в спектральных
интервалах с учетом Меλ, τ0λ, Sλ
λk
M e∆λ = τ ∆λi ∫ M eλ ⋅ τ 0 λ ⋅ S λ ⋅ dλ
λн
Эффективную светимость источника находят как сумму его эффективных
светимостей в спектральных интервалах. Заканчивают расчет учетом ослабления
светимости
источника
из-за
рассеивания
атмосферы
в
соответствии
с
эмпирической формулой Эльдера-Стронга
n
n
i =1
i =1
M = τ p ∑ M e∆λi = 0,998ω ∑ M e∆λ i
∗
e
где ω—водность трассы в мм.
Кратко рассмотрим другие методы.
Метод Говарда, Берга и Вильямса.
Он используется для трасс небольшой протяженности.
114
По этому методу коэффициенты пропускания вычисляют отдельно для
окон пропускания и для полос поглощения. При этом в окнах учитывают только
рассеяние, а в полосах—только поглощение. Здесь в качестве поглотителя
принимают во внимание не только пары воды, но и углекислый газ.
Здесь рабочий интервал также разбивают на участки: полоса поглощения
Н2О, полоса поглощения СО2, окно пропускания. Затем по специальной методике
отдельно рассчитывают пропускание в этих участках.
Метод стандартной атмосферы.
Используют, когда источник излучения имеет сложный спектральный
состав, появляются дополнительные механизмы поглощения, расчеты другими
методами дают большую ошибку.
Метод основан на экспериментальных данных, на наличии большого
числа измеренных характеристик спектрального пропускания трасс различной
дальности при различных условиях.
Весь спектральный интервал разбивается на достаточно малые участки и
проводят расчет по этим участкам также по специальной методике.
Список литературы
1. Андреев А.Н., Гаврилов Е.В., Ишанин Г.Г., Кирилловский В.К.,
Прокопенко В.Т. Оптические измерения. М.; Университетская книга; Логос, 2008. 416
с.
2. Парвулюсов Ю.Б. и др. Проектирование оптико-электронных приборов:
учеб. пособие для студентов вузов. Парвулюсов Ю.Б., Солдатов В.П., Якушенков
Ю.Г. Под ред. Ю.Г.Якушенкова. М.: Машиностроение, 1990. 432 с.
3. Креопалова Г.В., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения:
Учебник для вузов по специальностям "Оптико-электронные приборы" и
115
"Технология оптического приборостроения". Под общ. ред. Д.Т.Пуряева.- М.:
Машностроение, 1987. 264 с..
4. . Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов
оптических специальностей вузов/ Ишанин Г.Г.,Панков Э.Д., Андреев А.Л.,
Польщиков Г.В. СПб.: Политехника, 1991, 240 с.
5. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. - М.:
Энергоатомиздат, 1983. 208 с.
6. Иванов В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник
/ В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М.Юшин. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Энергоатомиздат, 1989. 448 с.
7. Аксененко М.Д., Бараночников М.А. Приемники оптического излучения:
Справочник. М.: Радио и связь, 1987. 296 с.
8. Рожин В.В. Источники оптического излучения оптико-электронных
систем: методические указания к лабораторным работам для студентов 2-го
курса. Казань: Изд. КГТУ им. А.Н.Туполева, 1995. 22 с.
9. Рожин В.В. Фотоэлектрические приемники оптического излучения на
внутреннем фотоэффекте: методические указания к лабораторным работам.
Казань: Изд. КГТУ им. А.Н.Туполева, 1995. 30 с.
Содержание
Лекция № 1……………………………………………………...…..........
3
Лекция № 2……………………………………………………...…..........
7
Лекция № 3……………………………………………………...….......... 12
Лекция № 4……………………………………………………...….......... 19
Лекция № 5……………………………………………………...….......... 27
Лекция № 6……………………………………………………...….......... 33
Лекция № 7……………………………………………………...….......... 38
Лекция № 8……………………………………………………...….......... 43
116
Лекция № 9……………………………………………………...….......... 48
Лекция № 10……………………………………………………...…........ 52
Лекция № 11……………………………………………………...…........ 58
Лекция № 12……………………………………………………...…........ 63
Лекция № 13……………………………………………………...…........ 71
Лекция № 14……………………………………………………...…........ 80
Лекция № 15……………………………………………………...…........ 86
Лекция № 16……………………………………………………...…........ 97
Лекция № 17……………………………………………………...…....... 103
Список литературы ……………………………………………………. 115
117