Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 24 )

где sl – спектральная характеристика чувствительности ПИ; Fl – 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 чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты поглощения, преломления и отражения), емкость, напряжение питания (рабочее напряжение), температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его свойства.

Отдельные группы параметров характеризуют специфические свойства различных типов приемников, например, фоторезисторов, многоэлементных фотоприемников и др.

5.3. Характеристики приемников излучения

Звисимость, 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. 5.1).

Рис. 5.1. Спектральные характеристики некоторых ПИ:

1 – сернисто-кадмиевый фоторезистор CdS; 2 – кремниевый фотодиод;

3 – германиевый фотодиод; 4 – неохлаждаемый фоторезистор PbS295;

5 – охлаждаемый фоторезистор PbS78; 6 – охлаждаемый фоторезистор InSb78;

7 – глубокоохлаждаемый (T=30 K) фоторезистор Ge; 8 – охлаждаемый фотоприемник (фоторезистор, фотодиод) Hg1-xCdxTe при x=0,95 и температуре охлаждения T=70 K; 9 – то же, при x=0,1 и температуре охлаждения T=83 K;

10 – охлаждаемый фоторезистор Ge:Au78.

Вольтовые характеристики. Вольтовые характеристики выражают зависимости чувствительности, тока и напряжения шума, удельной обнаружительной способности и других параметров от напряжения, приложенного к приемнику. Вольтовая характеристика чувствительности s(U) определяется при фиксированном потоке излучения, падающего на ПИ.

Зависимости параметров от мощности излучения. К ним относятся: люкс-омическая характеристика фоторезистора – зависимость светового сопротивления 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 U=f(F) или I=f(F).

Селективные ПИ при увеличении потока, падающего на них, ведут себя подобно глазу – их чувствительность падает. Поскольку для большинства таких приемников энергетические характеристики нелинейны, т. е. крутизна в различных точках неодинакова, чувствительность ПИ необходимо определять при заданной освещенности (облученности) его приемной площадки, а также при заданном спектральном составе излучения. При других освещенностях значение чувствительности может быть иным, поэтому при изменениях потока, падающего на ПИ, следует учитывать изменение чувствительности, пользуясь энергетической характеристикой.

Частотные характеристики. Зависимость чувствительности ПИ от частоты модуляции падающего на него потока излучения называется частотной характеристикой чувствительности. Эта характеристика связана с постоянной времени приемника t. Максимально допустимая (граничная) частота модуляции fгр зависит именно от значения t.

Граничную частоту модуляции определяют по-разному, в зависимости от допуска на падение чувствительности s. Так, при s(fгр)=0,16s(0) частота fгр = 1/t, а при s (fгр) =0,71s(0) fгр=1/(2pt). Часто принимают fгр=1/(3t).

Зависимость D* от частоты модуляции потока излучения называется частотной характеристикой удельной обнаружительной способности.

Иногда к частотным характеристикам относят спектральные плотности тока или напряжения шума ПИ – распределения плотности jш дисперсии тока или напряжения шума приемника по частотам. Эти зависимости называют также спектром мощности шума. Типичная зависимость такого рода для полупроводниковых ПИ приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Типичный спектр мощности шума ПИ

В области «избыточного» шума, обусловленного главным образом контактными явлениями и флуктуациями скорости рекомбинации носителей (на частотах 0...f1), спектр шума подчиняется закону 1/f x, причем x»1. Обычно граница этой области f1 не превышает 1000 Гц.

В области частот f1...f2, где практически имеет место равномерное распределение, основным является генерационно-рекомбинационный шум, а в области выше f2 (десятки и более килогерц) – тепловой.

