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Lexikon der Optik: Photoempfänger

Photoempfänger, photoelektrischer Empfänger, Photodetektor, ein Meßmittel zum Nachweis optischer Strahlung, das ein der Bestrahlungsstärke proportionales elektrisches Signal liefert. Sein Wirkprinzip beruht allgemein auf dem Photoeffekt. Durch Photonenabsorption im Sensormaterial angeregte Elektronen werden entweder als Photolektronen emittiert oder rufen einen Photoleitungsstrom bzw. eine Photo-EMK hervor. Beide Vorgänge sind Quanteneffekte, P. werden daher im Unterschied zu thermischen Detektoren als Quantenempfänger bezeichnet.

Einteilung. Man unterscheidet nach ihrem Aufbau Vakuum- und Festkörperphotoempfänger, nach ihrer bevorzugten Anwendung signal- und bilderfassende P. für Messungen ohne bzw. mit Rücksicht auf die örtliche Intensitätsverteilung der Strahlung sowie Kurzzeitphotoempfänger für die Messung zeitlich veränderlicher Vorgänge. Vakuumphotoempfänger sind Elektronenröhren, die den äußeren Photoeffekt zur Signalwandlung nutzen. Sie haben den Vorzug, daß die von ihrer Photokatode emittierten Photoelektronen intern vervielfacht, abgelenkt, fokussiert und beschleunigt werden können. So ergeben sich hohe, rauscharme Signalverstärkungen (Photo-Sekundärelektronenvervielfacher, photoelektrischer Bildverstärker) und extreme Zeitauflösungen (photoelektrische Streakröhre, zeitgeschalteter photoelektrischer Bildverstärker). Einfachste Vakuumphotoempfänger sind Photozellen. Festkörperphotoempfänger sind Bauelemente aus Element- oder Verbindungshalbleitern, die verschiedene Erscheinungsformen des inneren Photoeffektes zur lichtelektrischen Signalwandlung nutzen. Sie zeichnen sich durch ihre Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Photonenenergien aus und ermöglichen Strahlungsmessungen weit im Infraroten, dort allerdings bei starker Kühlung, um das Rauschen infolge thermischer Anregung von Ladungsträgern zu unterdrücken. Der signalerfassende Nachweis erfolgt mit Photowiderstand, Photoelement oder Photodiode, die Bilderfassung mit Festkörpersensoren in Bildaufnahmeröhren (Si-Diodentarget) oder durch Photodiodenarrays.

Kenngrößen. P. werden durch ihre photoelektrische Empfindlichkeit und ihr Zeitverhalten charakterisiert, ergänzt durch Angaben über den erfaßten Spektralbereich, die minimal nachweisbare Strahlungsmenge und ihren Dynamikbereich. Bei bilderfassenden P. werden zusätzlich die Ortsauflösung bzw. die Bildpunktzahl und Bildpunktabmessung angegeben. Die photoelektrische Empfindlichkeit ist wellenlängenabhängig und definiert als S(λ)=(Gleich- bzw. Effektivwert des Empfängersignals)/(Gleich- bzw. Effektivwert der Strahlungsleistung). Sie wird gemessen in A/W und hängt, da Strahlung der Wellenlänge λ einer Photonenenergie hν= 1,24/λ[μm]eV (h Plancksches Wirkungsquantum) entspricht, mit der Quantenausbeute Q (Photoeffekt) zusammen gemäß der Beziehung Q(λ)=1,24S(λ)/λ[μm]. Für photoelektrische Bildwandler und Bildverstärker wird die Empfindlichkeit entweder radiometrisch angegeben als S(λ)=(abgegebene Lumineszenzstrahlungsleistung)/(empfangene Meßstrahlungsleistung), gemessen in W/W, oder photometrisch als Lichtverstärkung (engl. luminance gain) GL=(Lichtstärke des Leuchtschirmes)/(auftreffender Meßlichtstrom), gemessen in cd/lm (Candela/Lumen) bei definierter Farbtemperatur der Lichtquelle. Das Zeitverhalten des P. wird durch den Frequenzgang S(f) seiner Empfindlichkeit oder durch seine Signalanstiegszeit ta gekennzeichnet. Bei zeitlich modulierter Meßstrahlung läßt sich der P. im Ersatzschaltbild als ein RC-Glied darstellen, und die Abhängigkeit seiner Empfindlichkeit von der Modulationsfrequenz f hat die Form S(f)=S0[1+(2πfτ)2]-1/2, wobei S0 die Gleichlichtempfindlichkeit angibt. Die Zeitkonstante τ=RC drückt die Trägheit aus, mit welcher der P. zeitlich periodischen Änderungen der Meßstrahlung folgt; bei der Grenzfrequenz fgr=1/2πτ ist das gemessene Signal auf den Wert

abgesunken. Bei der Messung von Strahlungsimpulsen wird der P. durch seine Anstiegszeit ta=2,2τ charakterisiert. Dies ist die Zeit, in der das Signal us von 10% auf 90% seines Maximalwertes ansteigt, wenn der P. mit einer optischen Sprungfunktion P(t)=0 für t<0, P(t)=1 für t≥0 belichtet wird. Die minimal nachweisbare Strahlungsmenge wird durch statistische Schwankungen bestimmt, die in der Meßstrahlung selbst und bei der Signalbildung und -verstärkung auftreten. Sie werden allgemein als Rauschen bezeichnet und bewirken einen entsprechenden Rauschanteil iR im Empfängersignal (elektrische Stromstärke) iS. Jede Messung ist durch ein bestimmtes Signal/Rausch-Verhältnis S/R gekennzeichnet: S/R=(mittlere Signalleistung) / (mittlere Rauschleistung)

