Pengesan Foto : Litar, Kerja, Jenis & Aplikasinya

Pengesan foto ialah komponen penting dalam penerima optik yang menukar isyarat optik masuk kepada isyarat elektrik. Pengesan foto semikonduktor biasanya dipanggil fotodiod kerana ini adalah jenis utama pengesan foto yang digunakan dalam optik. sistem komunikasi kerana kelajuan pengesanan cepat, kecekapan pengesanan tinggi & saiz kecil. Pada masa ini, pengesan foto digunakan secara meluas dalam elektronik industri, komunikasi elektronik, perubatan & penjagaan kesihatan, peralatan analisis, automotif & pengangkutan, dan banyak lagi. Ini juga dikenali sebagai penderia foto dan penderia cahaya. Jadi, artikel ini membincangkan gambaran keseluruhan a pengesan foto – bekerja dengan aplikasi.

Apa itu Photodetector?

Definisi pengesan foto ialah; peranti optoelektronik yang digunakan untuk mengesan cahaya kejadian atau kuasa optik untuk menukarnya menjadi isyarat elektrik dikenali sebagai photodetector. Biasanya, isyarat o/p ini adalah berkadar dengan kuasa optik kejadian. Penderia ini amat diperlukan untuk pelaksanaan saintifik yang berbeza seperti kawalan proses, sistem komunikasi gentian optik, keselamatan, penderiaan alam sekitar & juga dalam aplikasi pertahanan. Contoh pengesan foto ialah fototransistor dan fotodiod .

Bagaimana Photodetector Berfungsi?

Photodetector hanya berfungsi dengan mengesan cahaya atau sinaran elektromagnet lain atau peranti mungkin dengan menerima isyarat optik yang dihantar. Pengesan foto yang menggunakan semikonduktor beroperasi pada penciptaan pasangan lubang elektron berdasarkan prinsip penyinaran cahaya.

Sebaik sahaja bahan semikonduktor diterangi melalui foton yang mempunyai tenaga tinggi atau setara dengan celah jalurnya, kemudian foton yang diserap menggalakkan elektron jalur valens bergerak ke jalur pengaliran, jadi meninggalkan lubang dalam jalur valens. Elektron dalam jalur pengaliran berfungsi sebagai elektron bebas (lubang) yang boleh tersebar di bawah kuasa medan elektrik intrinsik atau luaran.

Pasangan lubang elektron yang dijana foto kerana penyerapan optik boleh bergabung semula & memancarkan semula cahaya melainkan tertakluk kepada pengasingan pengantara medan elektrik untuk memberi peningkatan kepada arus foto, yang merupakan sebahagian kecil daripada pembawa cas percuma terjana foto yang diterima pada elektrod susunan photodetector. Magnitud arus foto pada panjang gelombang tertentu adalah berkadar terus dengan keamatan cahaya kejadian.

Hartanah

Ciri-ciri pengesan foto dibincangkan di bawah.

Tindak Balas Spektrum - Ia adalah tindak balas pengesan foto sebagai fungsi frekuensi foton.

Kecekapan Kuantum – Bilangan pembawa cas yang dihasilkan untuk setiap foton

Tanggungjawab – Ia adalah arus keluaran yang dipisahkan oleh jumlah kuasa cahaya yang jatuh pada pengesan.

Kuasa setara hingar – Ia adalah jumlah kuasa cahaya yang diperlukan untuk menghasilkan isyarat yang sama saiznya dengan bunyi peranti.

Pengesanan – Punca kuasa dua luas pengesan yang dipisahkan oleh kuasa setara bunyi.

Keuntungan – Ia adalah arus keluaran pengesan foto yang dibahagikan dengan arus yang dihasilkan secara langsung oleh foton kejadian pada pengesan.

Arus Gelap- Pengaliran arus ke seluruh pengesan walaupun dalam kekurangan cahaya.

Masa tindak balas - Ia adalah masa yang diperlukan untuk pengesan pergi dari 10 – 90% daripada output akhir.

Spektrum Bunyi - Arus atau voltan hingar intrinsik ialah fungsi frekuensi yang boleh ditandakan dalam bentuk ketumpatan spektrum bunyi.

Tidak linear - Ketaklinearan pengesan foto mengehadkan output RF.

Jenis Pengesan Foto

Pengesan foto dikelaskan berdasarkan mekanisme pengesanan cahaya seperti kesan fotoelektrik atau pelepasan foto, kesan polarisasi, kesan haba, interaksi lemah atau kesan fotokimia. Jenis pengesan foto yang berbeza terutamanya termasuk diod foto, pengesan foto MSM, fototransistor, pengesan fotokonduktif, tiub foto & Pengganda Foto.

Fotodiod

Ini ialah peranti semikonduktor dengan struktur simpang PIN atau PN yang mana cahaya diserap dalam kawasan penyusutan & menghasilkan arus foto. Peranti ini pantas, sangat linear, sangat padat dan menjana kecekapan kuantum yang tinggi yang bermaksud ia menjana hampir satu elektron untuk setiap foton kejadian & julat dinamik yang tinggi. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut Fotodiod .

Pengesan Foto MSM

Pengesan foto MSM (Metal–semikonduktor–logam) termasuk dua Schottky kenalan dan bukannya a persimpangan PN . Pengesan ini berpotensi lebih pantas berbanding fotodiod dengan sehingga ratusan lebar jalur GHz. Pengesan MSM membenarkan pengesan kawasan yang sangat besar untuk membuat gandingan mudah dengan gentian optik tanpa merendahkan jalur lebar.

Phototransistor

Fototransistor adalah salah satu jenis fotodiod yang menggunakan penguatan dalaman arus foto. Tetapi ini tidak kerap digunakan berbanding dengan fotodiod. Ini digunakan terutamanya untuk mengesan isyarat cahaya & menukarnya kepada isyarat elektrik digital. Komponen ini hanya dikendalikan melalui cahaya dan bukannya arus elektrik. Phototransistor adalah kos rendah dan memberikan sejumlah besar keuntungan, jadi ia digunakan dalam pelbagai aplikasi. Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut fototransistor .

Pengesan Fotokonduktif

Pengesan fotokonduktif juga dikenali sebagai photoresistors, photocells & perintang bergantung kepada cahaya . Pengesan ini dibuat dengan semikonduktor tertentu seperti CdS (kadmium sulfida). Jadi pengesan ini termasuk bahan semikonduktor dengan dua elektrod logam yang disambungkan untuk mengesan rintangan. Berbanding dengan fotodiod, ini tidak mahal tetapi ia agak perlahan, tidak terlalu sensitif & mempamerkan tindak balas tak linear. Sebagai alternatif, mereka boleh bertindak balas kepada cahaya IR gelombang panjang. Pengesan fotokonduktif dipisahkan kepada jenis yang berbeza berdasarkan fungsi tanggungjawab spektrum seperti julat panjang gelombang yang boleh dilihat, julat panjang gelombang inframerah dekat dan julat panjang gelombang IR.

tiub foto

Tiub berisi gas atau tiub vakum yang digunakan sebagai pengesan foto dikenali sebagai tiub foto. Sebuah tiub foto ialah a pengesan fotoemisif yang menggunakan kesan fotoelektrik luaran atau kesan fotoemissif. Tiub ini sering dikosongkan atau kadangkala diisi dengan gas pada tekanan rendah.

Pengganda foto

Photomultiplier ialah satu jenis tiub foto yang menukar foton kejadian menjadi isyarat elektrik. Pengesan ini menggunakan proses pendaraban elektron untuk mendapatkan respontiviti yang lebih tinggi. Mereka mempunyai kawasan aktif yang besar & kelajuan tinggi. Terdapat pelbagai jenis photomultiplier tersedia seperti Photomultiplier tube, Magnetic photomultiplier, Electrostatic photomultiplier dan Silicon photomultiplier.

