Параметры приемников излучения

Параметр это величина, характеризующая определенное свойство приемника излучения, служащая критерием оценки его качества, при работе в определенных условиях. Параметр можно измерить экспериментально или вычислить по данным измерений других величин.

1 Интегральная чувствительность. Интегральной чувствительностью фотоприемника называют величину отношения эффективно преобразованной приемником энергии излучения в другой вид энергии к полному потоку излучения, падающего на фотоприемник.

Для фотоэмиссионных фотоприемников мерой их реакции является фототок, поэтому выражение для интегральной чувствительности в энергетических фотометрических единицах имеет вид:

, (14)

где I - фототок;

Ф _S - полный поток излучения, поглощенный фотоприемником.

Интегральная чувствительность в световых фотометрических единицах выражается следующим соотношением:

,

где Ф _VS - полный световой поток, попавший на фотоприемник.

В световых фотометрических единицах иногда интегральную чувствительность фотоприемников выражают в виде:

,

где Е _v – освещенность чувствительной площадки фотоприемника.

Иногда в качестве интегральной чувствительности выбирают вольтовую чувствительность, которая зависит не только от параметров фотоприемника, но и от схемы включения. В этом случае интегральная чувствительность в энергетических единицах, равная , выражается в вольтах, деленных на ватт, а в световых единицах выражается в вольтах, деленных на люмен или в вольтах, деленных на люкс.

Для фоторезисторов интегральная чувствительность равна отношению величины относительного изменения сопротивления элемента к изменению его облученности . На линейном участке световой характеристики фотосопротивления его интегральная чувствительность определяется выражением . В двух случаях она измеряется в обратных ваттах.

В фотоприемниках, у которых чувствительность зависит от напряжения питания, в паспорте приводится удельная интегральная чувствительность (чувствительность на один вольт). Она выражается, например, в виде или в других похожих единицах.

Интегральная чувствительность – паспортная величина, которая относится к заданному эталонному источнику излучения. По ГОСТ 7721-76 для паспортизации фотоприемников, чувствительных в видимом и ближнем ИК диапазонах, используется источник типа А, представляющий собой абсолютно черное тело (АЧТ) с температурой 2856 К. Для фотоприемников, чувствительных в ИК диапазоне, для паспортизации используются излучатели в виде АЧТ с температурой 100 и 300 К. В настояще время рекомендуется для паспортизации приемников, чувствительных в ИК области, применять излучение АЧТ с температурой 1273±15 К.

Иногда для фотоприемников указывают интегральную чувствительность для определенных режимов работы. Так, например, чувствительность для фоторезистора, записанная в виде S _(500,800,1), означает, что чувствительность приведена для источника в виде АЧТ с температурой 500 К при частоте модуляции 800 Гц и шириной полосы частот модуляции, равной 1 Гц.

Использование в настоящее время для построения оптико-электронных приборов источников излучения, спектр которых значительно отличается от спектра излучения эталонных излучателей, требует знания чувствительности фотоприемника на отдельных длинах волн. Это можно осуществить с использованием спектральной характеристики фотоприемников, которая представляет собой монохроматическую чувствительность фотоприемника на отдельных длинах волн. Такая характеристика называется спектральной чувствительностью фотоприемника (спектральной характеристикой) и обозначается в энергетических единицах в следующем виде:

,

Здесь I_l - фототок при облучении фотоприемника изучением на длине волны l со спектральной плотностью потока излучения Ф_еl.

2 Коэффициент использования потока излучения. Он показывает, какую долю сложного потока излучения, падающего на фотоприемник, составляет эффективный для этого приемника поток.

Коэффициент использования потока излучения определяется следующим выражением:

, (15)

где – спектральная чувствительность фотоприемника в относительных единицах;

– максимальная чувствительность фотоприемника в абсолютных единицах;

Понятие коэффициента использования потока излучения применимо к любому излучателю, а не только к эталонному.

