Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
1.55 мкм, то в этой области достигнута наибольшая обнаружительная способность фотодиодов InGaAs. В средней ИК области спектра используется несколько типов приемников, обладающих большой обнаружи-тельной способностью. В области до 5.5 мкм часто используют криоген-но охлаждаемые фотодиоды InSb или фотоприемники PbSe с термоэлек-
55
трическим охлаждением, а в области 8-12 мкм - охлаждаемые фотоприемники на основе тройных соединений HgCdTe.
При необходимости обеспечить большую обнаружительную способность в области X > 20 мкм используют глубоко охлаждаемые фоторезисторы на основе германия, легированного атомами разных металлов.
Рис. 23. Рабочие диапазоны современных ИК детекторов излучении для различных
температур чувствительной области ФД - фотодиод, ФР - фоторезистор, ФП - фотоприемник
56
7.1. Четырехквадрантный фотодетектор
Оптические детекторы в настоящее время являются наиболее эффективными устройствами для определения положения и перемещений объектов. В состав оптического датчика перемещений, как правило, входят три компонента; источник излучения, фотодетектор и устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.). В таких системах свет направляется на объект при помощи фокусирующих линз, а возвращается назад к детектору при помощи отражателей. В последнее время за счет более сложных компонентов удалось улучшить избирательность, повысить помехозащищенность и надежность оптических датчиков [10].
Классическая концепция мостовых схем применима и к оптическим датчикам. На рис. 24 приведен пример построения мостового оптического датчика.
Рис. 24. Четырехквадрантный фотодетектор: а - фокусирование объекта на датчик, б - подключение чувствительных элементов к дифференциальным усилителям.
Четырехквадрантный фотодетектор состоит из четырех детекторов света, соединенных в мостовую схему. Объект должен отличаться по оптической контрастности от окружающей среды. Рассмотрим систему определения местонахождения объектов (рис. 24а). На фотодетектор при помощи оптической системы (например, телескопа) фокусируется изображение какого-то достаточно яркого объекта. Четыре выхода фотодетектора подсоединяются к соответствующим входам дифференциальных усилителей (рис. 24б), Выходной сигнал каждого усилителя пропорционален перемещению изображения от оптического центра датчика вдоль соответствующей оси. Когда изображение находится точно в центре, выходные сигналы обоих усилителей равны нулю. Это происходит только тогда, когда оптическая ось телескопа пересекает объект.
Для точного измерения положений объектов и их перемещений на длинных и коротких расстояниях подходят оптические системы, рабо-
а)
7.2. Позиционно-чувствительные детекторы
57
тающие в ближнем ИК спектральном диапазоне. Примерами таких систем являются позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД), часто используемые в устройствах автофокусировки фото- и видеокамер. Модуль определения положения объекта является активным устройством: в его состав входит светоизлучающий диод (СИД) и ПЧД с фотодетектором. Принцип действия этого устройства поясняется рис. 25 [10]. Излучение от СИД, работающего в ближней ИК области спектра, проходя через линзу коллиматора, формирует луч с малой расходимостью (менее 2°). Излучение представляет собой импульс длительностью 0.7 мс. Отражаясь от объекта, излучение попадает назад на детектор и фокусируется на чувствительной поверхности ПЧД. Выходные сигналы ПЧД (токи IB и IA) пропорциональны расстоянию х между центром детектора и световым пятном. Интенсивность дошедшего излучения сильно зависит от отражательных свойств объекта. Диффузионная отражающая способность в ближнем ИК диапазоне практически та же, что и в видимой области спектра, поэтому интенсивность света, попадающего на поверхность ПЧД, меняется довольно ощутимо. Тем не менее, точность измерений практически не зависит от интенсивности полученного света.
падающии луч X
1
а
1
сопротивление слоя р-типа
высокорезисти вная кремниевая подложка
слой N+ типа
1 р
общий электрод О
У
Рис. 25. Принцип измерения расстояний Рис. 26. Конструкция одномерного
при помощи ПЧД
ПДЧ
ПЧД работает на принципе фотоэффекта. Он использует зависимость сопротивления поверхности кремниевого фотодетектора от интенсивности падающего излучения. В отличие от МОП и ПЗС устройств, представляющих собой матрицы фотодиодов, ПЧД имеет непрерывную чувствительную область. Световое пятно, перемещающееся по чувствительной зоне, ПЧД преобразует в одномерный или двумерный сигналы, пропорциональные расстоянию до объекта. ПЧД изготавливается на подложке из высокорезистивного кремния, с двух сторон которой нанесены два слоя (р и п+типа) (рис. 26). Одномерный датчик имеет два электрода (А и В), сформированные на верхнем слое. Эти электроды служат для обеспечения электрического контакта при определении сопротивления р-
58
слоя. В центре нижнего слоя сформирован один общий электрод С. Фотоэлектрический эффект протекает в верхнем р-n переходе. Расстояние между электродами А и В равно D, а соответствующее этому расстоянию сопротивление - RD.
