Попечителев Е.П. Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Теория и проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

моздкости блоков питания (особенно при обеспечении высокой стабиль-

ности интенсивности потоков излучения), сравнительно больших габари-

тов и др.

В качестве перспективных источников излучения фотометров клини-

ческого назначения можно считать

лазеры.

К основным достоинствам из-

лучателей этого типа следует отнести хорошую монохроматичность и ко-

герентность излучения, малую расходимость пучка, а для некоторых ти-

пов лазера — и возможность изменения длины волн излучения путем

управления напряжением питания лазера. Однако

лазерам, рассчитыва-

емым на применение в ОЭИП клинических фотометров, должны предъ-

являться особые требования, такие, как относительно небольшие разме-

ры, возможность работы в импульсном режиме, высокая стабильность

характеристик излучения, высокая линейность характеристики управле-

нйя интенсивностью потоков излучения. Наилучшим образом этим тре-

бованиям удовлетворяют твердотельные микролазеры, некоторые вари-

анты маломощных газовых лазеров и полупроводниковые лазеры.

В твердотельных микролазерах активной рабочей средой служат кри-

сталлические или аморфные вещества (рубин, стекло, иттрий-алюминие-

вый сплав, гранат и т. д.), легированные ионами различных химических

элементов, чаще всего неодимом. Активные элементы таких лазеров име-

ют весьма малые размеры и содержат высокую концентрацию неодима.

Порог генерации активных элементов так же невысок и составляет от

единиц до десятков мВт. Генерация наблюдается на длинах волн 1,06 и

1,3 мкм; при работе в импульсном режиме мощность излучения может

достигать нескольких ватт при длительности импульсов 40 + 80 не. Изве-

стны также твердотельные микролазеры с перестраиваемой длиной вол-

ны в пределах 730 + 780 нм, способные формировать импульсы излуче-

ния длительностью 70 + 100 не при частоте повторения до 20 Гц. Для на-

качки микролазеров можно использовать полупроводниковые инжекци-

онные лазеры (эффективность такой накачки около

10 %).

Твердотельные

микролазеры по своим параметрам иногда превосходят полупроводнико-

вые инжекционные лазеры, так как имеют лучшую когерентность и моно-

хроматичность излучения, большую стабильность одночастотного режи-

ма, мало подвержены влиянию внешней среды.

В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их сме-

си или пары металлов. Возбуждение осуществляется электрическим раз-

рядом в газе, используется также эффект быстрого охлаждения при рас-

ширении предварительно нагретой газовой смеси или возбуждение за

счет энергии, освобождающейся при химических реакциях компонентов

среды. Спектральный состав газовых лазеров значительно шире, чем у

остальных

типов и

перекрывает область от

150 нм

до 600 мкм. Эти лазеры

имеют высокую стабильность параметров излучения, которая может до-

178

стигать величин до Ю

-8

+ 10~

%; мала расходимость пучков (до

+ 10

угл.мин). Среди них особо следует выделить лазеры малой мощности, на-

пример атомарные гелий-неоновые, позволяющие получать излучение с

длиной волны 630 нм, 1,15 и 3,39

мкм,

при диаметре пучка

0,6

мм, рас-

ходимости 0,5 + 6 мрад и мощности от долей до сотен мВт.

В полупроводниковых лазерах (лазерных диодах) активной средой

'служат кристаллы полупроводника, которые возбуждаются инжекцией

тока через р-п -переход, пучком электронов или электрическим разрядом.

Они обеспечивают генерацию излучения в области спектра от 320 нм до

32 мкм. Так как активная среда лазера имеет высокий коэффициент уси-

ления, лазерный эффект достигается в активных элементах очень малых

размеров, не превышающих долей мм. Поэтому невелика и предельная

импульсная мощность излучения — порядка 10 + 25 Вт при комнатной

температуре. Когда требуется получить большую интенсивность излуче-

ния, отдельные лазерные диоды собирают в наборные излучатели, распо-

лагая их вплотную друг к другу, что позволяет увеличить мощность до

I кВт

более. Расходимость пучка излучения составляет

12°

в плоско-

сти /7-и-перехода и 20 + 40° в плоскости, перпендикулярной ей.