3 Эффективная ширина полосы чувствительности фотоприемника. В некоторых расчетах вместо коэффициента использования потока излучения пользуются эффективной шириной полосы чувствительности фотоприемника Dl_эфф. Эффективной шириной полосы чувствительности фотоприемника называют ширину диапазона спектра, в которой был бы сосредоточен весь эффективный поток излучения, падающий на него, при условии, что в этом интервале спектра функция спектральной плотности потока излучения постоянна и равна своему максимальному значению.

. (16)

4 Пороговый поток, пороговая чувствительность. Пороговым потоком называют тот минимальный поток излучения, который вызывает на выходе фотоприемника сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов. Понятие порогового потока применимо и к световому потоку. Пороговый поток измеряется в ваттах, а пороговый световой поток измеряется в люменах.

Пороговый поток измеряется, как и интегральная чувствительность, по эталонному (вполне определенному) источнику и зависит от его излучения. Поэтому в паспорте на фотоприемник, наряду с пороговым потоком, указывается тип источника, по которому он измерялся. Имеет смысл также монохроматический пороговый поток или спектральное распределение пороговой чувствительности.

Пороговый поток однотипных фотоприемников зависит от площади светочувствительной площадки и от ширины полосы частот, в которой регистрируется сигнал, так как величина шума зависит от полосы частот.

В этом случае для описания порогового потока вводят понятие пороговой чувствительности. Под пороговой чувствительностью понимают пороговый поток, отнесенный к единичной площади светочувствительного слоя фотоприемника и к единичной полосе пропускания.

Тогда интегральная и спектральная пороговые чувствительности равны соответственно

; . (17)

5 Обнаружительная способность. Обнаружительная способность D, D_l– это величина, обратная соответствующей пороговой чувствительности.

6 Квантовая эффективность и квантовая пороговая чувствительность. Иногда при расчете оптико-электронной аппаратуры, использующей лазерные и монохроматические источники, применяют квантовую эффективность и квантовую пороговую чувствительность. Квантовой эффективностью фотоприемника называют отношение числа квантов N_кв.эфф., активно поглощенных чувствительным слоем (для внешнего фотоэффекта, выбивших фотоэлектроны, а для внутреннего фотоэффекта, сгенерировавших электронно-дырочные пары), к общему числу квантов N_кв., попавших на фотоприемник.

Квантовая пороговая чувствительность N_lпор выражается числом квантов падающего монохроматического излучения в единицу времени, вызывающего сигнал, равный шуму.

7 Вольтовая и токовая чувствительность (чувствительность по напряжению и по току). Отношение амплитуды эффективного напряжения, снимаемого с фотоприемника при оптимальном режиме его питания, к амплитуде синусоидально модулированного потока излучения называется вольтовой чувствительностью или чувствительностью по напряжению.

Если на выходе фотоприемника измеряют ток, а не напряжение, то приемник характеризуется токовой чувствительностью или чувствительностью по току. Эти чувствительности зависят не только от свойств приемника, но и от схемы, в которую он включен. Схема включения для различных фотоприемников неодинакова, поэтому связь между интегральной и вольтовой (токовой) чувствительностью зависит от типа фотоприемника.

8 Сопротивление фотоприемника. Знание его необходимо при выборе и расчете цепи включения приемника излучения и выборе сопротивления нагрузки. Для фоторезисторов выбирается темновое сопротивление (сопротивление фоторезистора без засветки светочувствительного слоя), а для фотодиодов динамическое сопротивление, равное отношению изменения напряжения сигнала к изменению тока. От величины сопротивления фотоприемника зависит его постоянная времени и величина его шумов. Сопротивление фотоприемника обуславливает выбор усилителя и схемы связи усилителя с фотоприемником. Для низкоомных приемников часто используется трансформаторная связь.

9 Шум фотоприемника. Вместе с полезным сигналом на выходе фотоприемника возникает хаотический сигнал со случайной частотой и амплитудой – шум. Так как это случайная величина, то она среднеквадратичным значением или дисперсией . Распределение мощности шума по спектру частот определяется спектральной плотностью шума – дисперсией, приходящейся на бесконечно малый участок спектра. Так как природа и механизм действия шумов весьма многообразны, то их необходимо рассматривать отдельно.