Gambarajah Litar Pengesan Foto

Litar penderia cahaya menggunakan pengesan foto ditunjukkan di bawah. Dalam litar ini, fotodiod digunakan sebagai pengesan foto untuk mengesan kewujudan atau ketiadaan cahaya. Kepekaan sensor ini boleh dilaraskan dengan mudah menggunakan pratetap.

Komponen yang diperlukan litar sensor cahaya ini terutamanya termasuk fotodiod, LED, IC LM339 , Perintang, Pratetap, dsb. Sambungkan litar seperti gambar rajah litar yang ditunjukkan di bawah.

sedang bekerja

Fotodiod digunakan sebagai pengesan foto untuk menghasilkan arus dalam litar apabila cahaya jatuh ke atasnya. Dalam litar ini, fotodiod digunakan dalam mod pincang songsang melalui perintang R1. Jadi perintang R1 ini tidak membenarkan terlalu banyak arus untuk membekalkan ke seluruh fotodiod sekiranya sejumlah besar cahaya jatuh pada fotodiod.

Apabila tiada cahaya jatuh pada fotodiod, maka ia menghasilkan potensi tinggi pada pin6 pembanding LM339 (input terbalik). Sebaik sahaja cahaya jatuh pada diod ini, maka ia membenarkan arus membekalkan ke seluruh diod & dengan itu voltan akan jatuh merentasinya. Pin7 (input bukan penyongsangan) pembanding disambungkan kepada VR2 (perintang pembolehubah) untuk menetapkan voltan rujukan pembanding.

Di sini, pembanding berfungsi apabila input bukan penyongsangan pembanding adalah tinggi berbanding dengan input penyongsangan maka outputnya kekal tinggi. Jadi pin keluaran IC seperti pin-1 disambungkan kepada diod pemancar cahaya. Di sini, voltan rujukan ditetapkan sepanjang pratetap VR1 untuk sepadan dengan pencahayaan ambang. Pada output, LED akan dihidupkan sebaik sahaja cahaya jatuh pada fotodiod. Jadi, input penyongsangan jatuh ke nilai yang lebih rendah berbanding dengan set rujukan pada input bukan penyongsangan. Jadi, output membekalkan pincang ke hadapan yang diperlukan kepada diod pemancar cahaya.

Photodetector vs Photodiode

Perbezaan antara photodetector dan photodiode termasuk yang berikut.

Kecekapan Kuantum Pengesan Foto

Kecekapan kuantum photodetector boleh ditakrifkan sebagai pecahan foton kejadian yang diserap melalui fotokonduktor kepada elektron yang dihasilkan dikumpulkan di terminal pengesan.

Kecekapan kuantum boleh dilambangkan dengan 'η'

Kecekapan Kuantum (η) = Elektron terhasil/Jumlah bilangan foton kejadian

Oleh itu,

η = (Arus/ Caj elektron)/(Jumlah kuasa optik foton kejadian/ Tenaga foton)

Jadi secara matematik, ia akan menjadi seperti

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Kelebihan dan kekurangan

Kelebihan photodetector termasuk yang berikut.

• Pengesan foto bersaiz kecil.
• Kelajuan pengesanannya adalah pantas.
• Kecekapan pengesanannya adalah tinggi.
• Mereka menghasilkan lebih sedikit bunyi.
• Ini tidak mahal, padat & ringan.
• Mereka mempunyai jangka hayat yang panjang.
• Mereka mempunyai kecekapan kuantum yang tinggi.
• Ia tidak memerlukan voltan tinggi.

The keburukan photodetector termasuk yang berikut.