Зная подобные характеристики для конкретных приемников, можно выбрать частоту модуляции сигнала и полосу пропускания системы так, чтобы по возможности уменьшить влияние собственных шумов ПИ на чувствительность прибора. С точки зрения уменьшения дисперсии шума Dш в заданной полосе Df целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции f0 и уменьшать полосу пропускания Df системы, так как

Температурные характеристики. Это – зависимости, определяющие изменение различных параметров ПИ, например, тока и напряжения шума, сопротивления и чувствительности, при изменении температуры его чувствительного слоя.

Фоновые характеристики. Это – зависимости параметров (сопротивления, чувствительности, тока и напряжения шумов, удельной обнаружительной способности) от немодулированного потока излучения фона.

Временны́е и пространственные характеристики. К ним обычно относят: переходные характеристики, описывающие изменение сигнала на выходе ПИ при внезапном облучении или затемнении его чувствительного слоя; зонную характеристику – распределение чувствительности по площадке приемника; угловую характеристику чувствительности – ее зависимость от угла падения лучей на чувствительный слой ПИ, а для координатных ПИ – координатную характеристику, определяющую зависимость сигнала на выходе ПИ от координаты изображения (пятна) на чувствительном слое, и временно́й дрейф нулевой точки координатного ПИ – смещение нулевой точки координатной характеристики при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.

К временны́м характеристикам можно отнести также зависимости изменения параметров приемника во времени, характеризующие их стабильность.

5.4. Паспортизация приемников. Пересчет их параметров

Так как параметры и характеристики ПИ существенно зависят от условий их эксплуатации, спектрального состава и других параметров потока, необходимо четко оговорить некоторые стандартные (нормальные) условия, в которых следует проводить их измерения (паспортизацию). Кроме того, параметры и характеристики ПИ разных типов и назначения резко различаются между собой, поэтому ограничиться для всех ПИ одними и теми же стандартными условиями не представляется возможным.

Приемники, работающие в ИК - диапазоне 1,5...20 мкм (обычно это охлаждаемые ПИ), калибруют по излучателю – черному телу с температурой 373 K. Неохлаждаемые фоторезисторы, работающие в ИК спектральном диапазоне до 5 мкм, калибруют по черному телу с температурой 573 K. Параметры ПИ, работающих в видимом диапазоне, определяют по лампам накаливания – источникам А с цветовой температурой вольфрамовой нити Tц = 2856 K, источникам В (Tц = 4800 K) и С (Tц =6500 K).

В зависимости от инерционности ПИ и спектра шумов устанавливаются различные частоты модуляции и полосы пропускания при их паспортизации. Чувствительность многих фоторезисторов определяется при частотах модуляции 400 и 500 Гц и полосе пропускания измерительной установки в несколько десятков герц. Весьма инерционные тепловые ПИ паспортизуются при частотах модуляции потока в несколько герц, а малоинерционные ПИ - при частотах 900...1000Гц.

Должны быть оговорены также температура окружающей среды, влажность, давление и такие параметры измерительной установки, как входное сопротивление Rвх (обычно Rвх ³ Rт) и уровень шума , приведенный к выходу ПИ (обычно уровень шума установки должен быть не менее чем в 2 раза меньше уровня шумов исследуемого ПИ).

Иногда некоторые важнейшие условия измерений параметра приводятся в качестве индексов при его обозначении. Например, D*500,90,1 означает, что измерение D* велось по черному телу с температурой 500 K, при частоте модуляции 90 Гц и было отнесено к полосе пропускания 1 Гц.

В реальных условиях работы ПИ принимает поток, как правило, отличающийся по своему спектральному составу от потока, который он принимает при паспортизации. Например, это происходит вследствие того, что температура излучателя, по которому работает ОЭП, отличается от температуры источника, по которому паспортизуется (калибруется) ПИ. В ряде случаев ПИ, откалиброванный по отношению к излучению со сплошным спектром (например, по отношению к излучению черного тела), работает с монохроматическим потоком (например, потоком, приходящим от лазера). Поэтому в каждом таком случае параметры ПИ должны быть пересчитаны для новых условий. Рассмотрим характерный пример пересчета чувствительности ПИ.