Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Дисперсия флуктуаций мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру Т» и коэффициент излучения е, на ПИ площадью А для полосы частот Ь| описывается выражением вида ЬФ =де е,МТе"ттАМ, где е, — коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПИ; а — постоянная закона Стефана-Больцмана. Поскольку ПИ является, в свою очередь, излучателем с температурой Т, то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением ЛФ = да,)гТ«ноАЛ~.
136 137 Ю.Г. Якушеиков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Глава б. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума, куфр —— /кФ, + гуф»и — — 8в,)кпА Л/(е,ф7ф + 7,„). Спектр этого шума равномерный (белый). Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы ПИ, он определяет предел чувствительности ПИ.
Часто за идеальный ПИ принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным. Дисперсия напряжения радиационного шума на выходе приемника равна У, =в, хУФ +а„,„йф и, — — г г — г где ам и а„,„— вольтовые чувствительности ПИ к излучению фона, имеющего температуру У, и излучению самого приемника с темпе- ратурой Т,„. Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого у'ш=~Ч у'. Порогом чувствительности приемника Фпв заданной полосе час- тот называется среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на ПИ модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала равно средне- му квадратическому напряжению (току) шума в заданной полосе час- тот на частоте модуляции потока: Фп=4угш/в, илн Фпш4 /эг.
(6.1) Применительно к фотоэлементам и фотоумножителям величину Фп называют эквивалентом шума. Иногда порог чувствительности ПИ характеризуют величиной, эквивалентной шумам облученности или освещенности чувстви- тельного слоЯ Егг На пРактике Фп или Еп часто опРеДелЯют, измеРЯЯ вЂ” г уровень шумов в схеме включения приемника Тх = ггвг и выходной сигнал М; заметно превышающий Тх, и соответствующий потоку Ьф или облученности ЛЕ, т.е. 138 Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Л/, в которой его измеряют, то Фп зависит от Л/. Для более удобного сравнения различных приемников введено понятие порога Фш чувствительности ПИ в единичной полосе частот — отношение величины Ф к полосе п частот: Ф Фш =-Гп~ хзГ Величина, обратная Фш, называется обнаружительной способностью приемника: В=1/Ф, Следует отметить, что этот параметр неоднозначен для различных конструкций ПИ одного и того же типа, так как для различных пло- щадейА чувствительного слоя параметры а, и Тгш непостоянны.
Поэтому более удобно пользоваться удельной обнаружительной способностью приемника: В*= а ™М Тгш Следует указать, что все перечисленные параметры рассматриваются по отношению к излучателю с одной и той же температурой и при постоянной температуре чувствительного слоя ПИ. Если Фп, П и П измеряются по отношению к монохроматическому излучению, то вводится индекс, обозначающий длину волны, например П,. Поскольку величины в и Тг являются в общем случае функция» ми длины волны Х, то и П также является функцией Х.
Наиболее часто встречается случай, когда радиационный шум гораздо меньше других составляющих шума приемника, т.е. зависимостью Тгш от Х можно пренебречь. Для этого случая П*(1)=П,'ш'~~ .(1)ш'(~~ „,. г ш ш Если же преобладает радиационный шум, например, порог чувствительности приемника определяется радиационным шумом излучения фона, поступающего на чувствительный слой («В/1Р-г)еаесаог» или «Ьаейугоипг)чкткгег) кп/гагег1ргкоког!еаеског»), то удельная обнаружительная способность П* р (Х) в этом случае определяется как * в, чгАх1/ ~Ъ Гш~~, 139 Ю.Г.
Якултенков, Теория и расчет оптико-электронных приборов В некоторых расчетах удобно пользоваться приближением, описываемым линейной зависимостью монохроматической обнаружительной способности кл от длины волны Х, т.е. где Х вЂ” длина волны, на которой Пк* принимает максимальное значение — Р „ Если на приемник падает поток от черного тела с температурой Т, имеющий спектр Ф, то зная В *для максимума Ф, можно рассчитать обнаружительную способность приемника по отношению к этому черному телу ))' л)к Фк г тт'" т)* о г— ~Ф„й1 о Если порог чувствительности ПИ определяется шумами фона, попадающего на чувствительный слой ПИ в пределах угла, который он «просматривает» (радиационный порог чувствительности Фп ), параметр В* в этих случаях находят для полусферического телесного угла 2п и пересчитывают для используемого в каждом конкретном случае угла згпн.
