Оптические измерения

Свет имеет электромагнитную природу. Его можно рассматривать как распространение энергии квантов или электромагнитных волн. Разным зонам спектра соответствуют названия: ультрафиолетовое (УФ) излучение, видимый свет, ближний, средний и дальний диапазоны инфракрасного (ИК) излучения. Видимый диапазон соответствует электромагнитному излучению с длинами волн от 0,4 до 0,9 мкм. УФ излучение характеризуется длинами волн менее 0,4 мкм, ближний ИК диапазон – 0,9…1,5 мкм, средний – 1,5…4 мкм и дальний – 4…100 мкм.

Информативными параметрами оптического излучения являются интенсивность, распределение интенсивности в диапазоне частот (спектр), распределение интенсивности в пространстве (изображение), фаза и поляризация. С целью измерения оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью специальных преобразователей (детекторов).

Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучений, называются световыми детекторами (фотоприемниками). Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы, приборы с зарядовыми связями (ПЗС) и т.д.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида:

· изменение электропроводности вещества при его освещении – внутренний фотоэффект;

· возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света фотоэффект в запирающем слое (используется в полупроводниковых фотоэлементах);

· испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластинка, электрическое сопротивление которой при освещении уменьшается. Изменение проводимости материала фоторезистора происходит за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны вещества и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Основной характеристикой фоторезистора является чувствительность – отношение выходной величины ко входной. Чаще применяется токовая чувствительность S_Ф, фототока I_Ф к световому потоку Ф или к освещенности Е

S_Ф = I_Ф/Ф; S_E = I_Ф/E.

Фотодиоды имеют структуру обычного p-n-перехода. В результате освещения полупроводника по обе стороны от p-n-перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. Если p-n-переход разомкнут, то происходи накопление отрицательного заряда в n-области и положительного – в p-области. ЭДС, возникающая на выводах фотодиода при его освещении, называется фотоэлектродвижущей силой. Ее величина зависит от светового потока, облучающего p-n-переход. Если параллельно фотодиоду присоединить резистор, то в цепи пойдет ток. При этом фотодиод работает в режиме генератора, преобразуя световую энергию в электрическую.

Однако чаще фотодиод включают в схему совместно с источником электрической энергии, положительный полюс которого подключен к n-области, а отрицательный – к p-области. Таким образом, на p-n-переход подается запирающее напряжение. Через фотодиод при отсутствии освещения протекает очень небольшой темновой ток. При освещении фотодиода поток носителей заряда через p-n-переход возрастает, увеличивается ток во внешней цепи.

Фототранзистор, как и обычный транзистор, имеет два p-n-перехода. Конструктивно фототранзистор выполнен таким образом, что световой поток облучает область базы. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но за счет усилительных свойств транзистора токовая чувствительность существенно выше.

Многоэлементные фотоприемники имеют плоскую решетку, образованную системой ортогональных проводников. Фоточувствительные элементы расположены в местах пересечения проводников и связаны с ними электрически. Электронные схемы управления обеспечивают последовательный опрос всех фоточувствительных элементов. В итоге получается полная информация о распределении светового потока по поверхности светочувствительной матрицы.

В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, приборы с зарядовыми связями.