גלאי צילום: מעגל, עבודה, סוגים ויישומיו

הפוטו-גלאי הוא רכיב חיוני במקלט אופטי הממיר את האות האופטי הנכנס לאות חשמלי. גלאי פוטו מוליכים למחצה נקראים בדרך כלל פוטודיודות מכיוון שאלה הם הסוגים העיקריים של גלאי פוטו המשמשים באופטי מערכות תקשורת בשל מהירות הזיהוי המהירה, יעילות הזיהוי הגבוהה והגודל הקטן שלהם. כיום, גלאי צילום נמצאים בשימוש נרחב באלקטרוניקה תעשייתית, תקשורת אלקטרונית, רפואה ובריאות, ציוד אנליטי, רכב ותחבורה ועוד רבים. אלה ידועים גם בשם חיישני פוטו וחיישני אור. אז, מאמר זה דן בסקירה כללית של א photodetector - עבודה עם אפליקציות.

מהו Photodetector?

הגדרת photodetector היא; מכשיר אופטו-אלקטרוני המשמש לזיהוי האור הנכנס או כוח אופטי כדי להמיר אותו לאות חשמלי ידוע כ- photodetector. בדרך כלל, אות o/p זה פרופורציונלי להספק האופטי המתרחש. חיישנים אלו נחוצים בהחלט עבור יישומים מדעיים שונים כמו בקרת תהליכים, מערכות תקשורת סיבים אופטיים, בטיחות, חישה סביבתית וגם ביישומי הגנה. דוגמאות של photodetectors הם phototransistors ו פוטודיודות .

איך עובד גלאי צילום?

Photodetector פשוט עובד על ידי זיהוי אור או קרינה אלקטרומגנטית אחרת או התקנים עשויים על ידי קליטת האותות האופטיים המשודרים. גלאי צילום שמשתמשים מוליכים למחצה פועלים על יצירת זוג האלקטרונים-חורים על פי עקרון הקרנת האור.

ברגע שחומר מוליך למחצה מואר דרך פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות או שוות ערך למרווח הרצועה שלו, אז פוטונים נספגים מעודדים את האלקטרונים של פס הערכיות לנוע לתוך פס ההולכה, ולכן משאירים מאחוריהם חורים בתוך פס הערכיות. האלקטרונים ברצועת ההולכה מתפקדים כאלקטרונים חופשיים (חורים) שיכולים להתפזר תחת כוחו של שדה חשמלי מהותי או חיצוני המופעל.

צמדי האלקטרונים-חורים שנוצרו בצילום בגלל בליעה אופטית עשויים לשלב מחדש ולפלוט אור, אלא אם כן הם נתונים להפרדה מתווכת שדה חשמלי כדי לתת עלייה לזרם הפוטו, שהוא חלק מנשאי המטען החופשיים שנוצרו בצילום שהתקבלו ב- האלקטרודות של סידור הפוטו-גלאי. עוצמת הפוטו-זרם באורך גל מוגדר עומדת ביחס ישר לעוצמת האור הנכנס.

נכסים

המאפיינים של גלאי פוטו נדונים להלן.

תגובה ספקטרלית - זוהי תגובת הפוטו-גלאי כפונקציה של תדר פוטון.

יעילות קוונטית - מספר נושאי המטען שנוצרו עבור כל פוטון

תגובתיות - זהו זרם המוצא המופרד על ידי העוצמה הכוללת של האור הנופל על הגלאי.

כוח שווה ערך לרעש - זוהי הכמות הנדרשת של כוח האור כדי ליצור אות ששווה בגודלו לרעש של המכשיר.

בילוש - השורש הריבועי של שטח הגלאי מופרד על ידי ההספק המקביל לרעש.

רווח - זהו זרם המוצא של גלאי הצילום המחולק בזרם המופק ישירות על ידי הפוטונים המתרחשים על הגלאים.

זרם אפל- זרימת הזרם לאורך גלאי גם במחסור באור.

זמן תגובה - זהו הזמן הנדרש לגלאי לעבור מ-10 - 90% מהפלט הסופי.