Например, для ПИ с квадратной чувствительной площадкой и угловым полем 2а * Е * ()ллгРЯпн) = . 1)алгР(Я). юттотпн Инерционность. Эта характеристика ПИ оценивается его постоянной времени т, в качестве которой принимают время нарастания то, д — интервал времени между точками переходной характеристики ПИ, за который сигнал на выходе ПИ изменяется при внезапном облучении от О, 1 до 0,9 своего установившегося значения при длительном облучении, или время спада тв д, — интервал времени уменьшения сигнала после прекращения облучения ПИ от 0,9 до 0,1 его установившегося значения. Постоянная времени т определяет граничнуго частоту фотоприемника Г' — частоту синусоидально модулированного потока излучения, падающего на ПИ, при которой его чувствительность снижается до значения 0,707 чувствительности при немодулированном излучении.
140 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора Сопротивление приемника. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения ПИ. Зная его, можно найти оптимальное сопротивление нагрузки ПИ. Для различных ПИ используются разные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темнооое сопротивление В, — сопротивление приемника в случае отсутствия облучения приемника. Для фотодиодов обычно приводят значение дифференциального сопротивления В, которое равно отношению малых приращений напряжения сигнала к фототоку при заданных эксплуатационных условиях, например при заданной облученности ПИ.
При согласовании приемника с последующей электронной схемой разработчику приходится учитывать величину В (или В ) при выборе типа усилителя и схемы связи приемника с усилителем. Спектральные параметры (параметры спектральной характеристики). Коротковолновая и длинноволновая границы спектральной чувствительности ПИ определяются как наименьшая и наибольшая, соответственно, длины волн монохроматического излучения, при которых чувствительность ПИ равна 0,1 ее максимального значения.
Эффективность приема излучения в диапазоне Хт...Хг можно оценить с помощью величины, называемой коэффициентом использозанпл или спектральным КПД приемника: ) в Ф„тт1 гр т ~ТФ, 1 хт где в — спектральная характеристика чувствительности ПИ; Ф спектральная плотность потока излучения, падающего на ПИ. Строго говоря, коэффициент использования можно считать параметром ПИ только в том случае, если рассматривать его по отношению к какому-то определенному источнику излучения, например, эталонному.
Геометрические, электрические и другие параметры. Для оценки конструктивных особенностей ПИ при работе его в составе ОЭП необходимо знать такие его параметры, как площадь и конфигурация чуестеительного слоя, оптические сеойстза (коэффициенты поглощения, преломления и отражения), емкость, напряжение питания (рабочее напряжение), температура чувствительного слоя и ряд дру- 141 Ю.Г.
Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных лриборов гих параметров, описывающих его свойства. Отдельные группы параметров характеризуют специфические свойства различных типов приемников, например, фоторезисторов, координатных фотоприемников и др. 6.3. Характеристики приемников излучения Зависимость, определяющая изменение какого-либо параметра приемника при изменении внешнего воздействия на него, называется характеристикой. Спектральные характеристики. Вследствие избирательности поглощения энергии излучения большинством ПИ их чувствительность к монохроматическому излучению меняется с изменением длины волны падающего потока. Эту чувствительность называют спектральной, а зависимость ее от длины волны падающего на приемник монохроматического потока излучения — спектральной характеристикой чувствительности (рис.
6.1). бб бе У,у У,в бб 42 1б 2 б б У ГУ уе (22бдб Ээнлн Рпс. 6.1. Спектральные характеристики некоторых ПИ: 1 — сернисто-кадмвевый фотореэпстор Сбй; 2 — кремниевый фотодпод; 3 — гермаппевый фотодпод; е — пеохлаждаемый фоторезистор РЬЯ Б — охлаждаемый фоторезпстор РЬЯкб  — охяаждаемый фоторезпстор 1пЯЬ,; 7 — гяубокоохяаждаемый (Т 30 К) фотореввстор Се; 8 — охяаждаемый фотопрвемпяк (фоторезпстор, фотодпод) Нзт „Сб„Те при х=0,95 и температуре охлаждения Т=ТО К; 9 — то же, прп х~,1 я температуре охлаждения Т 83 К; 10 — охлаждаемый фоторезвстор ОегАптв.
Вольтовые характеристики. Вольтовые характеристики выражают зависимости чувствительности, тока и напряжения шума, удельной обнаружительной способности и других параметров от напряжения, приложенного к приемнику. Вольтовая характеристика чувстви- 142 Глава б. Приемник излучения как звено оптико-электРонного прибора тельности в(У/ определяется при фиксированном потоке излучения, падающего на ПИ.
Зависимости параметров от мощности излучения. К ним относятся: люке-омичеекая характеристика фоторезиетора — зависимость светового сопротивлении фоторезистора от освещенности; энергетические характеристики — зависимости силы тока или напряжения сигнала от потока излучения, падающего на ПИ; световая характеристика фотоумножителя — зависимость анодного тока фотоумножителя от значения потока — и ряд других. Зная энергетические характеристики ПИ, можно легко определить его интегральную (вольтовую, токовую) чувствительность, которая является крутизной зависимости У =/(Ф) или / = /(Ф).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