Большой интерес для разработчиков фотометрических систем могут

представлять перестраиваемые лазеры — генераторы когерентного излу-

чения с плавно изменяемой длиной волны. Известно несколько способов

перестройки длины волны: путем изменения внешних факторов (темпе-

ратуры, давления, внешнего электрического поля), с помрщью дисперси-

онных элементов и др. Однако эти разработки находятся еще

стадии ла-

бораторных исследований и не доведены до серийных образцов.

Наиболее перспективными на сегодня типами излучателей для

ОЭИП, особенно для диагностических фотометров, предназначаемых

для физиологических исследований, следует считать полупроводнико-

вые светоизлучающие диоды (СД). Этот тип излучателя уже нашел при-

менение в качестве образцовых источников лучистой энергии [23,39], а с

совершенствованием технологии изготовления и освоением новых мате-

риалов, расширяющих диапазон спектра излучения светодиодов, область

их применения должна еще больше расширяться.

Опыт разработки фотометров со светодиодами в качестве источников

лучистой энергии показывает, что СД могут значительно потеснить дру-

гие типы излучателей. Основанием для такого утверждения служат их

высокие эксплуатационные и технические показатели. Они характеризу-

ются большим сроком службы, в несколько раз превышающим срок

службы ламп накаливания; хорошей временной стабильностью интен-

сивности и спектрального состава излучения, высоким КПД (он прибли-

жается к 50 % при охлаждении светодиода); устойчивостью к вибрациям,

179

малыми габаритами, массой, стоимостью и т. д. Их отличает узкий спект-

ральный диапазон излучения (до 10-*- 30 нм), высокое быстродействие

(менее 10 не), достаточно большая мощность излучения, особенно в им-

пульсном режиме (до

0,1

Вт), хорошая линейность управления интенсив-

ностью излучения от величины тока через диод

т. д. К недостаткам све-

тодиодов, которые необходимо учитывать при разработке ОЭИП, можно

отнести зависимость интенсивности излучения от температуры (эта зави-

симость практически линейная [40]), сравнительно большой разброс па-

раметров и характеристик от образца к образцу, наличие в спектральной

характеристике излучения некоторых типов светодиодов нескольких зон

излучения.

Основными материалами для светодиодов, излучающих в видимой

области спектра, являются фосфид галлия, карбид кремния и твердые

растворы: галлий—мышьяк—фосфор, галлий — мышьяк—алюминий,

а для излучающих в инфракрасной области спектра — арсенид галлия.

Спектры излучения определяются характеристиками полупроводниково-

го материала, причем максимумы спектра можно изменять путем введе-

ния в исходный полупроводниковый материал различных примесей-ак-

тиваторов, например цинка, азота, бора и т. п.

При выборе светодиода для ОЭИП фотометра учитывается не только

спектр излучения, но

наличие нескольких спектральных диапазонов из-

лучения. Так, светодиоды на основе фосфида галлия (например, типа AJI

102 AM) имеют спектральные характеристики с двумя выраженными

максимумами интенсивности излучения в областях 530 + 560 нм и

690

700

нм.

Можно перераспределять мощность излучения в этих обла-

стях, изменяя количество активирующих примесей, которые вносятся в

структуру полупроводника при изготовлении светодиодов. Некоторые

типы светодиодов на этой же основе формируют излучение, которое ви-

зуально воспринимается как желтый цвет. Но это впечатление связано с

аддитивным смешением излучений на двух длинах волн — в области зе-

леных

красных цветов (560

690

нм),

причем соотношение интенсивно-

стей потоков составляет 0,15 + 0,5. Если не учитывать реальные спектра-

льные характеристики излучения светодиодов при расчете выходных

сигналов,

то

можно внести значительные погрешности

оценки фотомет-

рических параметров, источниками которых будут нерабочие спектраль-

ные области излучения. Коррекция этих погрешностей связана с установ-

кой специальных полосовых оптических фильтров.

