Приёмники оптического излучения

1. Т е м а № 2. «Зенитная управляемая ракета 9М39»

Занятие № 8. «Приёмники
оптического излучения».

2.

Вопросы занятия:
1- ый вопрос: Классификация, параметры и
характеристики приемников оптического
излучения.
2-ой вопрос: Одноэлементные и
многоэлементные приемники оптического
излучения.
3 – ий вопрос: Приемники оптического
излучения ОЭУ типовых образцов специальной
техники.

3. 1- ый вопрос: Классификация, параметры и характеристики приемников оптического излучения.

После попадания на вход ОЭУ ИК-излучение необходимо
преобразовать или в видимое изображение излучающего
энергию
объекта,
или
в
электрические
сигналы,
регистрирующие факт появления излучения. Устройства,
которые предназначены для приема и преобразования
энергии оптического (инфракрасного) излучения в
электрическую энергию (или в другие виды энергии),
называются приемниками лучистой энергии (ПЛЭ).
Приемники, преобразующие невидимое инфракрасное
излучение в видимое изображение объекта, получили
название преобразователей. В приемнике происходят
основные физические процессы превращения энергии
излучения в видимое глазом изображение объекта или в
электрические сигналы.

4.

Приемники ИК-излучения можно разделить на три
основные группы: тепловые, фотоэлектронные
(фотоэлектрические) и фотохимические.
Работа тепловых приемников основана на изменении тех
или иных свойств, происходящих под воздействием
падающего лучистого потока.
К тепловым приемникам относятся:
– болометры, у которых при изменении температуры
изменяется сопротивление чувствительного элемента;
– термоэлементы, использующие термоэлектрический
эффект (возникновение термоЭДС в цепи, состоящей из
термопары);
– пироэлектрические приемники, работа которых основана
на возникновении электрического заряда на поверхности
кристалла сегнетоэлектрика под воздействием падающего
лучистого потока;
– оптико-акустические приемники, работа которых основана
на свойстве увеличения объема газа при повышении
температуры.

5.

В фотоэлектрических приемниках имеет место прямое
взаимодействие между фотонами лучистого потока и
электронами материала чувствительного элемента. К таким
приемникам относятся:
– фотоэлементы и фотоумножители, работа которых
основана на внешнем фотоэффекте, когда электроны
имитируются с поверхности чувствительного слоя
(фотокатода) под воздействием падающего лучистого потока;
– фоторезисторы, работа которых основана на внутреннем
фотоэффекте, заключающемся в изменении
электропроводности при поглощении квантов энергии;
– вентильные фотоэлементы, у которых на границе
контактирующих полупроводников возникает фотоЭДС при
облучении лучистым потоком;
– фотодиоды;
– фототранзисторы.

6.

Фотохимические приемники (фотопленки), преобразуют
энергию излучения в видимое изображение в результате
химической реакции.
Приемники оптического излучения могут различаться
диапазоном спектральной чувствительности. Селективные
приемники реагируют только на кванты излучения с
определенной частотой (длиной волны), а неселективные –
на все попадающие на них кванты излучения.
Принцип действия селективных приемников заключается
в изменении их электрических свойств под воздействием
излучения только определенной частоты. К таким
приемникам относятся фотохимические и фотоэлектрические
приемники. Работа неселективных приемников основана на
преобразовании ИК-излучения сначала в тепловую энергию,
а затем в электрическую.
Тепловые приемники относятся к неселективному типу
приемников. Это означает, что тепловые приемники
одинаково чувствительны в широком диапазоне длин волн.

7.

Все приемники излучения с внутренним
фотоэффектом независимо от принципа их
действия и устройства можно охарактеризовать
рядом общих параметров и характеристик.
Параметр – это величина, единственное
значение которой характеризует определенное
свойство приемника. Параметр может быть измерен
непосредственно или вычислен по данным
измерений других величин.
Характеристика – это свойство приемника,
которое может быть описано несколькими
значениями каких-либо параметров и выражено в
виде графика или таблицы.

8.

Основными параметрами приемников
лучистой энергии являются:
– внутреннее сопротивление RТ;
– уровень шумов Um;
– постоянная времени (инерционность) ;
– интегральная чувствительность Sи;
– порог чувствительности Фп;
– обнаружительная способность D* или
нормированный порог чувствительности.
Фотоэлектронные приемники могут
характеризоваться еще величиной теплового тока.

9.

