Характеристики приемников излучения

Характеристикой называется зависимость, описывающая изменение какого-либо параметра при изменении внешних факторов. Характеристику можно выразить формулой, графиком, таблицей. Применительно к приемникам излучения различают следующие характеристики.

1 Спектральная чувствительность. Спектральной чувствительностью S _l называют реакцию фотоприемника на монохроматический поток излучения или на световой поток.

. (18)

Для расчета параметров фотоприемников удобно их спектральную чувствительность использовать в относительных единицах, нормированных на максимальное значение спектральной чувствительности S_{l max}, которое представляет собой число. Ее удобно использовать для расчета однотипных фотоприемников, имеющих одинаковую относительную спектральную чувствительность, но различную интегральную чувствительность.

2 Переходная характеристика фотоприемника. Под ней понимают реакцию фотоприемника на единичный скачок потока излучения во времени. Она характеризует постепенное нарастание сигнала фотоприемника при его мгновенной засветке. Этот процесс определяется постоянной времени фотоприемника (t). Это время, отсчитываемое от начального момента времени до того момента, когда сигнал возрастет до уровня 63 % от максимального. Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие. Но его быстродействие также зависит и от схемы включения, температуры, характера излучения. Диапазон изменения постоянной времени различных типов фотоприемников изменяется в широких пределах от долей наносекунды для лавинного фотодиода до нескольких секунд для болометров. Для фотоприемников одного и того же типа разброс постоянных времени составляет 5-10%.

3 Импульсная характеристика фотоприемника. Реакция приемника на единичный импульс потока излучения Ф(t)=d(t) называется импульсной характеристикой S _и (t) фотоприемника. Под d-функцией d(t) понимают импульс единичной амплитуды, длительность которого бесконечно мала по сравнению с постоянной времени фотоприемника.

4. Частотная характеристика. Частотной характеристикой фотоприемника называют зависимость его чувствительности от частоты модуляции, падающего на фотоприемник излучения. Вид частотной характеристики изменяется от вида модуляции потока излучения. Например, для фотоприемника, имеющего экспоненциальную зависимость выходного сигнала во времени, для синусоидальной модуляции эта характеристика описывается выражением

, (19)

где w=2p f – циклическая частота.

Для уверенной передачи модулированного сигнала частота модуляции не должна превышать максимально допустимой частоты f _max, которая удовлетворяет сотношению . Эта оценка справедлива для любого вида модуляции потока излучения.

Зависимость угла сдвига фазы гармонической составляющей выходного напряжения (тока) относительно соответствующей ей гармонической составляющей потока излучения называется фазовой характеристикой. Для амплитудно-модулированного излучения она имеет вид

. (20)

5 Энергетическая (световая) характеристика. Под энергетической (световой) характеристикой фотоприемника понимают зависимость чувствительности (любой), фототока или напряжения от величины падающего на фотоприемник излучения.Характерной особенностью световой характеристики является то, что при малых потоках излучения она линейна. По мере увеличения потока излучения наблюдается насыщение. По энергетической характеристике можно определить интегральную чувствительность по току и по напряжению при заданном уровне засветки фотоприемника, которые являются крутизной соответствующей характеристики. Таким образом, можно определить чувствительность для любого источника, для которого известна световая характеристика.

6 Апертурная характеристика фотоприемника. Апертурной характеристикой называют зависимость сигнала фотоприемника от угла падения излучения на фотоприемник. Предельная область работы фотоприемника по углу составляет ±90⁰, но максимальный угол апертурной характеристики часто зависит от конструкции фотоприемника.

7 Вольт-амперная характеристика. Эта характеристика определяет зависимость тока фотоприемника от величины приложенного питающего напряжения. Для каждого типа фотоприемника она имеет свой, характерный для данного приемника вид, но для любого фотоприемника на вольт-амперной характеристике имеется линейный участок, на котором обычно выбирается рабочая точка. Анализ вольт-амперных характеристик позволяет решить вопрос выбора схемы включения фотоприемника и выбор рабочего интервала питающих напряжений.

8 Вольтовы характеристики. Они отражают связь между чувствительностью, шумом, пороговым потоком и другими параметрами фотоприемника в зависимости от питающего приемник напряжения. Так как с увеличением питающего напряжения растут интегральная чувствительность, и шумы, то для обеспечения оптимальных условий работы фотоприемника величина питающего напряжения должна подбираться с учетом всех факторов. Чтобы при проведении расчетов исключить зависимость чувствительности от величины питающего напряжения, пользуются понятием удельной чувствительности, относя ее к напряжению в один вольт.

9 Температурные характеристики. Они отражают зависимость параметров фотоприемника от температуры светочувствительного слоя. Например, температурный коэффициент чувствительности определяет, на сколько процентов изменяется чувствительность фотоприемника при изменении температуры светочувствительного слоя на один градус.

10 Спектр мощности шума. Спектр мощности шума (спектр плотности шума) – зависимость, описывающая распределение дисперсии шума по частотам. С точки зрения уменьшения уровня шумов на измеряемый фотоприемником сигнал целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции f ₀ и уменьшать ширину полосы пропускания системы D f. С этой целью широко применяются селективные усилители, настроенные на частоту модуляции потока излучения.

