В последнее время для оценки передаточных свойств системы, создающей изображение, широкое применение нашли пространственно-частотные характеристики (ПЧХ) или контрастно-частотные характеристики (КЧХ) (см. стр. 649). ПЧХ электронно-оптического преобразователя типа ПИМ-3 представлена на рис 28-28. Разрешающая способность преобразователя может быть получена из ПЧХ как абсцисса точки пересечения ПЧХ и суммарной кривой пространственных шумов экрана (зернистость экрана) и зрительного аппарата наблюдателя.

Шумы ЭОП, т. е. флуктуации свечения экрана ЭОП во времени, обусловлены тер-мо- и автоэмиссией электронов с фотокатода при отсутствии внешнего источника облучения. Поскольку ЭОП используется в визуальной системе наблюдения, то пороговая чувствительность ЭОП зависит от пороговой чувствительности зрительного аппарата наблюдателя.

Фотоэлектронные умножители. Фотоэлементы, в которых используется явление вторичной эмиссий, называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Их устройство показано на рис. 28-29. Электроны, выбитые из фотокатода, поступают под действием фокусирующего электрического поля не на анод, а на специальные эмиттеры (диноды), которые могут испускать более одного электрона, когда на них попадает один электрон. Поступая последовательно на каждый эмиттер, электронный поток усиливается и при 12- 14 эмиттерах можно получить внутри ФЭУ усиление порядка 107.

ФЭУ предназначен для измерения малых лучистых потоков, максимальная величина которых определяется максимальным выходным током ФЭУ и его интегральной чувствительностью. Так, например, при 1вых.макс = 102 а и ф=Ю а/лм

= Ю-3 лм. (28-30)

Спектральная чувствительность ФЭУ определяется спектральной чувствительностью их фотокатодов (см. рис. 28-24).

Интегральная чувствительность ФЭУ зависит от интегральной чувствительности фотокатодов, коэффициента вторичной эмиссии эмиттеров и напряжения, приложенного между эмиттерами.

ФЭУ обладает хорошими динамическими свойствами (см. рис. 28-21).

Шумы и пороговая чувствительность ФЭУ. Дробовые шумы, обусловленные темповым током умножителя, усиливаются последующими каскадами наравне с сигналом. Выражение для дробового шума на выходе ФЭУ имеет вид:

= Че /т bfM (1 + В), (28-31)

где /т - темповой ток умножителя, в основном определяемый термоэлектронной эмис-

сией фотокатода и эмиттеров и током утечки; М - коэффициент усиления умножителя. Член (1+В) учитывает возрастание дробового шума за счет флуктуации числа электронов вторичной эмиссии. В среднем он равен 2,5.

Рис. 28-29. Конструкция фотоумножителя.

/-фотокатод; 2-проводящее покрытие; 3 - вывод фотокатода; 4, 5-диафрагмы; 6, 7 - эмиттеры; 8 - анод.

Пороговая чувствительность ФЭУ выше пороговой чувствительности системы фотоэлемент - усилитель при одинаковом коэффициенте усиления обоих устройств. Объясняется это тем, что в ФЭУ вместе с сигналом усиливается только дробовой шум фотокатода н первых эмиттеров, в то время как в системе фотоэлемент - усилитель вместе с сигналом усиливается как дробовой шум фотокатода, так и тепловой шум, возникающий в сопротивлении нагрузки усилителя.

С помощью современных ФЭУ можно измерять световые потоки порядка Ю-12- 10-13 лм.

Приемники излучения с внутренним фотоэффектом

Фоторезисторы. Фоторезисторами (ФР) называются полупроводники, которые изменяют свою проводимость при воздействии на них лучистого потока (эффект фотопроводимости). Схема включения ФР аналогична схеме рис. 28-26. Некоторые ФР работают при глубоком охлаждении, которое способствует повышению их интегральной и пороговой чувствительности.

Различают ФР пленочные и монокристаллические. Последние бывают беспримесными и с примесями. Из-за наличия примесей спектральная чувствительность ФР может быть сдвинута в далекую ИК-об-ласть спектра.

Спектральная чувствительность ФР пропорциональна квантовой эффективности

полупроводника, времени жизни носителей, приложенному напряжению и обратно-пропорциональна исходной концентрации носителей в полупроводнике. Длинноволновая граница спектральной чувствительности ФР определяется наименьшей шириной энерге-

Рис. 28-30. Кривые спектральной чувствительности беспримесных ФР.

i г з } б в ю го jb w> so*

Рис. 28-31. Кривые спектральной чувствительности монокристаллических ФР.

тического перехода между валентной зоной, зоной проводимости и зонами примеси. Кривые спектральной чувствительности беспримесных ФР представлены на рис. 28-30, а монокристаллических ФР с различными примесями на рис. 28-31.

Интегральная чувствительность ФР, включенных по схеме на рис 28-26, определяется формулой

ARU АпЦ

Ф ~ 4ЯфрДР = 4пАР

где AR- изменение сопротивления ФР при его облучении потоком ДР; /?фР - сопротивление ФР; U - напряжение питания схемы; п- исходная концентрация носителей в зоне проводимости; An - приращение концентрации носителей в зоне-проводимости.