• Mereka mempunyai sensitiviti yang sangat rendah.
• Mereka tidak mempunyai keuntungan dalaman.
• Masa tindak balas sangat perlahan.
• Kawasan aktif pengesan ini adalah kecil.
• Perubahan dalam arus adalah sangat kecil, jadi mungkin tidak mencukupi untuk memacu litar.
• Ia memerlukan voltan mengimbangi.

Aplikasi Pengesan Foto

Aplikasi pengesan foto termasuk yang berikut.

• Pengesan foto digunakan dalam aplikasi berbeza yang terdiri daripada pintu automatik di pasar raya hingga alat kawalan jauh TV di dalam rumah anda.
• Ini adalah komponen penting penting yang digunakan dalam komunikasi optik, keselamatan, penglihatan malam, pengimejan video, pengimejan bioperubatan, pengesanan gerakan & penderiaan gas yang mempunyai keupayaan untuk menukar cahaya kepada isyarat elektrik dengan tepat.
• Ini digunakan untuk mengukur kuasa optik & fluks bercahaya
• Ini digunakan terutamanya dalam pelbagai jenis reka bentuk mikroskop & sensor optik.
• Ini penting untuk pencari jarak laser.
• Ini biasanya digunakan dalam metrologi frekuensi, komunikasi gentian optik, dsb.
• Pengesan foto dalam fotometri & radiometri digunakan untuk mengukur sifat berbeza seperti kuasa optik, keamatan optik, sinaran & fluks bercahaya.
• Ini digunakan untuk mengukur kuasa optik dalam spektrometer, peranti penyimpanan data optik, penghalang cahaya, pemprofil rasuk, mikroskop pendarfluor, autokorelasi, interferometer & pelbagai jenis penderia optik.
• Ini digunakan untuk LIDAR, pengintai laser, peranti penglihatan malam & eksperimen optik kuantum.
• Ini boleh digunakan dalam metrologi frekuensi optik, komunikasi gentian optik & juga untuk klasifikasi bunyi laser atau laser berdenyut.
• Tatasusunan dua dimensi dengan beberapa pengesan foto yang serupa digunakan terutamanya sebagai tatasusunan satah fokus & kerap untuk aplikasi pengimejan.

Apakah kegunaan photodetector?

Photodetector digunakan untuk menukar tenaga foton cahaya kepada isyarat elektrik.

Apakah ciri-ciri pengesan foto?

Ciri-ciri pengesan foto ialah fotosensitiviti, tindak balas spektrum, kecekapan kuantum, hingar pincang ke hadapan, arus gelap, kuasa setara hingar, tindak balas masa, kapasiti terminal, frekuensi cutoff & lebar jalur frekuensi.

Apakah keperluan pengesan foto?

Keperluan pengesan foto ialah; masa tindak balas yang singkat, sumbangan hingar paling sedikit, kebolehpercayaan, kepekaan tinggi, tindak balas linear pada julat keamatan cahaya yang luas, voltan pincang rendah, kos rendah & kestabilan ciri prestasi.

Apakah yang digunakan dalam spesifikasi pengesan optik?

Kuasa setara hingar digunakan dalam spesifikasi pengesan optik kerana kuasa input optikal yang menjana kuasa output tambahan yang sama dengan kuasa hingar untuk lebar jalur tertentu.

Adakah hasil kuantum & kecekapan kuantum sama?

Hasil kuantum dan kecekapan kuantum adalah tidak sama kerana kebarangkalian foton yang dipancarkan sebaik sahaja satu foton telah diserap adalah hasil kuantum manakala kecekapan kuantum ialah kebarangkalian bahawa foton dipancarkan sebaik sahaja sistem telah ditenagakan kepada keadaan pemancarannya.

Oleh itu, ini adalah gambaran keseluruhan pengesan foto – bekerja dengan aplikasi. Peranti ini adalah berdasarkan kesan fotoelektrik dalaman dan luaran, jadi digunakan terutamanya untuk pengesanan cahaya. Berikut adalah soalan untuk anda, apakah itu pengesan optik ?