Электрооптические системы. Инфракрасные системы формирования изображения (VIR)

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

В предыдущей главе были рассмотрены фотографические системы. Излучение таких систем определяется посредством фотохимических процессов. В этой главе будут рассмотрены системы, в которых излучение преобразуется в электронный сигнал. Как известно, электронный сигнал можно выделить, усилить и подвергнуть разнообразным обработкам. Этот метод имеет множество преимуществ, не последними из которых являются простота передачи данных с помощью модулированного радиосигнала, запись и хранение данных в цифровом виде и компьютерная обработка.

Системы, которые будут рассмотрены в этой главе, способны распознавать излучение в видимом, ближнем инфракрасном (VIR) и термальном инфракрасном (TIR) диапазонах электромагнитного спектра. К этим системам относятся системы формирования изображения

Инфракрасные системы формирования изображения (VIR)

Датчики

            В электрооптических системах излучение попадает на соответствующие датчики, которые генерируют электрический сигнал, зависящий от интенсивности излучения.

            Одним из самых простых датчиков излучения ближнего инфракрасного диапазона является фотоумножитель. Это устройство на основе вакуумной трубки, схема которого изображена на рис. 6.1. В вакуумной трубке вмонтированы несколько электродов с различными электрическими потенциалами. Фотон падает на электрод с самым отрицательным потенциалом (фотокатод) и вызывает инжекцию электрона за счет фотоэлектрического эффекта. Электрон ускоряется промежуточными электродами (динодами) за счет более положительных потенциалов на них. С увеличением кинетической энергии электрон вызывает инжекцию все большего количества электронов из электродов. Этот процесс повторяется много раз с новыми электронами, пока весь поток не попадет на самый положительный электрод (анод). На аноде образуется измеряемый ток. Величина этого тока зависит от интенсивности измеряемого излучения.

            Минимальная энергия фотона, которая может быть определена фотоумножителем, называется работой выхода W материала фотокатода. W является разницей между энергией электрона в вакууме и энергией электрона в материале фотокатода.

            Для металлов W обычно составляет от 2 до 5 эВ. Таким образом, максимальная длина волны, которую фотоумножитель может определить, равна 0,6 мкм. Некоторые сплавы обладают гораздо меньшей работой выхода и могут определять излучение с длиной волны около 1 мкм.

Фотоумножитель очень чувствительный прибор — время срабатывания составляет порядка 1 нс. Основными его недостатками являются механическая хрупкость, относительно большие размеры и необходимость высокого напряжения — около 1 кВ.

Излучение в ближней инфракрасной области обычно определяется с помощью фотодиодов. Фотодиоды в основном изготавливаются из антимо- нида индия (InSb) или сульфида свинца (PbS). При попадании фотона на фотодиод через переход диода начинает протекать ток. Этот сигнал пропорционален интенсивности света.

Любой полупроводниковый диод состоит из двух частей, одна из которых обладает избытком электронов (полупроводник «n-типа), у другой отмечен недостаток электронов (полупроводник p-типа). Между ними образуется переход — граница, через которую свободные электроны переходят в обедненную зону. Если приложить внешнее электрическое поле от полупроводника p-типа к полупроводнику p-типа — прямое смещение, то поток электронов увеличится и обедненная зона станет уже. Если внешнее электрическое поле подключить в обратном направлении (обратное смещение), ток станет незначительным, а обедненная зона увеличится.

            Если диод без внешнего смещения подвергнуть электромагнитному облучению, то фотон способствует образованию пар электрон/дыра в полупроводнике p-типа. Возникает внутреннее электрическое поле, которое образует разницу потенциалов, пропорциональную интенсивности излучения, проходящего через диод. Это явление называется фотогальваническим эффектом. Если диод с обратным смещением подвергнуть электромагнитному облучению, то возникнет ток, пропорциональный интенсивности излучения. А процесс называется фотопроводимостью и обладает более скоростной характеристикой (около 1 нс). Фотопроводимость фотодиода проиллюстрирована на рис. 6.2

Максимальная длина волны фотона (т. е. минимальная энергия), которая может быть распознана фотодиодом, определяется энергией, требующейся для образования пар электрон/дыра. Такая энергия называется энергией ионизации полупроводника или шириной запрещенной энергетической зоны. Например, германий обладает относительно большой энергией ионизации, которая обеспечивает ширину запрещенной зоны 1,7 мкм. У антимонида индия она составляет 3 мкм, а у сульфида свинца — 5 мкм.