Источники и приемники излучения. Приемники излучения. Параметры, характеристики и методы расчета

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 
В.Б. Пясецкий 
 
 
Источники и приемники излучения 

Приемники излучения 

Параметры, характеристики и методы расчета 

Курс лекций 

 

 

 

  

 

 

 

 

 
 

 

УДК 535.215 
ББК 32.86 
 П99 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book1586.html 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

 

 
Пясецкий, В. Б.  
 
Источники и приемники излучения. Приемники излучения. 
Параметры, характеристики и методы расчета : курс лекций. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. —  
70, [6] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4587-5 

Рассмотрены основные характеристики и параметры приемников 
излучения, методика их расчета применительно к рабочим условиям использования. Представлены теории прямого и гетеродинного методов 
детектирования оптического излучения фотоприемными устройствами 
оптико-электронных приборов и формирования различных видов шума, 
приведены примеры расчета основных шумовых параметров, включая 
расчет отношения сигнал/шум. 
Для студентов 4–6-го курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся 
по специальностям «Оптико-электронные приборы и системы» и «Лазерная техника и лазерные технологии». 
 
 
УДК 535.215 
 
ББК 32.86 

  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
  
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4587-5 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

П99 

Предисловие 

Основная цель настоящего пособия — формирование у студентов знаний, умений и навыков, позволяющих проводить энергетический расчет различных оптико-электронных приборов с 
некогерентными и когерентными источниками излучений. 
Данный материал представляет первую часть теоретического 
курса лекций по дисциплине «Источники и приемники излучения», который читают в течение 6-го и 7-го семестров студентам кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы». Изучение этой дисциплины предполагает знание основ оптики и, 
прежде всего, фотометрических величин, их взаимосвязи, законов теплового излучения [1, 2]. Освоение указанной дисциплины необходимо для овладения профессиональными методами 
расчета фотоприемных систем оптико-электронных приборов на 
основе определения отношения сигнал/шум и с учетом габаритных параметров оптических систем.  
В первом разделе пособия изложены основные сведения о приемниках излучения: дана их классификация на основе принципа 
действия и наиболее существенных конструктивных признаков; 
рассмотрены основные параметры и характеристики [1, 5, 6]; представлены соотношения, позволяющие рассчитывать параметры 
приемников при решении конкретных практических задач. 
Во втором разделе пособия содержатся материалы повышенного уровня сложности: классическая теория основных методов фотодетектирования — прямого и гетеродинного; подробно 
рассмотрены 
составляющие 
шума 
фотоприемных 
устройств, источники их формирования и основные соотношения для расчета отношения сигнал/шум различных фотоприемных устройств [4]; приведены примеры такого расчета, иллюстрирующие теоретический материал и способствующие более 
глубокому пониманию специфики энергетического расчета оптико-электронных приборов. 
 

Основные термины и определения 

Амплитудно-частотная характеристика — зависимость 
амплитуды выходного сигнала приемника излучения от частоты 
модуляции принимаемого потока излучения (с. 22). 
Время нарастания (спада) сигнала — время, в течение которого сигнал приемника изменяется в заданных пределах при мгновенном включении (выключении) принимаемого потока излучения (с. 19). 
Генерационно-рекомбинационный шум — шум приемников излучения на основе беспримесных полупроводников, обусловленный флуктуациями в них числа свободных носителей заряда, вследствие случайного характера процессов генерации и 
рекомбинации (с. 45). 
Гетеродинное детектирование — детектирование когерентного оптического излучения путем предварительного смешивания его с когерентным излучением от иного источника и последующим анализом с помощью приемника излучения результата 
интерференции смешанных когерентных излучений (с. 56). 
Гомодинное детектирование — детектирование когерентного оптического излучения путем смешивания с предварительно 
отделенной его частью и последующим анализом с помощью 
приемника излучения результата интерференции смешанных когерентных излучений (с. 56). 
Детектирование оптического излучения — процесс преобразования оптического излучения в иные виды энергии с целью 
его обнаружения и использования (с. 35). 
Дробовый шум темнового тока — шум приемника излучения, обусловленный флуктуациями числа электронов в его темновом токе (с. 45). 
Интегральная чувствительность — отношение сигнала 
приемника к потоку излучения со сложным спектральным составом, вызвавшему данный сигнал (с. 17). 