ספקטרום רעש - זרם הרעש או המתח הפנימיים הם פונקציה של תדר שניתן לסמן בצורה של צפיפות ספקטרלית רעש.

חוסר לינאריות - חוסר הלינאריות של גלאי הצילום מגביל את פלט ה-RF.

סוגי גלאי צילום

גלאי הפוטו מסווגים על סמך מנגנון הזיהוי של האור כמו אפקט הפוטואלקטרי או הפוטו-פליטה, אפקט הקיטוב, אפקט תרמי, אינטראקציה חלשה או אפקט פוטוכימי. הסוגים השונים של גלאי פוטו כוללים בעיקר פוטודיודה, גלאי צילום MSM, פוטוטרנזיסטור, גלאי פוטו-מוליך, פוטו-צינורות ומכפילי פוטו.

פוטודיודות

אלו הם התקני מוליכים למחצה עם מבנה צומת PIN או PN שבהם האור נספג בתוך אזור דלדול ומייצר זרם צילום. התקנים אלו מהירים, ליניאריים מאוד, קומפקטיים מאוד ומייצרים יעילות קוונטית גבוהה, כלומר מייצרים כמעט אלקטרון אחד לכל פוטון תקרית וטווח דינמי גבוה. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על פוטודיודות .

MSM Photodetectors

גלאי צילום MSM (מתכת–מוליכים למחצה–מתכת) כוללים שניים שוטקי אנשי קשר ולא א צומת PN . גלאים אלה עשויים להיות מהירים יותר בהשוואה לפוטודיודות עם עד מאות רוחבי פס של גיגה-הרץ. גלאי MSM מאפשרים לגלאי שטח גדול מאוד לבצע צימוד קל עם סיבים אופטיים ללא פגיעה ברוחב הפס.

פוטוטרנזיסטור

הפוטוטרנזיסטור הוא סוג אחד של פוטודיודה המשתמשת בהגברה פנימית של זרם הפוטו. אבל אלה אינם נמצאים בשימוש תכוף בהשוואה לפוטודיודות. אלה משמשים בעיקר לזיהוי אותות אור ולשינוים לאותות חשמליים דיגיטליים. רכיבים אלה מופעלים פשוט באמצעות אור ולא זרם חשמלי. פוטו-טרנזיסטורים הם בעלות נמוכה ומספקים כמות גדולה של רווח, ולכן הם משמשים ביישומים שונים. אנא עיין בקישור זה כדי לדעת יותר על פוטוטרנזיסטורים .

גלאים פוטו-מוליכים

גלאים פוטו מוליכים ידועים גם כנגדי פוטו, תאי פוטו ו נגדים תלויי אור . גלאים אלה מיוצרים עם מוליכים למחצה מסוימים כמו CdS (קדמיום גופרתי). אז גלאי זה כולל חומר מוליכים למחצה עם שתי אלקטרודות מתכתיות מחוברות לזיהוי ההתנגדות. בהשוואה לפוטודיודות, אלו אינן יקרות אך הן איטיות למדי, אינן רגישות במיוחד ומציגות תגובה לא ליניארית. לחלופין, הם יכולים להגיב לאור IR באורך גל ארוך. גלאים פוטו-מוליכים מופרדים לסוגים שונים בהתבסס על תפקוד התגובה הספקטרלית כמו טווח אורכי גל גלוי, טווח אורכי גל קרוב לאינפרא אדום וטווח אורכי גל IR.

Phototubes

הצינורות מלאי הגז או צינורות הוואקום המשמשים כגלאי פוטו ידועים כפוטו-צינורות. פוטו-טיוב הוא א גלאי פוטו שמשתמש באפקט פוטו-אלקטרי חיצוני או אפקט פוטו-מפלט. צינורות אלה מפונים לעתים קרובות או מתמלאים לפעמים בגז בלחץ נמוך.

מכפיל צילום

מכפיל פוטו הוא סוג אחד של פוטו-צינור שמשנה פוטונים תקפים לאות חשמלי. גלאים אלה משתמשים בתהליך הכפלת אלקטרונים כדי להשיג תגובתיות מוגברת בהרבה. יש להם שטח פעיל גדול ומהירות גבוהה. ישנם סוגים שונים של מכפילי פוטו זמינים כמו צינור פוטו-מכפיל, מכפיל פוטו מגנטי, מכפיל פוטו אלקטרוסטטי ומכפיל פוטו-סיליקון.

תרשים מעגל צילום גלאי

מעגל חיישן האור באמצעות photodetector מוצג להלן. במעגל זה, הפוטודיודה משמשת כ-photodetector לזיהוי קיומו או אי-קיומו של אור. ניתן להתאים את הרגישות של חיישן זה בפשטות באמצעות הקביעה מראש.

הרכיבים הנדרשים של מעגל חיישן אור זה כוללים בעיקר פוטודיודה, LED, LM339 IC , נגד, הגדרה מראש וכו' חבר את המעגל לפי דיאגרמת המעגלים המוצגת להלן.

עובד

פוטודיודה משמשת כ- photodetector כדי ליצור זרם בתוך המעגל ברגע שאור נופל עליו. במעגל זה, הפוטודיודה משמשת במצב הטיה הפוכה דרך הנגד R1. אז הנגד R1 הזה לא מאפשר לספק יותר מדי זרם בכל הפוטודיודה למקרה שכמות עצומה של אור תיפול על הפוטודיודה.

כאשר שום אור לא נופל על הפוטודיודה, אז זה גורם לפוטנציאל גבוה בפין 6 של השוואת LM339 (כניסה הפוכה). ברגע שאור נופל על דיודה זו, הוא מאפשר לספק זרם בכל הדיודה וכך המתח יירד עליה. ה-pin7 (כניסה לא מתהפכת) של המשווה מחובר ל-VR2 (נגד משתנה) כדי להגדיר את מתח הייחוס של המשווה.

כאן, משווה פועל כאשר הקלט הלא-היפוך של המשווה גבוה בהשוואה לקלט ההפוכה אז הפלט שלו נשאר גבוה. אז פין הפלט של IC כמו פין-1 מחובר לדיודה פולטת אור. כאן, מתח ההתייחסות מוגדר לאורך VR1 מוגדר מראש כדי להתאים להארת סף. ביציאה, הנורית תופעל ברגע שאור נופל על הפוטודיודה. אז, הקלט ההיפוך יורד לערך נמוך יותר בהשוואה להתייחסות שנקבעה בכניסה הלא-הפוכה. אז, הפלט הולך ומספק את ההטיה קדימה הנדרשת לדיודה פולטת האור.

Photodetector לעומת Photodiode

ההבדל בין photodetector ו photodiode כולל את הדברים הבאים.

יעילות קוונטית של Photodetector

ניתן להגדיר את היעילות הקוונטית של הפוטו-גלאי כחלק מהפוטונים הנקלטים הנספגים דרך המוליך הפוטו לאלקטרונים המיוצרים נאספים במסוף הגלאי.

היעילות הקוונטית יכולה להיות מסומנת עם 'η'

יעילות קוונטית (η) = אלקטרונים שנוצרו/מספר כולל של פוטונים תקפים

לכן,

η = (זרם/ מטען של אלקטרון)/(הספק האופטי הכולל של פוטון נכנס/ אנרגיית פוטון)

אז מבחינה מתמטית, זה יהפוך כמו

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

יתרונות וחסרונות

היתרונות של photodetector כוללים את הדברים הבאים.

• גלאי פוטו קטנים בגודלם.
• מהירות הזיהוי שלו מהירה.
• יעילות הזיהוי שלו גבוהה.
• הם מייצרים פחות רעש.
• אלה אינם יקרים, קומפקטיים וקלים.
• יש להם חיים ארוכים.
• יש להם יעילות קוונטית גבוהה.
• זה לא דורש מתח גבוה.

ה חסרונות של photodetector כלול את הבאים.

