Источники и приёмники Излучения, страница 16

В этом выражении не учитывается рассеивание излучения на неоднородностях оптического стекла, так как оно обычно много меньше его показателя поглощения. При использовании формулы (2.22) необходимо учитывать спектральную характеристику просветленных поверхностей и зеркальных компонент. Особенно это относится к системам, работающим в синей или в ИК-области, вблизи границ пропускания оптических деталей.

Часть !! ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Глава 3 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ ПАРАМЕТРЪ| И ХАРАКТЕРИСТИКИ й 3.1. Классификация приемников излучения Элемент или устройство, предназначенное для приема и преобразования энергии оптического излучения в какие-либо другие виды энергии, называется п р н е м н и к о м о п т и ч ее к о г о и з л у ч е н и я. В дальнейшем вместо термина «приемяик оптического излучения» будем употреблять термин «приемник излучения» (ПИ).

ПИ, преобразующие невидимое рентгеновское, ультрафиолетовое или инфракрасное изображение в видимое, называют преобразователями. В данном учебном пособии рассматриваются физические ПИ, которые являются важнейшими элементами оптико-электронных приборов и осуществляют связь между его оптической и электрической частями, предопределяя технические требования к конструированию прибора в целом. Физические ПИ можно разбить на четыре группы: тепловые;~/ фотоэлектрические (на внутреннем и внешнем фотоэффекте); фотохимические и прочие, не вошедшие в первые три группы. ПИ третьей группы в пособии не рассматриваются по причине того, что они используются в основном в оптических приборах.

Т е ил о в ы е ПИ основаны на преобразовании оптического излучения сначала в тепловую энергию, а потом в электрическую и отличаются друг от друга физическими принципами работы. ПИ, основанные на изменении сопротивления чувствительного элемента под действием тепла, возникающего при падении потока оптического излучения, получили название боло»«етров, а ПИ, использующие термоэлектрический эффект, называются терл«оэлементал«и. Боло- метры и термоэлементы по типам отличаются друг от друга материалом чувствительного элемента, условиями охлаждения, конструкцией приемного элемента, газовым наполнением, изотермичностью н т. д. В настоящее время наряду с металлическими и полупроводниковыми болометрами существуют диэлектрические, основанные на температурной зависимости нмпеданса сегнетоэлектриков, использующие зависимость диэлектрической постоянной вещества от температуры. Кроме того, в последние годы появились аннзотропные термоэлементы с большой приемной площадкой, выполненной из пластинки термоэлектрически анизотропного монокристалла, и экстру- 73 зированные термоэлементы малого сечения конструкции Шварца, у которых ветви термоэлемента изготавливаются из твердых растворов.

цалориметрами называют тепловые ПИ с достаточно массивным, конструктивно развитым приемным элементом, в котором поглощенная часть падающей энергии оптического излучения преобразуется в тепло, а затем часть тепловой энергии, пропорциональная входной оптической величине, в чувствительном элементе калориметра преобразуется в сигнал измерительной информации (чаще электрический). Чувствительные элементы калориметров с электрической входной величиной делятся на термоэлектрические, термометры сопротивления и емкостные с диэлектриком на основе пироэлектрического вещества.

Калориметры можно классифицировать по динамике изменения температуры, по виду чувствительного элемента, по виду поглощения, по длительности воздействия измеряемого оптического излучения, по способу охлаждения и по конструкции. В последние годы широко стали применять пироэлгктрические ПИ, основанные на пнроэлектрическом эффекте, который заключается в том, что прн изменении температуры пироэлектрического кристалла изменяется его поляризация. Пироприемники можно также классифицировать по материалу, из которого изготавливают чувствительный элемент, по виду охлаждения, конструкции и т.