Интенсивность световой волны — средний за период световых колебаний поток энергии, переносимой электромагнитным 
излучением через некоторую поверхность с указанной площадью 
(с. 54). 
Квантовый шум — шум приемника излучения, обусловленный случайными флуктуациями числа квантов в принимаемом 
потоке излучения (с. 39). 
Контактный шум — шум, обусловленный флуктуациями 
числа электронов при их прохождении вблизи или через границу 
раздела двух разнородных материалов вследствие случайного во 
времени и пространстве изменения электрических свойств такой 
границы (с. 50). 
Коэффициент модуляции — параметр, учитывающий изменение чувствительности приемника излучения при изменении формы 
модуляции принимаемого потока оптического излучения (с. 23). 
Монохроматическая чувствительность — отношение сигнала приемника излучения к значению потока монохроматического излучения с некоторой длиной волны, вызвавшего появление данного сигнала (с. 16). 
Неселективный приемник — приемник, чувствительность 
которого не зависит от спектрального состава принимаемого излучения (с. 13). 
Оптическое излучение — электромагнитное излучение (в интервале длин волн от пяти нанометров до одного миллиметра), для 
которого характерны общие физические свойства, а также принципы приема, обработки и получения информации (с. 10). 
Параметр приемника — числовая величина, служащая мерой 
определенного свойства приемника в заданных условиях (с. 14). 
Паспортный параметр — параметр приемника излучения, 
соответствующий условиям измерений, указанным в его техническом описании (с. 29). 
Порог чувствительности — наименьший поток излучения, 
принимаемый приемником в указанных условиях (с. 18). 
Приемник оптического излучения — устройство для преобразования сигналов оптического излучения в сигналы другой физической природы с целью их обнаружения и использования (с. 10). 
Прямое детектирование — детектирование излучения, основанное на прямом преобразовании его энергии в сигналы иной 
физической природы (с. 53). 

Рабочее напряжение — напряжение, приложенное к приемнику, при котором обеспечиваются номинальные параметры при 
длительной его работе (с. 15). 
Рабочий параметр — параметр приемника излучения, соответствующий условиям его практического применения (с. 29). 
Световая фотометрическая величина — фотометрическая 
величина, характеризующая определенное свойство оптического 
излучения на основе его зрительного восприятия глазом человека (с. 26). 
Селективный приемник — приемник оптического излучения, чувствительность которого зависит от спектрального состава 
принимаемого излучения (с. 13). 
Темновой ток — ток, протекающий через приемник в отсутствие потока излучения при указанных условиях (с. 15). 
Тепловой приемник — приемник оптического излучения,  
в котором изменение электрических свойств фоточувствительного элемента происходит вследствие изменения его температуры 
под действием принимаемого излучения (с. 13). 
Тепловой шум — шум, связанный с флуктуациями числа 
электронов в любом поперечном сечении проводника (полупроводника) вследствие теплового характера их движения, которые 
сопровождаются флуктуациями электрических потенциалов как  
в любой произвольной точке, так и между любыми точками на 
поверхности проводника (полупроводника) (с. 49). 
Термогенерация свободных носителей заряда — переход 
электронов из валентного состояния в состояние проводимости 
вследствие тепловых эффектов в полупроводнике (с. 44). 
Ток шума — среднее квадратическое значение флуктуаций 
общего тока, протекающего через приемник излучения, в заданной полосе частот (с. 15). 
Токовый шум — то же, что Контактный шум (с. 50). 
Фазочастотная характеристика — зависимость фазы выходного сигнала приемника излучения от частоты модуляции 
принимаемого потока излучения (с. 22). 
Фликкер-шум — то же, что Контактный шум (с. 50). 
Фотогенерация свободных носителей заряда — переход 
электронов из валентного состояния в состояние проводимости 
вследствие взаимодействия с квантами излучения в полупроводнике (с. 35). 

Фотодетектор — то же, что Приемник оптического излучения (с. 10, 35). 
Фотоприемное устройство — самостоятельная функциональная часть оптического прибора, состоящая из приемника излучения, конструктивно неотъемлемой от него оптической системы,  
а также электронных цепей, отвечающих за поддержание рабочего режима (с. 11). 
Фототок — протекающий через приемник излучения ток, 
обусловленный воздействием потока излучения в указанных 
условиях (с. 15). 
Фоточувствительный элемент — часть приемника излучения, непосредственно взаимодействующая с принимаемым потоком оптического излучения (с. 12). 
Фотоэлектрический приемник — приемник оптического 
излучения, в котором изменение электрических свойств полупроводникового фоточувствительного элемента происходит вследствие прямого взаимодействия принимаемого излучения с атомами кристаллической решетки полупроводника (с. 12). 
Характеристика приемника — функциональная зависимость одного параметра приемника от другого (с. 14). 
Частотный коэффициент — параметр, учитывающий изменение чувствительности приемника излучения при изменении 
частоты модуляции принимаемого потока оптического излучения 
(с. 23, 30). 
Шум «1/f» — то же, что Контактный шум (с. 50). 
Шум Джонсона — то же, что Тепловой шум (с. 49). 
Шум Найквиста — то же, что Тепловой шум (с. 49). 
Энергетическая фотометрическая величина — величина, 
характеризующая определенное свойство оптического излучения, 
основанная на измерении переносимой им энергии (с. 26). 
Энергетическая характеристика — зависимость выходного 
сигнала приемника излучения от значения какого-либо фотометрического параметра принимаемого излучения (с. 20). 
Эффективная шумовая полоса — полоса частот электронного тракта фотоприемного устройства, определяемая на основе 
анализа спектра его шумового сигнала (с. 42). 
 