• יש להם רגישות נמוכה מאוד.
• אין להם רווח פנימי.
• זמן התגובה איטי מאוד.
• השטח הפעיל של גלאי זה קטן.
• השינוי בתוך הזרם הוא קטן ביותר, ולכן עשוי שלא להתאים להנעת המעגל.
• זה דורש מתח היסט.

יישומים של Photodetectors

היישומים של photodetector כוללים את הדברים הבאים.

• גלאי צילום משמשים ביישומים שונים, החל מדלתות אוטומטיות בסופרמרקטים ועד שלטי טלוויזיה בתוך הבית שלך.
• אלו הם רכיבים משמעותיים חיוניים המשמשים בתקשורת אופטית, אבטחה, ראיית לילה, הדמיית וידאו, הדמיה ביו-רפואית, זיהוי תנועה וחיששת גז אשר יש להם את היכולת לשנות את האור לאותות חשמליים בדיוק.
• אלה משמשים למדידת כוח אופטי ושטף אור
• אלה משמשים בעיקר בסוגים שונים של עיצובי מיקרוסקופ וחיישן אופטי.
• אלה משמעותיים עבור מדדי טווח לייזר.
• אלה משמשים בדרך כלל במטרולוגיה של תדרים, תקשורת סיבים אופטיים וכו'.
• גלאי פוטו בפוטומטריה ורדיומטריה משמשים למדידת מאפיינים שונים כגון כוח אופטי, עוצמה אופטית, קרינה ושטף אור.
• אלה משמשים למדידת כוח אופטי בתוך ספקטרומטרים, התקני אחסון נתונים אופטיים, מחסומי אור, פרופילי אלומה, מיקרוסקופים פלואורסצנטיים, אוטוקורלטורים, אינטרפרומטרים וסוגים שונים של חיישנים אופטיים.
• אלה משמשים עבור LIDAR, מדדי טווח לייזר, התקני ראיית לילה וניסויים באופטיקה קוונטית.
• אלה ישימים במטרולוגיה של תדר אופטי, תקשורת סיבים אופטיים וגם לסיווג של רעשי לייזר או לייזרים פולסים.
• המערכים הדו מימדיים עם מספר גלאי צילום זהים משמשים בעיקר כמערכי מישור מוקד ולעתים קרובות ליישומי הדמיה.

למה משמש גלאי פוטו?

גלאי פוטו משמשים להמרת אנרגיית הפוטון של האור לאות חשמלי.

מהם המאפיינים של גלאי פוטו?

המאפיינים של גלאי פוטו הם רגישות לאור, תגובה ספקטרלית, יעילות קוונטית, רעש מוטה קדימה, זרם כהה, הספק שווה ערך לרעש, תגובת תזמון, קיבול מסוף, תדר חיתוך ורוחב פס של תדר.

מהן הדרישות של גלאי פוטו?

הדרישות של גלאי צילום הן; זמני תגובה קצרים, תרומת הרעש הנמוכה ביותר, אמינות, רגישות גבוהה, תגובה ליניארית בטווח רחב של עוצמות אור, מתח הטיה נמוך, עלות נמוכה ויציבות מאפייני הביצועים.

מה משמש במפרט של גלאים אופטיים?

ההספק המקביל לרעש משמש במפרט של גלאים אופטיים מכיוון שהספק הכניסה האופטי הוא שיוצר הספק פלט נוסף השווה לאותו הספק רעש עבור רוחב פס מוגדר.

האם תשואה קוונטית ויעילות קוונטית זהים?

התפוקה הקוונטית והיעילות הקוונטית אינן זהות מכיוון שההסתברות של פוטון לפלוט ברגע שפוטון אחד נספג היא התשואה הקוונטית ואילו היעילות הקוונטית היא ההסתברות שפוטון נפלט ברגע שהמערכת הופעלה למצב הפולט שלה.

לפיכך, זהו סקירה כללית של גלאי צילום - עבודה עם אפליקציות. מכשירים אלה מבוססים על האפקט הפוטואלקטרי הפנימי והחיצוני, ולכן משמשים בעיקר לזיהוי אור. הנה שאלה בשבילך, מה הם גלאים אופטיים ?