Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Рз= 1/2. При охлаждении этим множителем можно пренебречь.
4. В фотоэмиссионных и фотовольтаических приемниках источниками фотонных шумов являются только флуктуации излучения фона, падающего на приемник. Однако в фоторезисторах большую роль играют изменения концентрации носителей при облучении. При облучении носители непрерывно подвергаются как спонтанному, так и вынужденному фотовозбуждению и рекомбинации. При равновесии суммарная мощность фотонных и генерационно-рекомбинационных шумов может достигать не менее удвоенной величины мощности одних фотонных шумов. Следовательно, для фоторезисторов величину Ф*н ф (л:0) нужно умножить еще на
Р4 = ]/2 раз. j
5. При наблюдении монохроматического источника можно уменьшить величину Ф,*и ф (л:0) за счет использования узкополосного оптического фильтра, пропускающего поток только вблизи длины волны излучения источника. Конечно, фильтр должен быть охлажден, чтобы его излучение в области непрозрачности несоздало
496
дополнительного шума. Выигрыш за счет применения охлаждаемого фильтра может достигать нескольких порядков.
Определенное улучшение может быть получено и при наблюдении серого или черного источника. В этом случае охлаждаемый фильтр позволяет эффективно сузить пределы спектральной характеристики приемника до диапазона длин волн, излучаемых источником, что ограничит воздействие на приемник флуктуаций излучения окружающего фона.
6. Уровень фотонного шума можно снизить, ограничивая поле зрения приемника, путем помещения его чувствительного слоя в охлаждаемый баллон с отверстием, через которое наблюдается излучение цели.
Так как полный полусферический угол зрения приемника равен л; стерадиан, то величина Ф*п ф (х0) может быть уменьшена
путем деления ее на коэффициент \f й/jt, где Q — полный эффективный угол обзора приемника через отверстие в экране. В общем случае для определения Q нужно двойное интегрирование. Если же поверхность приемника ламбертовская, т. е полностью диффузна, если он имеет круговую симметрию и его апертурный угол может быть представлен как конус с половинным углом при вершине 0, то
Q = я sin2 О,
следовательно,
]/ Q/n = sin 0.
Для приемника без экрана 0 == 90° и уменьшения Ф*и ф (я0) не происходит.
§ 9. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ШУМ
Температурный шум наблюдается только в тепловых приемниках. Его причина — флуктуации температуры приемника, возникающие вследствие статистической природы теплового обмена с окружающей средой. Тепловой обмен может осуществляться главным образом путем излучения и теплопроводности. Если обмен за счет теплопроводности незначителен по сравнению с обменом путем излучения, температурные шумы идентифицируются с фотонными, т. е. избыточного температурного шума не существует. Следовательно, если приемник имеет температуру Т при площади поверхности а и излучательной способности е = 1, то за счет теплообмена путем излучения со средой, имеющей температуру Т2 и окружающей приемник со стороны передней полусферы, дисперсия флуктуаций в полосе частот электронного тракта Д/ш равна
М? = 8koa (71 -f Т\) Д/ш.
Со стороны задней полусферы чувствительный слой приемника излучения имеет непосредственный контакт с термостатом. Если теплопроводность между приемником и термостатом обозначить через ^(Вт-К~г), а температуру термостата через Т3, то величина потока тепла, идущего от термостата к приемнику при условии, что разность температур АТ = Т3 — 7\, невелика и равна
АФ = ^ АТ = АТ/<%
где 01 — — тепловое сопротивление между телом и термо-
статом.
Очевидно, что если бы обмен теплом происходил только за счет излучения, то при Т3 «=* Тх.
? = им = 4 оаТ\.
Дисперсия флуктуаций потока тепла АФ2, следовательно, будет
ДФ* = ДТ2/^3.
Теперь нам необходимо найти дисперсии флуктуаций потока тепла и температуры, отнесенные к единичной полосе частот, т. е. спектральные плотности флуктуаций, которые обозначим для удобства в виде АФ| и АТ}, причем очевидно, что
дФ/ = дг|/аг2,
поскольку тепловое сопротивление 01 от частоты не зависит
В соответствии с формулой Эйнштейна—Фаулера средний квадрат отклонения АЕ2 средней энергии Ё приемника равен
М?==?71(КЁ/АТ),
но
АЕ = CAT,
где С — теплоемкость приемника, следовательно, АЕ2 = kT\0. Поскольку непосредственно из формулы АЕ — С АТ следует, что АЕ2 = С2 АТ2, то
АТ2 = kT2JC.
Для облегчения дальнейшего расчета спектральной плотности АТ} используем аналогию между тепловыми и электрическими явлениями.
Нам известно, что в том случае, когда спектральная плотность флуктуаций электродвижущей силы равна AkTR, дисперсия флуктуаций напряжения на емкости С, соединенной с источником флуктуаций через сопротивление R, равна
Ай* = AkTR [1/(4t)J,
498
.
причем 1/(4т) представляет собой шумовую полису пропускания апериодического звена с постоянной времени г = RC, следовательно,
Дм* = kTIC.
Решим обратную задачу. Если дисперсия флуктуаций ДТ2 температуры приемника, имеющего теплоемкость (5, определяется некоторым источником флуктуаций со спектральной плотностью АТ}, соединенным с приемником через тепловое сопротивление М, то