4 спектральное согласование источников и фотоприемников

Под спектральным согласованием мы понимаем определение величины фототока, генерируемого фотоприемником. После определения потока излучения, падающего на светочувствительную площадку фотоприемника, фототок на выходе фотоприемника можно определить из следующих соображений.

Полный ток, полученный фотоприемником при его облучении излучением с широким спектром, будет определяться выражением

. (21)

Для расчета фототока удобно спектральную чувствительность фотоприемников и спектральную плотность потока излучения источников использовать в относительных единицах, нормированных на соответствующие максимальные значения. А максимальные значения чувствительности фотоприемника и спектральной плотности потока излучения источника соответственно можно выразить через интегральную чувствительность фотоприемника и полный поток излучения, попадающий на фотоприемник.

Теперь, если подставить полученные выражения для максимальной чувствительности фотоприемника и полный поток излучения, попадающий на фотоприемник Ф_S, в выражение для фототока (21), то получается следующее выражение для определения фототока, если интегральная чувствительность фотоприемника известна в энергетических фотометрических единицах

, (22)

где S_{l отн} – относительная спектральная чувствительность фотоприемника;

– относительная спектральная плотность эталонного источника излучения и используемого источника излучения соответственно.

Если же интегральная чувствительность фотоприемника известна в световых фотометрических единицах, то фототок равен

, (23)

где V_l – функция видности;

Ф_S – поток излучения, зарегистрированный фотоприемником.

Для вычисления интегралов, приведенных в выражениях (22,23), можно использовать метод геометрического интегрирования. Для этого необходимо на миллиметровке нарисовать кривую видности v _l, график относительной спектральной чувствительности фотоприемника S _l, график относительной спектральной плотности потока излучения эталонного источника Ф ^э_еlотн и график относительной спектральной плотности потока излучения источника, излучение которого регистрируется.

5 Пересчет параметров фотоприемников

В реальных условиях работы оптико-электронных приборов фотоприемник принимает, как правило, поток излучения, отличающийся по своему спектральному составу от эталонного источника. Поэтому для некоторых задач необходим пересчет параметров. Всевозможные варианты пересчета можно проиллюстрировать следующими задачами.

Задача 1. Дана интегральная чувствительность фотоприемника в световых единицах , А/лм. Определить ее в энергетических единицах , А/Вт.

Решение. Из определения интегральной чувствительности в световых единицах , фототок равен

,

где – световой поток эталонного источника, попадающий на фотоприемник.

С другой стороны, по определению интегральной чувствительности в энергетических единицах следует, что ток фотоприемника равен

,

где – поток излучения эталонного источника, попадающий на фотоприемник.

Тогда, приравнивая полученные токи, получаем, что . Если выразить световой поток и поток излучения эталонного источника через спектральную плотность потока излучения, которые считаются известными, то получим искомое выражение в следующем виде:

, (24)

где – КПД глаза по эталонному источнику. Этот параметр имеет смысл и по другому любому источнику. С ним связана световая отдача источника света , которая также характеризует не только эталонный, но и любой источник света.

Задача 2. Дан пороговый световой поток фотоприемника . Найти его пороговый поток излучения .

Решение. Из определения порогового светового потока следует, что шум фотоприемника определяется следующим образом:

,

а из определения порогового потока излучения шум фотоприемника равен

.

Тогда ,а . С учетом того, что из первого примера

, получается искомое соотношение

. (25)

задача 3. Определить интегральную чувствительность фотоприемника по произвольному источнику излучения , если его интегральная чувствительность по эталонному источнику равна .

Решение. Для решения используем связь между коэффициентом использования потока излучения фотоприемником и его интегральной чувствительностью. Интегральная чувствительность по любому источнику равна отношению эффективно используемого потока излучения (обычно это фототок) к потоку излучения, поглощенному фотоприемником

,

где – коэффициент использования потока излучения произвольного источника.

Для эталонного источника также справедливо аналогичное соотношение

.

Тогда, разделив два полученных выражения, получаем искомое соотношение

. (26)

задача 4. Пороговый поток излучения по эталонному источнику равен . Найти пороговый поток излучения по произвольному источнику.

Решение. Величина шума для эталонного источника равна

.

Для произвольного источника эта же величина шума будет равна

.

Тогда, разделив два полученных выражения, получаем искомое соотношение

. (27)

Для полноты представления вопроса пересчета параметров фотоприемников, представляем на самостоятельную отработку студентам еще 4 задачи, которые решаются путем двухкратного применения решений вышеприведенных упражнений.

Задача 5. Определить интегральную чувствительность в световых единицах по произвольному источнику , если известна интегральная чувствительность в световых единицах по эталонному источнику .

Задача 6. Определить пороговый световой поток по произвольному источнику , если известен пороговый световой поток по эталонному источнику .

Задача 7. Найти интегральную чувствительность в энергетических единицах по произвольному источнику , если известна интегральная чувствительность в световых единицах по эталонному источнику .

Задача 8. Определить пороговый поток излучения по произвольному источнику , если известен пороговый световой поток по эталонному источнику .

Из приведенных упражнений видно, что для пересчета параметров фотоприемников необходимо знать спектральную плотность потока излучения произвольного и эталонного источников излучения, спектральную характеристику фотоприемника и кривую видности. Все эти характеристики достаточно знать в относительных единицах.

6 приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта