Ишанин Г. Г.
Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов
ЛЕНИНГРАД
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1986
Рецензент В. А. Зверев
Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Ленинград: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986.
В книге описаны особенности работы приемников излучения в оптических и оптико-электронных приборах, принципы их действия, параметры, характеристики, конструктивное оформление. Рассмотрены приемники на внутреннем и внешнем фотоэффекте, включая телевизионные трубки и приборы с зарядовой связью. Включен материал по тепловым приемникам.
Книга предназначена инженерно-техническим работникам, занимающимся созданием оптических, оптико-электронных, светоизмерительных приборов и приборов вычислительной техники и автоматики.
© Издательство «Машиностроение», 1986.
Содержание книги
Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов
Предисловие
Глава 1. Классификация, параметры и характеристики приемников оптического излучения
1.1. Классификация приемников
1.2. Параметры и характеристики оптического излучения
1.3. Параметры и характеристики приемников излучения
Глава 2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта
2.1. Принцип действия приемников
2.2. Фоторезисторы
2.3. Фотодиоды
2.4. Приемники с внутренним усилением фототока
2.5. Приемники излучения на основе многокомпонентных систем
2.6. Многоцветные приемники оптического излучения
2.7. Координатные фотоприемники
2.8. Развертывающие приемники
Глава 3. Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта
3.1. Принцип действия приемников
3.2. Электровакуумные фотоэлементы
3.3. Фотоэлектронные умножители
3.4. Приемники излучения, модулированного сверхвысокой частотой
3.5. Диссекторы
3.6. Электронно-оптические преобразователи
Глава 4. Тепловые приемники оптического излучения
4.1. Термоэлементы
4.2. Болометры
4.3. Оптико-акустические (пневматические) приемники
4.4. Пироэлектрические приемники
4.5. Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце
4.6. Радиационные калориметры
Глава 5. Глаз и фоточувствительные материалы в оптических приборах
5.1. Устройство глаза и особенности его работы с оптическими приборами
5.2. Некоторые специальные виды фоточувствительных материалов, используемых в оптических приборах
Приложения
Список литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ
В решениях XXVI съезда КПСС определены основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года. На XXVI съезде КПСС, а затем и на XXVII съезде было указано на необходимость опережающими темпами развивать производство управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним, электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков, систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования, увеличить выпуск оптических приборов.
Решение перечисленных задач невозможно без приемников оптического излучения (ПОИ), осуществляющих связь между объектом, исполнительным органом и системой регистрации автоматических комплексов.
Приемники оптического излучения (ПОИ) можно разделить на две большие группы: биологические (глаз, кожный покров, лист растения и т. д.) и физические (термоэлемент, фотоэлемент, фотографическая пластинка и т. д.). Первая группа ПОИ существует столько, сколько лет существует природа и все живое на земле. Вторая группа существует почти 300 лет, так как первый фотохимический ПОИ был открыт молодым русским химиком-любителем, впоследствии известным государственным деятелем и дипломатом А. П. Бестужевым-Рюминым (1693—1766) и немецким анатомом и хирургом И. Г. Шульце (1687—1744) [45].
В сороковых годах нашего столетия в СССР было дано физико-теоретическое обоснование работы приемников на основе внутреннего фотоэффекта в работах А. Ф. Иоффе, Б. Т. Коломийца, С. М. Рывкина, Л. Н. Курбатова, В. В. Балакова, Д. В.Наслёдова, В. Е. Лошкарева и др. В 1941 г. в Германии появились фоторезисторы на основе сернистого свинца PbS, а в 1948 г.— в СССР — на основе сернистого висмута Bi2S3. В 1952 г. также в СССР созданы фоторезисторы из поликристаллического сернистого кадмия CdS [3]. В 1945 г. в США разработаны ночные электронно-оптические преобразователи для стрелкового оружия. В 1950 г. В. Шокли высказал идею построения четырехслойной р—п—р—n-структуры, что привело к созданию фирмой «Дженерал Электрик Техас Инструменте» (General Electric Texas Instrument) в 1957 г. фототирйсторов.
В 1951 г. в СССР под руководством М. М. Бутелова созданы первые образцы многокамерных электронно-оптических преобразователей, работающих в ночное время без искусственной подсветки. В 1956 г. появилось первое сообщение Д. Бэрнса о тепловом преобразователе изображения на пироактивных кристаллах, что явилось новым крупным шагом в их использовании и привело к созданию передающих телевизионных трубок, работающих в инфракрасной области спектра.
В 1962 г. И. И. Коок, В. Л. Фловерс и С. Б. Арнольд создали первый пондеромоторный приемник излучения лазеров, работающий на давлении света [44]. В 1969 г. появились первые приемники лазерного излучения на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце [29]. И, наконец, в 1969 г. была выдвинута идея создания приборов с зарядовой связью (ПЗС). Сегодня ПЗС прошли рубеж 15-летия, но темпы их развития не снизились. Если в 1974 г. В. С. Бойл и Дж. Смит создали матричный ПЗС — формирователь изображения, состоящий из 256X220 элементов, то в 1980 г. матрицы состояли из 800X800 элементов; а в 1981 г. в Японии появились бытовые цветные ПЗС — телекамеры для видеомагнитофонов.
В последние десятилетия ученые всех стран интенсивно работали над улучшением параметров и характеристик перечисленных типов приемников излучения, появились позиционно-чувствительные фоторезисторы и фотодиоды, лавинные фотодиоды, обладающие малой постоянной времени и эффектом внутреннего усиления фототока, фототриоды, сильноточные тиристоры. Особое внимание уделяется мозаичным и матричным ПОИ. Появились передающие телевизионные трубки на внутреннем фотоэффекте с полупроводниковыми резистивными и диодными мишенями, новые образцы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ): высокочастотные, канальные жалюзийные и т. д. Одновременно ежегодно появляются и принципиально новые виды приемников излучения (например, с использованием нелинейных эффектов в кристаллах и т. д.). В настоящее время нет почти ни одной области науки и техники, где не применялись бы фотоприемники. Рассмотрим место и значение ПОИ в оптических и оптико-электронных приборах.
Оптический прибор (ОП) — это оптическая система с определенным функциональным назначением. Оптические системы работают в основном с глазом (биологический ПОИ) или с фоточувствительными материалами (фотохимические ПОИ). Однако существует исключение: фотографический аппарат останется оптическим прибором какие бы механические (автоматизация работы) или электронные устройства (фотоэкспонометр с ПОИ) не были в него введены, так как основная его функция — образование изображения на фотографической пленке (фотохимическом ПОИ) — осуществляется фотографическим объективом [73].
С биологическим ПОИ — глазом — работают оптические приборы визуального наблюдения: лупы, микроскопы, прицелы, геодезические и астрономические приборы и т. д.; фотометрические для измерения световых величин — фотометры; медицинские приборы; лабораторные и контрольно-измерительные: оптические скамьи, гониометры, коллиматоры, сферометры и т. д.
С фотохимическими ПОИ — светочувствительными материалами — работают фото-, кино- и аэрофотоаппараты и спектральные приборы — спектрографы [73]. Глаз и фотохимические приемники излучения занимают главное место в оптических приборах — без них они^не функционируют, а глаз человека является уникальным мозаичным ПОИ, которому свойственна высокая разрешающая способность, высокая чувствительность, а в сочетании с работой мозга — не достижимая пока ни одним автоматическим устройством способность выполнять сложные операции опознавания объектов [75].
Оптико-электронными (ОЭП) называют приборы, в которых информация об исследуемых, управляемых или наблюдаемых объектах переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии оптического излучения в электрическую при помощи ПОИ [76]. ПОИ преобразуют оптическое излучение в электрический сигнал и обеспечивают автоматизацию процесса регистрации. ПОИ — важнейшие элементы ОЭП обнаружения излучающих или отражающих объектов; ОЭП для наблюдения координат (пеленгаторы, дальномеры, локаторы); ОЭП для автоматического сопровождения движущихся объектов (системы управления по лучу, приборы оптической связи, приборы для научных исследований — спектроанализаторы, радиометры и т. д.) в опознающих ОЭП; ОЭП дистанционного зондирования природных ресурсов; ОЭП для автоматической обработки графической информации; в контрольно-измерительных ОЭП и т. д. [76].
Глаз и фотохимические ПОИ имеют ограниченный спектральный диапазон чувствительности и не работают в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах спектра, обладают недостаточным порой разрешением даже с оптической системой, малым быстродействием и их нельзя использовать при высоких температурах, радиации и т. д. в противоположность другим видам ПОИ, используемых в ОЭП. Вследствие этого ПОИ начали применять в ОП для фотоэлектрической регистрации результатов, т. е. появились первые ОЭП [76].
ПОИ с оптической системой в ОЭП выполняют те же функции, что и радиоприемные антенны в радиоэлектронных приборах, однако они работают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн, хотя и выполняют часто одну и ту же задачу.
Работа ПОИ на меньших длинах волн по сравнению с радиоприборами позволяет реализовать высокую точность, так как минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны излучения X к диаметру входного зрачка D (k/D).
Недостатком использования ОЭП с ПОИ является большое ослабление оптического излучения в атмосфере, что дает преимущество при работе радиоприборам. ОЭП с ПОИ имеют по сравнению с радиоприборами большую информационную емкость, так как оптическое излучение более высокочастотное. В ОЭП с ПОИ возможна двойная (пространственная и временная) модуляция излучения и более удобная визуальная форма представления информации. В наземных условиях необходимы комплексные системы, которые включали бы в себя ОП, работающий с глазом, ОЭП — с ПОИ и радиоприбор, пак как для ОЭП и радиоприборов много помех от искусственных и естественных излучателей. Ъ космосе условия распространения излучения оптического диапазона по сравнению с радиодиапазоном идентичны и при одинаковой энергоемкости и габаритных размерах ОЭП с ПОИ (например, в системах космического наведения или связи) имеют преимущества относительно радиоприборов по дальности действия и точности.
Несмотря на обилие литературы по ПОИ, большинство опубликованных работ посвящено теоретическим вопросам построения ПОИ и основное внимание в них уделяется приемникам на внешнем и внутреннем фотоэффектах.
Данная книга «Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов» ставит перед собой задачу обобщения материалов за последние десятилетия.
Скачать книгу "Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов". Ленинград, Издательство "Машиностроение", 1986
|