, wobei der Querstrich zeitliche Mittelung bedeutet. Mit S/R=1 ergibt sich die Nachweisgrenze eines P. Rechnet man das als Rauschspannung uR=iRRa (mit Ra als Arbeitswiderstand) gemessene Rauschsignal auf eine fiktive, auf den P. treffende Strahlungsleistung um und dividiert durch

(da die Rauschspannung proportional zur Wurzel aus der Bandbreite B der Nachweisanordnung ist), so erhält man die rauschäquivalente Strahlungsleistung (engl. noise equivalent power, Abk. NEP), gemessen in

. Die kleinste nachweisbare Strahlungsleistung eines P. in einer Anordnung mit der Bandbreite B ist seine NEP, multipliziert mit

. Besonders für Festkörper-P. wird als Maß für die "Nachweisfähigkeit" die Detektivität

angegeben, gemessen in cm

, wobei A die Empfängerfläche bezeichnet. Die Wahl dieser Größe ist zweckmäßig, weil bei vielen Infrarot-P. gilt:

. Unter dem Dynamikumfang des P. versteht man die Ausdehnung seiner Signal-Lichtstärke-Charakteristik, d.h. das Verhältnis der Signalamplitude im Sättigungsbereich zur Signalamplitude bei S/R=1. Das Ortsauflösungsvermögen bilderfassender P. gibt an, wieviele Linienpaare pro mm (Lp/mm) eines Schwarz-Weiß-Balkenrasters noch zu erkennen sind bzw. mit welcher Modulationstiefe ein solches Raster bei einer bestimmten Bildwechselfrequenz gegenüber 100% im Idealfall noch wiedergegeben wird. In speziellen Nachweistechniken wie Photonenzählung oder optische Vielkanalanalyse wird die Empfindlichkeit der gesamten Nachweisanordnung dadurch ausgedrückt, wieviele Photonen einen Signal- oder Zählimpuls auslösen bzw. wieviele Photonen für einen Signalimpuls pro Bildpunkt und Bildabfrage erforderlich sind.

Kalibrierung. Die Bestimmung der absoluten Nachweisempfindlichkeit des P. bezieht sich auf die Wellenlänge λ der Meßstrahlung (spektrale Empfindlichkeit S(λ)), auf ihre Modulationsfrequenz f (Frequenzgang S(f)) und auf die zulässige Bestrahlungsstärke (Dynamikumfang, Linearitätsbereich). Die Kalibrierung erfolgt, da elektrische Substitutionsmethoden wie bei thermischen Detektoren hier nicht anwendbar sind, entweder direkt mit Hilfe optischer Strahlungsnormale (schwarze bzw. "graue" Strahler bekannter spektraler Strahldichte) oder indirekt durch Vergleich mit anderen kalibrierten Detektoren. Für Silicium-Photodioden gibt es eine unabhängige Selbstkalibrierung: die innere Quantenausbeute Qi(λ) der Diode wird jeweils als Verhältnis ihres Photostromes ohne Vorspannung zu einem mit Vorspannung sich einstellenden Sättigungsphotostrom gemessen, und der Reflexionsgrad R(λ) der Si-Oberfläche wird ebenfalls aus einer Relativmessung bestimmt, so daß gilt S(λ)=[1-R(λ)]Qi(λ)λ/1,24 in A/W, wenn λ in μm gemessen wird.

Übersicht. Beispiele für Vakuumphotoempfänger sind in Tab. 1, wichtige Festkörperphotoempfänger in Tab. 2 zusammengestellt. Spektrale Empfindlichkeiten S(λ) von Vakuumphotoempfängern Photokatode, Detektivitäten D*(λ) von Festkörperphotoempfängern sind in der Abb. angegeben.







Photoempfänger: Detektivität D*(λ) von Festkörperphotoempfängern. 1 Si, 2: PbS (195 K, Bandbreite 1 kHz), 3 HgCdTe (300 K), 4 HgCdTe (77 K, Öffnungswinkel 60°), 5 Ge:Au (65 K, 900 Hz), 6 InSb (195 K, 900 Hz), 7 Ge:Cu (4,2 K, 900 Hz, 60°), 8 Ge:Zn (4,2 K, 800 Hz), 9 pyroelektrischer Detektor (TGS) zum Vergleich. λ Wellenlänge.

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