Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Отдельными видами ПИ являются: многоспектральные, работающие в двух или более диапазонах оптического спектра; многоэлементные ПИ; координатные (позиционно-чувствительные) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координат изображения на чувствительном слое, и ряд других. Классификация ПИ проводится также по области спектральной чувствительности, степени охлаждения чувствительного слоя, быстродействию, физическим принципам действия (лавинные, инжекционные, гетеродинные, иммерсионные и др. ПИ) [9, 22, 30].
6. 2. Параметры приемников излучения
Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества.
Рассмотрим основные параметры ПИ, с которыми наиболее часто приходится иметь дело разработчику ОЭП.
Чувствительность. В общем случае чувствительность приемника — это отношение изменения электрической величины на выходе ПИ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.
В зависимости от характеристики излучения различают чувствительность к потоку излучения вФе, чувствительность к световому потоку s0[), чувствительность к облученности sEe или к освещенности sEv.
135 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Токовой чувствительностью S1 называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой Sv — чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.
Интегральной чувствительностью ПИ называется чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, а монохроматической чувствительностью Sx — чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны X.
Различают также статическую чувствительность, определяемую отношением постоянных значений измеряемых на выходе и на входе ПИ величин, и дифференциальную — отношение малых приращений этих величин.
Иногда чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку ПИ. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом.
Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов ПИ может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов), иногда вводят понятие об удельной чувствительности, которая представляет собой чувствительность, отнесенную к 1 В питающего напряжения.
Пороговые и шумовые параметры. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ПИ всегда имеется хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к ПИ и ОЭП в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. Поэтому разработчики ОЭП стремятся свести шум к минимальному, который часто определяется шумом ПИ. В рационально сконструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам зависит только от уровня собственных шумов ПИ.
Током или напряжением шума ПИ называется среднее квадрати-ческое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ, или напряжения на заданной нагрузке в его цепи в указанной полосе частот.
Основные виды шумов для ПИ следующие.
Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Af определяется по
136 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
формуле
Vr = 4kTRAf,
где k = 1,3810"23 ДжК"1 — постоянная Больцмана; T — температура приемника; R — его сопротивление.
Дробовьш шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузке Rs, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого
V% = 2eI0R^Af,
где е — заряд электрона; I0 — среднее значение силы тока; Af — полоса частот. Спектры теплового и дробового шумов являются равномерными.
Несколько видов шумов часто объединяют единым термином токовый шум (1 If—шум, избыточный шум). На практике часто принимают следующее выражение для дисперсии токового шума:
V2 ^ ArI2R2^-, f
гдеАг — численная постоянная, значение которой зависит от типа ПИ. Спектр этого шума подчиняется 1/f -зависимости.
Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на ПИ, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей, так и от элементов самого ПИ. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры, обусловленные непостоянством процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями.
Дисперсия флуктуаций мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру T^ и коэффициент излучения єтф, на ПИ площадью А для полосы частот Af описывается выражением вида