д., однако такая классификация получается слишком громоздкой, поэтому их целесообразно классифицировать по назначению. К специальным видам тепловых ПИ можно отнести оптико- акустические ПИ, основанные на расширении объема газа под действием падающего излучения, дилатометрические ПИ, тепловые преобразователи изображения и ПИ на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце. Оптико-акустические ПИ делятся на два вида: селективные, в которых поглощает сам газ, а его расширение фиксируется оптическим или емкостным микрофоном, и неселективные, в которых излучение поглощает зачерненная мембрана, нагревающая соприкасающийся с ией газ, воздействующий на оптический микрофон.

Оптико-акустические приемники классифицируют по вышеназванным видам и по типу оптических микрофонов, осуществляющих преобразование: давление газа — электрический сигнал. По принципам работы к оптико-акустическим ПИ близки дилатомегпрические ПИ, использующие тепловое расширение твердых тел под действием поглощенной части падающего потока излучения. Приемным элементом дилатометрических ПИ служит биметаллическая пластинка. Тепловые преобразователи изображения можно классифицировать по их видам и по тем физическим процессам, которые заложены в их основу. В качестве приемного элемента в ПИ на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце служит задемпфированная 74 (приклеенная на теплопроводящий элемент) пластинка кристаллического кварца Х-среза с токопроводящими электродами, один нз которых обращен к демпферу, а на другой наносится поглощающее покрытие, определяющее диапазон спектральной чувствительности приемника.

Такие приемники можно классифицировать по их назначению, виду охлаждения, конструктивным особенностям, по динамическому диапазону и т. д. Фотоэлектрические ПИ делятся на две большие группы — фотоэлектрические ПИ на основе внутреннего фотоэффекта и фотоэлектрические ПИ на основе внешнего фотоэффекта. В фотоэлектрических ПИ падающие на ПИ фотоны оптического излучения прямо взаимодействуют с его кристаллической решеткой, в результате чего освобождаются носители тока. Если освобожденные носители тока остаются в полупроводнике, то наблюдается внутренний фотоэффект, который в фото- резисторах проявляется в увеличении их электропроводности (фотопроводимости). Если внутренний фотоэффект возникает в системах, состоящих из двух различных контактирующих веществ (металла и полупроводника, двух полупроводников) при освещении приконтактной области, то возникает фото-э.

д. с, Это явление называют вентильным фотоэффектом, а ПИ, основанные на этом явлении, называют зентильными фотоэлементами, нли фотоэлементами с запирающим слоем. Если в качестве контактирующих веществ в вентц~льном фотоэлементе применить полупроводники с и- и р-проводимостью, то такой ПИ называют фотодиодом. Фото- диоды с односторонней проводимостью р — и-перехода могут работать в фотогальваническом режиме, когда прн освещении появляется фото-э. д. с., и в фотодиодном режиме с приложенным обратным напряжением, когда при освещении меняется значение обратного тока. ПИ, подобные фотодиодам, но представляющие собой системы с р — и — р-переходами и обладающие свойством внутреннего усиления фототока, называют фогпотранзисторами.

Развертывающие ПИ на основе полоски полупроводника р — п — р-типа, позволяющие получить на сопротивлении нагрузки временнбе распределение тока, соответствующее распределению освещенности на ней, получили наименование сканисторов. ПИ на р — и — р — п-структурах, переходящие при освещении из закрытого состояния в открытое в прямом направлении, называют фототиристорами. В последние годы появились матричные приемники, получившие название приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Они представляют собой периодическую структуру нз емкостных элементов на основе металл — диэлектрик — полупроводник (МДП) с последовательным переносдм зарядов. Если носители тока (фотоэлектроны), возникающие в веществе прн его освещении, эмнттируются в вакуум или газ, образуя ток во внешней цепи, то наблюдается в н е ш н и й ф о т о э ф ф е к т. 75 Простейшими ПИ на основе внешнего фотоэффекта являются вакуумные и ионные (газонаполненные) фотоэлементы (ФЭ) (вакуумные диоды) и фотоумножители (ФЭУ).