Ток ФР связан с приложенным напряжением £7фР и лучистым потоком Р следующей зависимостью.

где с - постоянная, определяемая свойствами материала и конструкцией ФР; у й а - коэффициенты нелинейности вольт-ам-периой и световой характеристик.

7,0 U J I > > Е\

Z0 50 100 200 50ОП00лк

Рис. 28-32L Световые характеристик ки ФР (фотодиодов).

Рис. 28-33. Вольт-амперные харак теристики ФР (фотодиодов).

При U=const получаем уравнение световой характеристики

фР=ЛРа ,

производная от которого дает интегральную чувствительность.

Световые и вольт-амперные характеристики ФР приведены на рис. 28-32 и 28-33. Световая характеристика пленочных ФР нелинейна, а кристаллических с примесями в большинстве случаев - линейна.

Интегральная чувствительность ФР обратно пропорциональна нх площади, вследствие увеличения при этом исходной концентрации носителей.

Инерционность ФР увеличивается с увеличением времени жизни носителей. Поэтому у охлаждаемых ФР инерционность всегда выше, чем у иеохлаждаемых.

Шумы. У пленочных ФР преобладают токовые шумы. При засветке шумы пленочных ФР несколько снижаются. В монокрнс-таллических ФР определяющим является

F-P-шум. Все шумы уменьшаются при

охлаждении ФР.

Для уменьшения флуктуации излучений фона угол, в пределах которого поток от фона поступает на ПИ, уменьшают путем постановки перед чувствительным элементом охлажденных экранов. Для этой

+ 1 -

в г- 8-т р I 1 I

вдоль перехода {продольный фотоэффект), полярность которой изменяется при смещении облучаемого участка относительно центра чувствительного слоя. Продольный фотоэффект используется при создании следящих устройств, не имеющих механических модуляторов.

- Электроны + Дырки

> Ионы

Рис 28-34. Схема образования р-п перехода.

же цели охлаждают фильтры, устанавливаемые перед ФР.

Пороговая чувствительность ФР улучшается при их охлаждении, а при засветке ухудшается за счет уменьшения интегральной чувствительности. Для ФР свинцовистой группы пороговая чувствительность имеет максимум в зависимости от частоты модуляции лучистого потока. Происходит это потому, что при увеличении частоты, на которой проводится измерение, уменьшается токовый шум, ио одновременно происходит снижение интегральной чувствительности ФР.

Пороговая чувствительность ФР обратно пропорциональна корню квадратному из площади чувствительного элемента и полосы пропускания усилительной системы.

Фотогальванические элементы (фотоэлементы с запорным.слоем). На р-п переходе образуется слой, обладающий односторонней проводимостью - запорный слой (см. рис.- 28-34). При облучении перехода возникает фото-э. д. с, плюс которой находится на слое р, а минус - на слое п. Фото-э. д. с. пропорциональна логарифму облученности и уменьшается с увеличением нагрузки. Фотогальванический элемент (ФГЭ) может работать не только как источник э. д. с, но и как ФР (в этом случае он называется фотодиодом). При работе ФГЭ в режиме фотодиода внешний источник напряжения подключается таким образом, чтобы увеличивалась высота запорного слоя, т. е. плюс подводится к слою п, а минус - к слою р.

ФГЭ имеют небольшое внутреннее сопротивление, поэтому усиление их сигналов лучше осуществлять с помощью транзисторных усилителей.

У некоторых ФГЭ помимо фото-э. д. с, направленной перпендикулярно р-п переходу, возникает фото-э. д. с, направленная

И сполъзование фотоэлектромагнитного эффекта. Этот эффект возникает при облучении полупроводника, расположенного в магнитном поле. Носители, образующиеся при облучении, перемещаясь по кристаллу, пересекают магнитные силовые линии и, имея разноименный заряд, отклоняются к различным концам полупроводника, образуя фотомагннтную э. д. с. Величина э. д. с. пропорциональна облученности ПИ, напряженности магнитного поля и корню квадратному из времени жизни носителей.

Тепловые приемники излучения

Из тепловых приемников излучения (ТПИ) наиболее распространены термоэлементы и болометры. В ТПИ лучистый поток сначала преобразуется в тепловую энергию, под действием которой возникает э. д. с. (в термоэлементе) или изменяется проводимость ПИ (в болометре).

Спектральная чувствительность ТПИ определяется поглощающими свойствами приемной поверхности, и поэтому она постоянна в широком диапазоне спектра.

Интегральная чувствительность термоэлементов определяется выражением

ф = РтеРАЕ, (28-32)

где Рт - тепловое сопротивление приемного элемента; е - коэффициент поглощения чувствительного слоя; РАВ - термо-э. д. с. спая, состоящего

из материалов А н В. Интегральная чувствительность болометров, включенных по схеме рис. 28-26, равна: