Фотоэлектрические преобразователи

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

    Фотоэлектрические  преобразователи основаны на  принципе преобразования излучения  оптического диапазона в электрический  сигнал. Оптический диапазон занимает  область спектра электромагнитных  излучений от глубокого ультрафиолетового  до дальнего инфракрасного излучения  (0.01 мкм - 1000 мкм).

    Ряд фотоэлектрических  преобразователей использует принцип  прерывания. Интервалы засветки  и прерывания освещенности являются  в этом случае информативным  параметром изучаемого процесса. 

    Функция фотоэлектрических  преобразователей - преобразование  оптического излучения в электрический  сигнал. Эта функция выполняется  разнообразными приемниками излучения,  которые в основном относятся  к двум группам: собственно  фотоэлектрическим и тепловым.

               Это излучение может быть:

 • собственным  излучением исследуемого     объекта, 

 • отраженным  или рассеиваемым его поверхностью,

 • частично  поглощенным, если тело полупрозрачно. 

Фотоэлектрические приёмники

 

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ	ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
- ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ФОТОУМНОЖИТЕЛИ	ФОТОРЕЗИСТОРЫ ФОТОДИОДЫ ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

    Принцип действия  фотоэлементов с внешним фотоэффектом  заключается в том, что кванты  света, достигая чувствительной  поверхности фотокатода, вызывают  эмиссию фотоэлектронов, которые  под действием внешнего электрического  поля создают фототок. 

Внутренний фотоэффект

 

    Сопровождается  переходами электронов и дырок  внутри полупроводника из связанных  состояний в свободные.

   Фоторезисторы

    В результате  появления свободных носителей заряда изменяется сопротивление полупроводника.

    Действие основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения.

       Полупроводниковый  светочувствительный материал (сульфид  кадмия - ФСК, селенид кадмия –  ФСД, сульфид свинца – ФСА,  селенид свинца – СФ4) может  быть выполнен разными способами: 

       • нанесен  методом напыления в вакууме  или химическим осаждением на  изоляционную пластину, которая  помещена в пластмассовую или  металлическую оправу с окошком  для пропускания света. 

       • изготовлен  методом прессования из порошкообразного  материала в виде прямоугольных  или кольцевых пластинок с  последующей наклейкой на изоляционную  подложку.

      • изготовлен  из монокристалла. 

      Светочувствительный  слой всех фоторезисторов покрыт  прозрачной защитной лаковой  пленкой. 

      Варианты  конструктивного выполнения фоторезисторов :

• герметизированный металлостеклянный корпус,
• пластмассовый корпус,
• бескорпусное исполнение.

      Габаритные  размеры – 0,3 мм – 20 мм (в  среднем 1 – 4 мм).

  Фотодиоды

    Фотоэлектрические  приемники, в которых под действием  излучения возникает фотоЭДС на границе двух контактирующих материалов, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем.

    Они  выполняются на основе полупроводниковых  р-n переходов и могут использоваться в вентильном, или в диодном режиме — с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод. Вентильные фотоэлементы являются генераторными преобразователями.

Вентильный фотоэлемент представляет собой полупроводниковый диод, чувствительным элементом которого является полупроводник p-типа, над которым специальной обработкой образован тонкий слои полупроводника n-типа и разделяющий их тончайший запорный слой, называемый р-n-переходом. Сверху полупроводник покрыт полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 1 из серебра, золота или платины, служащей верхним электродом. Нижним электродом является металлическое основание 2.

 

Вентильный фотоэлемент  и его эквивалентная схема 

    Под действием светового  потока, проникающего через полупрозрачный  электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в p-полупроводнике  образуется повышенная концентрация  электронно-дырочных пар. Электроны  увлекаются потенциальным барьером  на границе р-n перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в p-полупроводнике, заряжают его положительно. В результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

    Структурная схема фотодиода:

    1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

 

     Диодный режим имеет преимущества:

     -большее  быстродействие

     -лучшая  стабильность

     -больший  динамический диапазон

     -большая  чувствительность в ИК области 

     Недостаток – наличие темнового тока.

 

     Разновидности фотодиодов:

    • p-i-n диоды; имеют три области:

    сильнолегированную  n+, с малой концентрацией примеси i, сильнолегированную p+

     • лавинные; реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки

     • гетерофотодиоды; используют слоистую структуру из разных полупроводниковых матриалов

 

Обозначение фотодиодов на схемах:

Технические характеристики

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

     Фотоэлектрические датчики используются в медицинском газоанализаторе НПО "Орион". Этот прибор используется для диагностики функциональных расстройств и раннего обнаружения заболеваний жизненных систем человека с помощью анализа газовых микрокомпонент выдыхаемого воздуха человека. На основании тех или иных микрокомпонент, возможно, оценить состояние органов и систем в соответствии с этим целенаправленно проводить терапию этих нарушений. Газоаналитический метод, в отличие от метода основанном на анализе крови, исключает возможность заражения гепатитом и СПИДом, выполняется в реальном масштабе времени и в перспективе может диагностировать развитие заболеваний (диабет, рак внутренних органов, цирроз печени и др.) на более ранних стадиях. Прибор основан на методе диодно-лазерной спектроскопии.

 

Блок-схема  газоанализатора

    Основное большинство  приборов в медицинской практике, использующих фотоэлектрические  датчики, работают по тому же  принципу. То есть преобразователи  этого типа применяют в паре  с лазерами, как высокоточными  источниками монохроматического  света заданной длины волны  инфракрасного диапазона, для  анализа спектра светового потока, прошедшего через исследуемую  среду. Это такие приборы, как  фотоэлектрический анализатор билирубина "Билимет", многочисленные фотоколориметры,  приборы для интроскопии, гемоглобинометры.

     Гемоглобинометры

     Осуществление  контроля эффективности дыхания,  путем фотометрического измерения  процентного содержания оксигемоглобина  в периферической артериальной  крови. Метод измерения основан  на отличие спектральных характеристик  поглощения света восстановленным  гемоглобином (Hb) и оксигемоглобином. При длине световой волны 620-680 мкм коэффициент поглощения для Hb в несколько раз выше.

    Датчик для такого  измерения конструктивно выполнен  в виде клипсы, надевается на  мочку уха таким образом, что  с одной стороны ее располагается  лампочка осветитель со светофильтром  для получения монохроматического  света с нужными спектральными  качествами, а с другой стороны  – фотосопротивление. При изменении  светового потока, падающего на  фотосопротивление, будет изменяться  величина этого сопротивления,  а следовательно, и ток, протекающий  через него. Введя компенсацию  на толщину ткани и ее кровенаполнение,  и анализируя полученные значения  токов, получим нужную нам оценку  эффективности дыхания.

    Но фотоэлектрические  датчики могут применяться и  без внешних источников света  таких как лазеры и лампы,  потому что человек, как и  все нагретые тела, излучает свет  инфракрасного диапазона, на которую  приходится около 60% энергии постоянно  испускаемой человеком в течении  всей жизни. 

    На принципе  регистрации ИК излучения человека  построены приборы инфракрасной  медицинской термографии. Точная работа таких устройств возможна из-за связи энергетической светимости от четвертой степени температуры излучателя, поэтому даже небольшое изменение температуры вызывает заметное изменение светимости.

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

 

    Общая структура преобразований в оптическом датчике (ОД) представлена на рис. В процессе измерения внешнего воздействия в ОД происходит ряд взаимосвязанных преобразований: предварительное, физического эффекта, модуляционное и фотоприемное.

    В качестве внешнего  воздействия F^вх могут выступать напряженность электрического и магнитного полей E и H, ток I, температура Т, линейное ускорение a, угловая и линейная скорости (ω и υ), сила F, давление p, т. е. внешнее воздействие может быть электрического, магнитного, теплового, механического, химического, радиационного и других типов.

