Оптико-электронные преобразователи

Оптико-электронными называют преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина и выходная электрическая связаны потоком электромагнитного излучения оптического диапазона волн - (300-0,003) мкм. Оптико-электронный преобразователь, как правило, содержит источник излучения, оптический канал и приемник излучения, в котором энергия излучения преобразуется в выходной электрический сигнал.

Источники оптического излучения делятся на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (газоразрядные лампы, оптические квантовые генераторы-лазеры и светодиоды). Во многих случаях источником излучения является сам объект измерения.

Приемники оптического излучения делятся на тепловые и фотоэлектронные.

Принцип работы тепловых приемников основан на преобразовании энергии излучения в тепловую с последующим ее преобразованием в электрический сигнал. К ним относятся термоэлементы, болометры и пироэлектрики. Термоэлемент - это тонкий металлический диск с зачерненной поверхностью, которой касается рабочий спай термопары (диск под воздействием лучистой энергии нагревается). В болометрах используется изменение электрического сопротивления зачерненной тонкой полоски из проводникового или полупроводникового материала под действием повышения температуры, вызванного облучением. Пироэлектрик - это кристалл, электрическая поляризация которого изменяется при повышении температуры, вызванном поглощением падающего на него излучения.

Преобразование оптического сигнала в электрический осуществляется фотоприемниками, использующими различные физические эффекты. Фотоэлектриче­ские приемники излучения делят на две группы - фотоэлектрические приемники на основе внутреннего фотоэффекта и фотоэлектрические на основе внешнего фото­эффекта. Действие фотоэлектрических приемников излучения основано на измене­нии электронной структуры вещества при его облучении. Основными типами таких приемников являются фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисто­ры, многоэлементные твердотельные приемники излучения [2].

Внутренним эффектом называют процесс взаимодействия электромагнитного поля излучения с веществом, в результате которого энергия квантов излучения пе­редается электронам вещества, изменяющим в нем свое энергетическое состояние.

Рассмотрим общие для большинства фотоприемников параметры и характе­ристики, важные для их выбора: параметры чувствительности, пороговые и шумо­вые характеристики, параметры временных и спектральных характеристик, энерге­тические характеристики.

Спектральная чувствительность S определяется как отношение изменения вы­ходного сигнала фотоприемника (напряжения dv или тока dl) к вызвавшему это из­менение монохроматическому потоку:

(3.6)

Порогом чувствительности (пороговым потоком) Ф_п называют минимальную величину эффективного значения синусоидально-модулированного потока излучения, падающего на приемник, при котором среднее квадратическое значение выходного сигнала равно среднему квадратическому значению шума в единичной полосе Af частот:

(3.7)

где S_v - интегральная чувствительность по напряжению, порог чувствительности характеризует способность фотоприемника регистрировать малые сигналы.

Быстродействие фотоприемника характеризуется постоянной времени tпи промежутком времени, в течение которого сигнал на выходе приемника излучения уменьшается в с paз после прекращения облучения приемника. Более полно дина­мические свойства фотоприемника описываются частотной характеристикой - зави­симостью чувствительности приемника от частоты модуляции падающего на него потока излучения.

Спектральная чувствительность - зависимость чувствительности фотоприем­ника от длины волны X. Спектральная характеристика определяется материалом, из которого изготовлен приемник излучения. Например, CdS - максимальная чувстви­тельность в зеленой области спектра, CdSc - в красной области.

Энергетические характеристики - это зависимость величины полезного сигнала на выходе фотоприёмника от величины потока излучения, падающего на его чув­ствительную площадку.

Действие фоторезисторов основано на эффекте фотопроводимости (внутреннем фотоэффекте), заключающемся в образовании свободных носителей зарядов в полупроводнике под воздействием падающего излучения. Электрические схемы включения фоторезисторов представлены на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема включения фоторезистора

Фоторезисторы находят широкое применение в силу своих преимуществ обеспечение работы САУ в широком спектральном диапазоне, хорошая пороговая чувствительность.

Фотодиоды и их разновидности (лавинные фотодиоды, pin фотодиоды, дрейфовые фотодиоды), фототранзисторы относятся к группе приемников излучения с р-п переходами. Фотодиоды работают в фотовольтаическом режиме (без внешнего источника питания) и в фотодиодном режиме (с внешним источником питания). Схема включения фотодиодов показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Схема включения фотодиода: а) фотодиодный режим; б) фотовольтаический режим

Достоинствами фотодиодного режима являются: большая чувствительность, меньшая инерционность, большая линейность энергетической характеристики; не­достатком - большие шумы. Постоянная времени фотодиодов обычно около 10^-5 - 10^-6 с.

Несмотря на более высокую интегральную чувствительность, фототранзисторы уступают фотодиодам по стабильности характеристик, быстродействию и пороговым характеристикам.

В последние годы прочное место стали занимать многоэлементные твердо­тельные приемники излучения, основными преимуществами которых являются ши­рокий динамический диапазон, стабильность характеристик, малые габариты и масса, малая потребляемая мощность. Чувствительный слой многоэлементных приемников излучения состоит из отдельных элементов, разделенных малыми (до нескольких микрометров) промежутками и расположенными в виде линейки или двумерной структуры - матрицы.

Наиболее широкое применение в САУ находят приборы с зарядовой связью (ПЗС) - приемники излучения, предназначенные для формирования оптического изображения. Конструктивно ПЗС состоит из совокупности конденсаторов со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП - конденсаторов), принцип работы описан в многочисленных учебниках и монографиях. В ПЗС осуществляется внутренняя коммутация, что создает ряд преимуществ - отсутствуют шумы коммутации, геометрический шум в ПЗС зарядовые пакеты на выходе детектируются с помощью выходного диода или плавающего затвора, имеющего малую ёмкость, вследствие чего ПЗС обеспечивает большое отношение сигнал/шум. Линейные ПЗC имеют более простую организацию считывания и, как правило, лучшее разрешение. Например, известны линейки, имеющие длину 26 мм и состоящие из 1600 элементов, размер ячейки по оси сканирования составляет 16 мкм, разрешение равно 800 пар линий. В настоящее время разработаны матрицы с форматом изображения 12,5x12,5 мм и с числом элементов (480x380) и (496x576).

Статическая характеристика ПЗС приведена на рис. 3.13. Выходной сигнал зависит от энергии падающего излучения и от времени интегрирования, оба параметра связаны линейной зависимостью:

(3.8)

где К - постоянная, зависящая от параметров источника, среды и оптической системы.

Рис. 3.13. Статистическая характеристика ПЗС

В системе контроля печатных плат и фотошаблонов оптико-электронный преобразователь предназначен для получения полной информации о контролируемом объекте (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Оптико-электронный преобразователь

Печатная плата ПП освещается, оптическая система ОС формирует изображе­ние ПП в плоскости матрицы ПЗС типа К1200ЦМ1. Изображение размерностью (256x256) и 16 градациями яркости обрабатывается по соответствующим алгоритмам работы системы измерение габаритов ПП, размеров отверстий и контактных площадок, оценка разрывов и недопустимых сближений проводников и т.д.