Внутреннее сопротивление приемника RT – это
сопротивление чувствительного элемента (слоя) при
отсутствии облучения. В некоторых источниках это
сопротивление называют темновым. Иногда для оценки
приемников используют кратность изменения сопротивления,
которое равно отношению величины RТ к сопротивлению
приемника при определенной освещенности и температуре
20 5 C.
Тепловое сопротивление у большинства
полупроводниковых приемников нестабильно по времени и
сильно изменяется в зависимости от окружающих условий.
Например, на рис. 1. показана зависимость темнового
сопротивления сернисто-свинцовых фоторезисторов от
температуры слоя.

10.

Из рис. 1 видно, что при охлаждении чувствительного слоя от уровня
комнатной температуры (293º К) до температуры твердой углекислоты
(195º К), внутреннее сопротивление увеличивается почти в 6 раз, а при
охлаждении до температуры жидкого азота (770К) RТ увеличивается в
100 раз. Изменение величины RТ оказывает влияние на согласование
приемника излучения с входным сопротивлением электронного блока.
Рис. 1. Изменение теплового сопротивления фоторезисторов

11.

Шумы приемника. Если приемник подсоединить к источнику питания,
то во внешней цепи всегда будут существовать колебания (флюктуации)
напряжения. Хаотические сигналы с переменной амплитудой и частотой,
случайно возникающие во внешней цепи приемника, называются шумами.
Величина шумов оценивается обычно среднеквадратичным значением его
амплитуды. Основными видами шумов являются тепловые, токовые и
радиационные.
Тепловые шумы вызываются хаотическим тепловым движением
свободных электронов. В результате такого движения число электронов,
перемещающихся в противоположных направлениях неодинаково, и эта
разница создает напряжение шума UТ.
Токовые шумы вызываются изменением сопротивления цепи
приемника при протекании темнового тока, возникающего вследствие
теплового движения электронов и их рекомбинацией с положительными
носителями заряда (дырками). На эти шумы накладываются шумы
контактов электродов.
Радиационные (фоновые) шумы Uф появляются при изменении
температуры приемника в результате теплообмена между ним и
окружающей средой (фоном). Теплообмен или изменение температуры
приводит к появлению некоторого изменяющегося во времени излучения.

12.

Постоянная времени приемника излучения характеризует его
инерционные свойства и представляет собой время, в течение которого
выходное напряжение приемника достигает 0,63 от максимума,
определяемого величиной падающего лучистого потока. Анализ
физической сущности шумов показывает, что их уровень уменьшается с
увеличением рабочей частоты. Эти частоты определяются частотой
модуляции лучистого потока. Однако верхний предел этой частоты
зависит от постоянной времени и ограничивается величиной
Fм.пред = 1 / 4 .
Порог чувствительности Фп - возможность обнаружения какоголибо теплоизлучающего объекта, удаленного от приемника, по
минимальному значению потока излучения, которое может обнаружить
приемник. Чем меньшая величина этого потока может быть
зафиксирована, тем на большем расстоянии может быть обнаружен
данный объект. Минимальная интенсивность падающего на
приемник излучения, вызывающая на его выходе сигнал, равный
напряжению шумов, называется порогом чувствительности
приемника Фп, всегда можно вычислить значение D* и наоборот:
Фп = 1/D*.

13.

Для оценки приемников независимо от площади чувствительного
элемента введено понятие обнаружительной способности приемника
D*, которая представляет собой величину, противоположную порогу
чувствительности, измеренному при df = 1 Гц и приведенному к единичной
величине приемной площадки.
Интегральная чувствительность Sи - это величина реакции
приемника на изменение потока излучения. Она определяется как
отношение величины реакции приемника (изменения амплитуды
выходного напряжения) Uс к вызвавшему его изменению потока
излучения Ф. Современные приемники обладают Su = Uс/ Ф до 10000
В/Вт.
Спектральная характеристика. Изменение величины одного из
параметров приемника (порога чувствительности, величины фототока iф и
т.д.), в зависимости от длины волны принимаемого монохроматического
излучения, называется его спектральной характеристикой. Спектральная
характеристика приемника определяет возможность обнаружения того или
иного воздушного объекта.

14.

Частотная характеристика (рис.2) определяет зависимость
чувствительности приемника от частоты модуляции лучистого потока.
Рис. 2 Частотная характеристика германиевого
фотодиода

15.

