Фотоприемное устройство (ФПУ)

Электронный тракт ОЭП состоит из двух основных звеньев: фотоприемного устройства (ФПУ) и усилителя. Фотоприемное усройство предназначено для преобразования оптического сигнала в электрический, согласования фотодетектора с источником питания и электронным трактом. Функциональная схема ФПУ показана на рис. и состоит из фотодетектора и входной цепи, которая в свою очередь может быть представлена цепью включения и цепью связи.

Рис.1. Функциональная схема фотоприемного устройства

Если предположить, что на входе фотодетектора действует поток излучения с комплексной величиной , то реакцией фотоприемного устройства на входное воздействие будет напряжение на выходе входной цепи c комплексной амплитудой . Следовательно, крутизна преобразования ФПУ, определяемая отношением реакции ФПУ к входному воздействию, будет представляться формулой

(1)

в которой S_ФПУ = ½ S_ФПУ½- амплитудная, а j =(q-y) – фазовая характеристики фотоприемного устройства.

Фотодетектор. В силу многообразия фотопреобразующих элементов целесообразно сигнал на выходе фотодетектора представлять в виде некоторого обобщенного сигнала u', который в зависимости от типа фотодетектора, может быть либо комплексной амплитудой ЭДС (термоэлемент, фотовольтаический полупроводниковый приемник и т.п.), либо комплексной амплитудой тока (фотоэлемент, фотоумножитель и т.п.), либо комплексной величиной изменения сопротивления (фоторезистор, болометр и т.п.).

Входная цепь. В составе входной цепи можно выделить цепь включения, предназначенную для преобразования обобщенного сигнала u', вырабатываемого фотодетектором из потока излучения в электрическое напряжение и задания статического режима фотодетектора и цепь связи служащую для развязки режимов работы фотодетектора и предусилителя, что исключает их взаимное влияние по постоянному току. Коэффициент передачи входной цепи определяется отношением напряжения на ее выходе u_с к сигналу, создаваемому фотодетектором, на ее входе , а относительная амплитудно-частотная характеристика может быть представлена в виде .

Цепь включения. Обеспечивает вторичное преобразование потока излучения в электрическое напряжение, которое в режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки) совпадает с обобщенным сигналом. Обычно, в процессе анализа фотоприемного устройства цепь включения заменяется эквивалентной схемой содержащей соответствующий фотодетектору эквивалентный генератор и внутреннее сопротивление. Цепь включения можно характеризовать крутизной преобразования .

Цепь связи. Обеспечивает связь фотодетектора с электронным трактом и преобразует напряжение, возникающее на нагрузке фотодетектора в напряжение на выходе фотоприемного устройства. Различают емкостную, индуктивную и потенциометрическую связи представленные на рис.2.

Рис.2. Принципиальные электрические схемы цепей связи

Емкостная связь обеспечивает разделение цепи включения фотодетектора и предусилителя по постоянному току, что исключает влияние режимов работы этих цепей друг на друга, дает возможность осуществить питание этих цепей от различных источников, так как иногда для питания фотодетектора используются источники с повышенным напряжением.

Индуктивная цепь обеспечивает связь фотодетектора с предусилителем через трансформатор связи, используется часто для связи фотодетекторов с малым внутренним сопротивлением в высокочастотных трактах.

Потенциометрическая связь не исключает взаимных влияний цепей на режимы по постоянному току, однако обеспечивает передачу постоянной составляющей тока фотодетектора в электронный тракт.

Приемник излучения

Основной задачей приемника излучения в составе ОЭС является преобразование потока излучения в электрический сигнал и согласование оптического и электронного трактов системы.

В качестве приемника излучения используется широкий диапазон устройств, работающих на основе внешнего и внутреннего фотоэффектов. Выбор того или иного устройства обусловлен областью спектра, в которой необходимо обеспечить заданную чувствительность системы, ее быстродействием, решаемой задачей и рядом конструктивных требований, обеспечивающих ее тактико-технические характеристики. В соответствии с этим основными параметрами, по которым оцениваются свойства фотоприемного тракта, являются: пороговый поток, темновой ток, постоянная времени и сопротивление фотодетектора.

Пороговый поток Ф_п. Используется в системах для обнаружения слабых потоков излучения и определяют его как минимальный поток излучения на входе фотоприемника, создающий на выходе сигнал U_н равный по величине среднеквадратичному значению напряжения шумов . Пороговый поток измеряется по излучению специального источника и зависит от его спектрального распределения, что требует указания в справочных данных типа источника при его оценки. Так как пороговый поток зависит от величины шумов ФПУ, связанной с шириной полосы пропускания, то часто поток оценивают в единичной полосе. Шумы фотодетектора зависят от площади чувствительной поверхности [ ], следовательно, и пороговый поток является ее функцией. Для учета этих влияний при сравнении фотоприемников используют удельный пороговый поток , Вт Гц^1/2 см^-1. Величину обратную пороговому потоку называют обнаружительной способностью D=1/Ф_п, а величину обратную удельному пороговому потоку называют удельной обнаружительной способностью .

Чувствительность фотодетектора. Чувствительность фотодетектора разделяют на интегральную, обозначая ее S_инт и монохроматическую (спектральную), обозначая ее S_l.

Интегральная чувствительность фотодетектора отражает его реакцию на поток излучения приходящий на фотодетектор в широком спектральном диапазоне , либо потоком излучения только в видимой области спектра, , где - спектральная, относительная чувствительность глаза, -относительная , спектральная плотность потока излучения, -абсолютное, максимальное значение хроматической чувствительности глаза (683 лм/Вт ), - абсолютное, максимальное значение спектрального потока (Вт), ₁ и ₂ -пределы интегрирования, и оценивается, как правило, по отношению к излучению эталонного источника.

Монохроматическая (спектральная) чувствительность S_l отражает реакцию фотодетектора на поток излучения Ф_l в узком спектральном диапазоне.

На практике часто используется оценка реакции фотодетектора в электронной цепи и, в зависимости от измеряемой электрической величины, различают токовую S_I и вольтовую S_u чувствительности. Эти параметры характеризуют фотодетектор в конкретной схеме включения. Токовая чувствительность S_I определяется отношением фототока созданного фотодетектором I_ф (A) к величине потока излучения Ф (Вт, лм) вызвавшему его, как в рабочем режиме, так и в режиме без нагрузки. Различают статическую и дифференциальную чувствительности. Статическая чувствительность определяется как отношение постоянных значений измеряемых величин, а дифференциальная, как отношение их приращений. Вольтовая S_u чувствительность определяется отношением напряжения u_н (В) фотосигнала на нагрузке фотодетектора к потоку Ф (Вт, лм) излучения на его фоточувствительной поверхности.

Часто чувствительность приборов, работающих на основе внешнего фотоэффекта, к монохроматическому излучению оценивают количеством эмитируемых электронов или числом носителей заряда образованных под действием падающего монохроматического потока излучения. Такая чувствительность называется квантовым выходом, или квантовой эффективностью. Она представляется как отношение числа фотоэлектронов n на выходе фоточувствительного элемента к числу фотонов N, падающих на его поверхность , где I_l - ток (A), e – заряд электрона, S_l -монохроматическая чувствительность (A/Вт), l - длина волны (нм).

Темновой ток I_т. Это ток в цепи необлученного фотодетектора с источником питания. Зависит от температуры прибора, связан с наличием токов утечки и специфическими физическими процессами ф материале фоточувствительного слоя.

Постоянная времени фотодетектора t. Характеризует его реакцию на появление и исчезновение облучения чувствительного слоя, проявляется в замедлении скорости достижения максимального значения и скорости спада сигнала, связано с наличием собственной емкости чувствительного слоя и его сопротивления, определяющих его величину, оценивается на уровне 0,63 от стационарного значения для переднего и заднего фронтов сигнала.

Сопротивление фотодетектора. Различают темновое R_т (для фоторезисторов) и дифференциальное (для фотодиодов). Определяет оптимальную величину нагрузки, величину постоянной времени и уровень собственных шумов.

Основными характеристиками, которыми описываются свойства фотоприемного устройства, являются: спектральная характеристика, спектральная плотность напряжения шумов, частотная характеристика, энергетическая характеристика, вольтовая и фоновая характеристики.

Спектральная характеристика

Отражает зависимость монохроматической, токовой чувствительности S_абс(l), или квантового выхода от длины волны. Рассматривают абсолютные спектральные характеристики, в которых фототок рассчитывается на единицу спектральной мощности поглощенного излучения или относительные S(l) спектральные характеристики, у которых абсолютные значения монохроматической чувствительности выражены в долях максимального значения S_lmax , то есть S(l)=S_абс(l)/S_lmax .