     Схема предварительного  преобразования необходима, если  нельзя непосредственно измерить  внешнее воздействие (например, линейное  ускорение, или если в наличии  уже имеется датчик для измерения  другого физического параметра. 

     Измеряемая  величина (E, H, I, T, F, p и др.) с помощью какого-либо физического эффекта (электро- или магнитооптического, пьезоэлектрического, акусто- или пьезооптического и др.) приводит к изменению оптических параметров xⁱ среды, по которой распространяется излучение (показателя преломления n, коэффициента полощения света χ, линейных размеров l)

     Оптическая схема,  в которой осуществляется амплитудная,  фазовая, поляризационная, частотная,  спектральная, временная или пространственная  модуляция, связывает изменение  оптического параметра xⁱ среды, индуцированное измеряемой физической величиной, с параметром проходящей через датчик оптической волны yⁱ (амплитудой А, фазой ϕ, поворотом плоскости поляризации α, длиной волны λ, временем задержки импульса отклика t, пространственными координатами регистрируемого излучения x, y). Среди используемых принципов действия оптических схем модуляции следует отметить изменение отражательной или пропускательной способности среды, нарушение полного внутреннего отражения, управляемую связь волноводов, изменение поглощения среды (амплитудная модуляция); изменение длины ячейки или оптической длины среды, поперечных размеров волновода (фазовая модуляция); поворот плоскости поляризации и изменение типа поляризации(поляризационная модуляция); смещение края полосы поглощения и перемещение светофильтров (спектральная модуляция).

    Для детектирования  и измерения оптического параметра  среды могут использоваться различные фотоприемные схемы:

     Фотоприёмные схемы осуществляют непосредственное измерение мощности сигнала либо содержат дополнительные устройства: интерферометрическую схему или анализатор угла поворота плоскости поляризации, светофильтр или спектрально-чувствительный фотоприемник (для измерения длины волны), позиционно- чувствительные фотоприемник и светофильтр (для измерения пространственных координат излучения). Практически во всех случаях окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока на выходе фотоприемника I^фп. Многообразие физических эффектов, схем модуляции и фотоприемных схем обусловливает обилие возможных вариантов реализации даже при регистрации одной физической величины.

    

    В основу классификации  оптических датчиков целесообразно  положить различие в оптических  схемах модуляции, которое во  многом предопределяет существо  не только преобразования измеряемого  воздействия F^изм в изменение параметров оптического излучения, но и предварительного и фотоприемного преобразований.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ

 

     В  связи с богатыми перспективами применения лазерной техники для внутрисосудистых операций особое значение имеет визуализация внутрисосудистых объектов, дающая возможность осуществлять оперативный контроль процесса разрушения патологических тканей. Выбор способа визуализации обусловлен рядом факторов как медицинского, так и технического характера.

    В настоящее время разработано устройство первичного анализа поступающих с фотоприемного устройства сигналов как принципиально важной части системы оперативной диагностики на основе топологического исследования наблюдаемых объектов.

     Основной задачей, решаемой средствами оптической локации в лазерной ангиопластике, является диагностика патологических образований − бляшек и тромбов, вызывающих частичное или полное перекрытие просвета сосуда. При обнаружении патологическое образование разрушается мощным лазерным излучением с целью восстановления нормального функционирования сосуда.

     Для проникновения  в сосуд и передачи к объекту  лазерного излучения используется  многоволоконный оптический катетер, содержащий центральный передающий световод и несколько периферийных световодов, расположенных концентрически по окружности вокруг центрального. Назначением преферийных световодов является прием отраженного внутрисосудистыми объектами излучения. Анализируя интенсивность отраженного сигнала, принятого различными периферийными световодами, требуется определить геометрические и оптические характеристики объектов, находящихся перед торцом катетера с целью распознавания последних.