180

7.2.3. Преобразователи параметров лучистого потока

в электрический сигнал

Преобразование интенсивности потоков излучения в электрический

сигнал осуществляется с помощью фотоэлектрических преобразовате-

лей, включаемых в состав ОЭИП. При разработке ОЭИП в качестве ФЭП

нашли применение фоточувствительные элементы, построенные на двух

эффектах:

— внешний фотоэффект, при котором электроны вырываются с по-

верхности чувствительного слоя при его облучении;

— внутренний фотоэффект, связанный с образованием свободных

носителей заряда

твердом теле при поглощении кванта излучения.

Внешний фотоэффект нашел применение в фотоэмиссионных эле-

ментах, таких, как вакуумный и газонаполненный фотоэлемент, фото-

электронный умножитель, диссектор и др. Внутренний фотоэффект мо-

жет проявляться в изменении электропроводности твердого тела (фото-

проводимость), что используется в фоторезисторах и ему подобных эле-

ментах, или в возникновении фото-ЭДС в области ^-«-перехода, что

испоЛьзуется в фотодиодах, фототранзисторах и других приборах.

Разработаны ФЭП, реагирующие на изменение общей интенсивности

излучения (интегральные ФЭП), его спектрального состава (спектраль-

но-чувствительные ФЭП), направление падения и геометрию потока из-

лучения (позиционно-чувствительные ФЭП) и т. д. По области спектра-

льной чувствительности можно выделить преобразователи, работающие

в ультрафиолетовой

(А.

< 0,4 мкм), в видимой

(А.

= 0,4

-г

0,72 мкм), ближ-

ней и средней инфракрасной областях

(А.

= 1,5

-5-

20 мкм) и в длинновол-

новой области спектра

(А.

> 20 мкм). Для регистрации слабых потоков из-

лучения, например при проведении люминесцентного анализа, разрабо-

таны преобразователи, в которых чувствительный слой охлаждается до

очень низких температур (до 20° К и менее).

В общем случае выходной ток фотоэлектрического преобразователя

зависит от величины падающего потока, спектрального диапазона излу-

чения, абсолютной температуры светочувствительного слоя и напряже-

ния питания, причем последняя зависимость, как правило, нелинейна и

изменяется со временем (явление временного

дрейфа).

Эти обстоятельст-

ва

не

позволяют связать выходной параметр

исследуемой характеристи-

кой среды. Обычно стремятся создать условия для стабилизации основ-

ных факторов (температуры, напряжения питания, внешних условий), не

связанных с измеряемым параметром.

Свойства ФЭП описываются системой параметров и характеристик.

Из параметров в первую очередь обращают внимание на:

181

— интегральную чувствительность S„, определяемую отношением

изменения одного из параметров преобразователя к вызвавшему это из-

менение воздействию (потоку);

— уровень собственных шумов;

— минимально допустимый поток излучения (порог чувствительно-

сти) Ф

доп

;

— инерционность, оцениваемую, например, постоянной времени

процесса изменения реакции преобразователя (фотоответа) на скачкооб-

разное изменение величины потока излучения.

К важнейшим характеристикам ФЭП относятся также:

— спектральная S(X), отражающая реакцию преобразователя на из-

лучение с разной длиной волны;

— энергетическая

1ф

А[Ф),

связывающая величину 1ф выходного

тока с облученностью Ф чувствительного слоя;

— частотная S(f), определяющая зависимость чувствительности

ФЭП от частоты f модуляции лучистого потока;

— спектр мощности шумов s = s(f), описывающий распределение

дисперсии шума = i^/Af по частотам;

— температурные, указывающие, как изменяются различные пара-

метры преобразователя (например, чувствительность, шумы и др.) при

изменении температуры чувствительного слоя;

— вольт-амперная I = А^и)|Ф, которая выражает зависимость тока I

от питающего напряжения U при разных лучистых потоках Ф.

Для ФЭП, используемых при регистрации пространственно-неодно-

родных потоков излучения, дополнительно вводятся еще несколько ха-

рактеристик, отражающих пространственную неравномерность его

свойств.