 

Условные обозначения и сокращения 

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика 
ОЭП — оптико-электронный прибор 
ОЭС — оптико-электронная система 
ПИ — приемник излучения 
СКВЗ — среднее квадратическое значение 
ФПУ — фотоприемное устройство 
ФЧХ — фазочастотная характеристика 
ФЧЭ — фоточувствительный элемент 
Ао  — площадь входного зрачка оптической системы ФПУ 
с = 299 792 458 ≈ 3·108 м/с — скорость света в вакууме 
( )

P
dE
 — монохроматическая квантовая облученность 

ф( )

dI
 — фототок, вызванный монохроматическим потоком излучения 

э
)
Ф (
d
 — монохроматический энергетический поток излучения 

*
D  — удельная обнаружительная способность  
e = 1,602176565(35)·10–19 ≈ 1,6·10⁻19 Кл — заряд электрона 

E  — вектор напряженности электрического поля 
Iф — фототок 
Iт — темновой ток 
In — ток шума 

2
nI
 — среднее квадратическое значение тока шума 

2
.n J
I
 — среднее квадратическое значение тока теплового шума 

2
.n q
I
 — среднее квадратическое значение тока квантового шума 

2
. 
n g r
I
 — среднее квадратическое значение тока генерационно
рекомбинационного шума 

o( )
sI
t  — фототок гетеродинного ФПУ на разностной частоте электромагнитных колебаний «полезного» потока излучения и потока излучения гетеродинного источника 
h = 6,626070040·10⁻34 ≈ 6,626·10⁻34 Дж·с — постоянная Планка 
K(λ) = KmV(λ) — функция видности глаза 
Km = 683 лм/Вт — максимальная световая эффективность оптического 
излучения 

V(λ) — относительная функция видности глаза 


K  — частотный коэффициент 

23
Б
1,380 648 52·10
 


k
≈ 1,38·10–23 Дж/К — постоянная Больцмана 
M — внутренний коэффициент усиления тока фотодетектора 
n  — число квантов 
n  — среднее число квантов 
( )

IS
 — монохроматическая токовая чувствительность 

э
S  — чувствительность к энергетическому потоку излучения 

v
S  — чувствительность к световому потоку 
Sи(t) — импульсная характеристика 
SNR (signal-noise-ratio) — отношение сигнал/шум 
Sп(t) — переходная характеристика 
Uр — рабочее напряжение 
Фп — порог чувствительности (пороговый поток) 
Фп1 — порог чувствительности в единичной полосе частот 

п1


 — удельный порог чувствительности 
Фv — световой поток 
Фs — «полезный» поток излучения 
Фb — фоновый поток излучения 
Фо — поток излучения гетеродинного источника 
α(λ) — монохроматический коэффициент поглощения излучения 
τ  — постоянная времени 
æ — коэффициент использования приемником принимаемого потока 
излучения 
η( )
  — монохроматическая квантовая чувствительность 
ΔEз — ширина запрещенной зоны полупроводника 

ш
Δ  — эффективная шумовая полоса 
 
 

Введение 

Оптический прибор — техническое устройство, предназначенное для работы с оптическим излучением, под которым понимается 
электромагнитное излучение с характерными общими физическими 
свойствами, а также принципы приема, обработки и получения информации подразумевают применение оптической системы и приемника оптического излучения. Оптическое излучение находится в 
интервале длин волн λ ≈ 5 нм…1 мм между областями рентгеновского излучения (Рен (Rh)) и радиоволн (РВ (R)). В этом диапазоне 
отчетливо проявляются одновременно и волновые, и корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Оптический диапазон 
традиционно делят на ультрафиолетовый (УФ (UV)), видимый  
(В (V)) и инфракрасный (ИК (IR) поддиапазоны (рис. В1). 
 

 
Рис. В1. Диапазон оптического излучения на шкале длин волн 

Любой оптический прибор имеет в своем составе приемник 
излучения (ПИ). В его качестве может выступать как техническое 
устройство, так и глаз наблюдателя. Приемник как техническое 
устройство предназначен для приема и преобразования энергии 
оптического излучения (входной сигнал) в какие-либо другие виды энергии (выходной сигнал), позволяющие регистрировать информацию, связанную с принимаемым оптическим излучением. 
Чаще всего выходной сигнал ПИ — электрический (ток или 
напряжение).