Энергетическая (световая) характеристика. Энергетическая
характеристика выражает зависимость изменения амплитуды сигнала на
выходе приемника от величины падающего светового потока.
Существует оптимальная величина питающего напряжения, при которой
отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника имеет максимальную
величину. Увеличение или уменьшение этого напряжения резко ухудшает
соотношение сигнал/шум. Поэтому подобные характеристики для всех
типов приемников определяют оптимальное или допустимое значение
напряжения на приемнике.
Температурная характеристика определяет изменение
параметров приемника в зависимости от температуры чувствительного
слоя. Внутреннее сопротивление фоторезисторов изменяется при
снижении температуры слоя. Охлаждение приводит также к увеличению
порога чувствительности приемника. Повышение чувствительности при
охлаждении можно объяснить уменьшением энергии электронов,
противодействующих протеканию тока сигнала. Из этого следует, что
для повышения чувствительности приемников
оптического излучения возникает необходимость
применения охлаждения.

16. 2-ой вопрос: Одноэлементные и многоэлементные приемники оптического излучения.

Фотоприемник, обладающий одной чувствительной площадкой,
называется одноэлементным. К числу таких приемников относятся
фоторезисторы, фотодиоды и др., работа которых основана на явлении
увеличения удельной проводимости полупроводника при облучении
световым потоком. Вольтамперная характеристика фоторезистора
описывается следующим выражением
I = IT + IФ = U / R + Ф SI,
где IT, IФ - темновой ток и фототок соответственно; Ф - поток
излучения; U - приложенное напряжение; SI - токовая
чувствительность.
Все параметры фоторезистора улучшаются при уменьшении
температуры, поэтому при работе в составе ОЭУ, они, как правило,
охлаждаются до гелиевых (4 ºК ) или азотных (77 ºК ) температур.
Применение одноэлементных фотоприемников приводит к появлению
существенного недостатка таких ОЭУ - необходимости сканирования
пространства, что приводит к усложнению конструкции ОЭУ, увеличению
его габаритов и массы.

17.

Многоэлементные приемники.
В перспективных ОЭУ широкое распространение получают
приемники излучения с дискретной структурой фотослоя. Такие
фотоприемники выполняются одномерными и двумерными.
В одномерных фотоприемниках используется 10-20 чувствительных
элементов квадратной формы со стороной около 250 мкм и зазором между
элементами примерно 25 мкм. Для устранения потерь информации из-за
наличия зазоров между чувствительными элементами, применяют
одновременно две линейки, установленные в шахматном порядке.
Применение многоэлементных одномерных приемников позволяет
производить сканирование пространства только по одной координате, что
упрощает управление оптической системой, в сравнение с ОЭУ,
использующими одноэлементные приемники излучения.
Многомерные фотоприемники мозаичного типа содержат большое
количество равномерно размещенных чувствительных элементов с
одинаковыми зазорами. Это позволяет в ОЭУ производить обзор
пространства без сканирования.

18.

Принцип работы мозаичного или матричного приемника в
качестве анализатора состоит в следующем. Оптическое
изображение создает в разделенном на отдельные элементы
чувствительном слое приемника пространственный рельеф зарядов или
сопротивлений. При считывании этого заряда электронным способом с
помощью устройства выборки (см. рис. 3) в цепи приемника формируется
сигнал, состоящий из импульсов, амплитуда которых пропорциональна
освещенности в отдельных точках матрицы.
Рис. 3. Устройство выборки матричного приемника

19.

Разрешающая способность таких анализаторов зависит
от способа обработки сигналов, снимаемых с этих элементов.
Повысить разрешающую способность удается с помощью
дифференцирования сигналов, использования способа
двойной коррелированной выборки, принудительного
сканирования изображения по матрице с последующим
интегрированием сигналов, придания сигналам, снимаемым с
различных элементов, различных “весов”, т. е. их усиления с
разным коэффициентом, и т. д.
Главным недостатком многоэлементных фотоприемников
является наличие большого количества коммутационных
соединений, а в матричных – наличие взаимосвязи между
соседними ячейками.

20.

Значительное упрощение конструкции многоэлементных
фотоприемников достигается при использовании приборов с
зарядовой связью (ПЗС).
ПЗС-матрица представляет собой линейную или двумерную
матрицу из одинаковых МОП-конденсаторов, выполненных на
общей полупроводниковой подложке в непосредственной
близости друг от друга таким образом, что между соседними
элементами существует зарядовая связь. Достоинствами ПЗСлинеек и матриц являются высокое разрешение, достигающее
10…15 мкм при общем числе элементов в линейке порядка
1000, достаточно большое быстродействие, малые
геометрические размеры, масса и энергопотребление,
большой срок службы.
Основным недостатком, с точки
зрения анализа изображений, является геометрический шум –
неоднородности темнового тока и чувствительности
отдельных элементов матрицы ПЗС, достигающие единиц и
даже десятков процентов.

