В оптико-электронном приборе фокусирующая оптическая система представляет собой один из элементов тракта передачи и прербразования сигнала (и элементов фона). Именно это ее свойство,влияющее на процесс обработки информации, подлежит изучению .
Внутренняя структура и аберрационные свойства фокусирующих оптических систем составляют предмет геометрической оптики.
3. Приемники излучения (определение и классификация)
Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов — оптико-электронные—обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.
Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника — способность обнаруживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной технической литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии — детектор, т. е. обнаружитель.
Таким образом, приемник излучения представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению.
Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.
Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам: виду энергии, в которую преобразуется излучение; характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения; области спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение; рабочей температуре чувствительного слоя.
По виду энергии, в которую преобразуется излучение, приемники излучения делятся на тепловые, фотоэлектрические или фотонные, люминесцентные, фотохимические.
В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется в теплоту, а регистрация преобразования сводится к измерению приращения температуры приемной площадки, нагретой вследствие облуче ния. Способ регистрации изменения температуры определяет конкретный тип теплового приемника излучения.
В термоэлементе изменение температуры приемной площадки вызывает появление электродвижущей силы в контуре, образованном двумя спаянными или сваренными проводниками из различных металлов.
В болометре изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления проводника или полупроводника.
В оптико-акустическом приемнике изменение температуры приемной поверхности, образующей одну из стенок газовой камеры, вызывает изменение температуры и объема газа и прогиб мембраны — второй стенки газовой камеры.
В эвапорографе изменение температуры вызывает изменение толщины масляной пленки.
В диэлектрическом приемнике изменение температуры вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора, имеющей сильную температурную зависимость, и соответствующее изменение емкости конденсатора регистрируется. Разновидностью диэлектрического приемника является пироэлектрический приемник излучения, в котором диэлектриком конденсатора служит сегнето-электрик, т. е. вещество, на поверхности которого появляется электрический заряд при механических деформациях.
Неравномерный нагрев конденсатора приводит к деформациям, и на обкладках конденсатора возникают заряды, которые регистрируются.
В термиконе изменение.температуры вызывает изменение величины фотоэмиссии и т.д.
В фотоэлектрических (фотонных) приемниках энергия излучения преобразуется в механическую энергию электронов, испускаемых облучаемым веществом. Если электроны, освобожденные квантами излучения, покидают вещество, из атомов которого они вырваны, то явление носит название внешнего фотоэффекта, если же электроны остаются в веществе, то явление называется внутренним фотоэффектом. Влияние внутреннего фотоэффекта на характеристики вещества может быть различным в зависимости от условий, которые созданы для освобожденных электронов. Если они могут перемещаться внутри вещества в любом направлении, то вещество остается нейтральным и лишь электропроводность его изменяется. Если же в веществе созда- ются условия односторонней проводимости и электроны могут перемещаться лишь в одном направлении, то в веществе возникает разность потенциалов, создающая ток во внешней цепи.
Фотоэлектрические приемники излучения, в которых используется явление внешнего фотоэффекта, называются фотоэмиссионными приемниками. К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи (ЭОПы) и некоторые телевизионные передающие трубки (диссектор, иконоскоп, суперконоскоп, ортикон, суперортикон и др.).
Приемники с внутренним фотоэффектом, в которых используется явление изменения электропроводности вещества, называются фоторезисторами или фотосопротивлениями.
Приемники, в которых используется явление возникновения э. д. с, называются фотогальваническими, вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запорным слоем.
Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применяются полупроводники с различным типом проводимости, то наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с р- и п-проводимостью при неравномерном освещении чувствительного слоя образуется разность потенциалов вдоль р-n-перехода. Эту фото-э. д. с. называют продольной или боковой, а соответствующие приемники — фотоэлементами с продольным или боковым эффектом.
Если к чувствительному элементу приемника излучения с запорным слоем приложить напряжение так, что оно препятствует возникновению тока во внешней цепи приемника при освещении, то изменение величины потенциального барьера под действием излучения приводит к изменению сопротивления и падению напряжения на приемнике. Этот режим работы называют фотодиодным. Изменение тока, проходящего через фотодиод при освещении, может усиливаться, как в обычном полупроводниковом триоде, тем же полупроводником, в котором создан запорный слой. В этом случае соответствующий комбинированный приемник излучения называется фототриодом. Условия односторонней проводимости и, следовательно, появления э. д. с. при освещении, можно создать в полупроводнике, помещая его в магнитное поле, ориентированное по нормали к падающему излучению. В этом случае носители тока (электроны и дырки) отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, что приводит к возникновению в образце разности потенциалов. Описанное явление носит название фотомагнитного эффекта.
В люминесцентных приемниках излучения происходит преобразование излучения одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава. Типичным представителем этого типа приемников является метаскоп — светосостав, высвечивающийся под действием ИК-излучения за счет накопленной им световой энергии при предварительном облучении ультрафиолетом, синим излучением неба или радиоактивным веществом.
В фотохимических приемниках энергия излучения вызывает всевозможные химические превращения. В фотопластинке, например, происходит фотохимическая реакция разложения галоидных солей серебра, причем металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение источника излучения. В глазу, человека под действием света в светочувствительных элементах сетчатки происходит фотохимический процесс, при котором продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва и световое ощущение.
В зависимости от характера изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения приемники излучения можно разделить на две большие группы: неселективные, чувствительность которых остается постоянной в определенном достаточно широком участке спектра; селективные, чувствительность которых зависит от длины волны падающего излучения.
К неселективным приемникам, в частности, относится большинство тепловых приемников излучения, у которых обеспечивается постоянство коэффициента поглощения приемной площадки при изменении длины волны за счет чернения — покрытия копотью, испарения металлов в вакууме и т. д.
Приемники излучения можно относить к одной из пяти больших групп для областей спектра: ультрафиолетовой (1—380 нм); видимой (380—780 нм); ближней ИК-области (780—1400 нм); средней ИК-об-ласти (1,4—6,0 мкм); далекой ЙК-области (6,0—1000 мкм).
К первой группе относятся фотоэмульсии, некоторые фотоэмиссионные приемники, тепловые приемники и фоторезисторы.