21.

От этого недостатка в значительной степени свободны
приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), в которых, в
отличие от ПЗС, перенос заряда происходит между
электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех
зарядовых пакетов к одному общему выходу.
Матрица ПЗИ имеет координатную выборку. При выходе из
строя какого-либо элемента ПЗИ на изображении,
воспроизводимом после получения видеосигнала,
образуются темные или светлые точки, а не полосы, как в
ПЗС. Однако большие выходные емкости столбцов ПЗИ
приводят к возрастанию шумов и усложняют прием слабых
сигналов. Такие анализаторы гораздо инерционнее ПЗС. Но,
несмотря на эти недостатки, ПЗИ-анализаторы непрерывно
совершенствуются и в ближайшее время могут найти
широкое применение в ОЭУ.

22. 3 – ий вопрос: Приемники оптического излучения ОЭУ типовых образцов специальной техники.

В типовых образцах специальной техники применяют
следующие виды приемников оптического излучения:
– приемники с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы и
фотодиоды);
– преобразователи с внешним фотоэффектом (ЭОП);
– приемники с внешним фотоэффектом (видикон);
– фотоэлементы и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
В приемниках с внутренним фотоэффектом используются три
основных явления, вызываемых оптическим излучением:
фотопроводимость, фотогальванический и фотомагнитоэлектрический
эффекты.
Наиболее широко в приборах ИК-техники используется явление
фотопроводимости. На этом явлении основана работа приемников,
получивших название фоторезисторов, а также фотодиодов и
фототранзисторов.

23.

В качестве фотоприемника в бортовом координаторе ОГСН ЗУР ПЗРК
используется фоторезистор. Фоторезисторы - это полупроводниковые
приемники лучистой энергии, изменяющие свою проводимость при
воздействии лучистого потока.
Рис. 4 Схема включения фоторезистора.
Фоторезистор подключается к входу усилителя по схеме, приведенной
на рис. 4

24.

Величина выходного сигнала Uc определяется изменением напряжения
на нагрузочном резисторе Rн при изменении сопротивления RТ
фоторезистора
в
момент
облучения.
Конденсатор
С
служит
разделительной емкостью, не пропускающей на вход усилителя
постоянную составляющую тока источника питания Еп. Поэтому на вход
усилителя поступает только переменная составляющая сигнала,
возникающая за счет изменения сопротивления приемника при
поступлении на него модулированного оптического сигнала. Устройство и
конструкция фоторезисторов зависят от режима работы: без охлаждения и
с охлаждением. В зависимости от этого фоторезисторы подразделяются на
неохлаждаемые и охлаждаемые.
Конструкция фоторезистора разработана с использованием корпуса
стандартного транзистора П-14. Фотослой, нанесенный на подложку,
приклеивается к вкладышу. Электроды выводятся наружу через изоляторы
(бусинки). Вкладыш сверху закрывается корпусом с входным окном.
Корпус и вкладыш по окружности свариваются в вакуумной установке.
На рис.5. показано устройство селенисто-свинцового неохлаждаемого
фоторезистора типа СФ4.

25.

Рис. 5. Устройство фоторезистора типа СФ4

26.

Чувствительными элементами фоторезистора служат
поликристаллические или монокристаллические химические соединения.
К поликристаллическим соединениям, используемым при изготовлении
неохлаждаемых и охлаждаемых фоторезисторов, относятся сульфид
свинца PbS, селенид свинца PbSe и теллурид свинца PbTe, от которых
получили название сернистосвинцовые, селенистосвинцовые и
теллуристосвинцовые фоторезисторы.
Из монокристаллических приемников наибольшее применение в ИКтехнике получили сурьмянисто индиевые InSb фоторезисторы (антимонит
индия). Антимонит индия выращивается в виде монокристаллов, которые
разрезаются на пластины соответствующих размеров. Пластины
шлифуются и анодным травлением доводятся до толщины около 10 мкм.
Для подачи напряжения к пластине припаиваются индиевые электроды.
Высокая чувствительность таких приборов обеспечивается чистотой
материала и высокой подвижностью носителей заряда, которыми в
антимоните индия служат дырки. Фоторезисторы на антимоните
индия чаще всего используют при глубоком охлаждении до 77ºК .