Эксплуатационные и конструктивные особенности ФЭП оценивают-

ся набором таких параметров, как площадь и конфигурация чувствитель-

ного слоя, напряжение питания и способ его подведения, -температура

чувствительного слоя, виброустойчивость и др.

Отметим особо параметр ФЭП, от которого

значительной мере зави-

сит чувствительность ОЭИП — уровень собственных (внутренних) шу-

мов. Основными видами шумов для фотоэлектрического преобразования

являются:

— тепловой, вызываемый хаотическим тепловым движением носи-

телей заряда;

— дробовой, определяемый тем, что электрический ток представля-

ет собой поток дискретных частиц, количество которых флуктуирует во

времени;

182

— токовый (фликер-шум или l/f-шум), отражающий процессы пере-

носа заряда в полупроводниках;

— фотонный, зависящий от флуктуаций фотонов, падающих на чув-

ствительный слой

Общий уровень шума оценивается дисперсией шума

причем дис-

персии некоторых из источников шума зависят от величины полезного

сигнала.

По зависимости шума от величины полезного сигнала можно выде-

лить три группы преобразователей:

— ФЭП с постоянными шумами i

— ФЭП с шумами, дисперсия которых изменяется пропорционально

амплитуде полезного сигнала

кц1ф (преобладают дробовые шумы);

— ФЭП с шумами, для которых дисперсия пропорциональна квадра-

ту амплитуды полезного сигнала iu,

= к

1ф

(преобладают токовые

шумы).

Величины к — постоянные коэффициенты.

При разработке ОЭИП необходимо учитывать, что дробовые, тепло-

ные и токовые шумы зависят от ширины полосы частот

Af,

в которой из-

меряется дисперсия, поэтому отношение ¥ и порог чувствительности

I акже

зависят от £ Для удобства сравнения разных преобразователей ис-

пользуется приведенное значение дисперсии

Параметром, соответствующим этому показателю ФЭП, является по-

рог чувствительности в единичной полосе частот

Ф„1

или величина, об-

ратная ему, — обнаружительная способность.

Таким образом, в зависимости от типа

назначения фотометра разра-

ботчику приходится анализировать довольно большое число параметров

и характеристик ФЭП, а иногда и самому определять их. Для облегчения

задачи выбора преобразователя существуют справочники, в которых

приводятся требуемые данные, полученные в некоторых стандартных

условиях (см., например, [39]), при необходимости эти данные могут

быть пересчитаны для новых условий применения.

Рассмотрим некоторые типы фотоэлектрических преобразователей,

используемых в фотометрах для клинических физиологических исследо-

ваний.

Группа преобразователей, основанных на внешнем фотоэффекте

( эмиссионные ФЭП), не нашла применение в фотометрах этого

типа.

Для

>тих ФЭП характерны относительно большие размеры, значительная не-

равномерность чувствительности по площади чувствительного слоя-фо-

юкатода (до 50 %), значительный разброс интегральной и спектральной

183

чувствительности у разных образцов одного

того же типа ФЭП, необхо-

димость использования большого по величине и высокостабильного на-

пряжения питания, существенная температурная зависимость характери-

стик и ряд других факторов.

Вторая группа преобразователей, использующая внутренний фотоэф-

фект, представлена разнообразными типами фоторезисторов, фотодио-

дов, фототранзисторов и фототиристоров [39].

В основе фоторезисторов лежит изменение электропроводности чув-

ствительного слоя при его облучении. Этот тип ФЭП характеризуется ма-

лыми размерами и массой, малым напряжением питания при высокой ин-

тегральной чувствительности в широком спектральном диапазоне. В то

же время его отличает повышенная инерционность, зависимость пара-

метров и характеристик от температуры, относительно невысокая линей-

ность энергетической характеристики. Наибольшее распространение по-

лучили фоторезисторы на основе сульфида или селенида кадмия — для

ультрафиолетовой и видимой областей спектра; сульфида свинца — для

видимой и ближней инфракрасной областей; селенида свинца, моно-

кристаллов антимонита индия, теллурида кадмия — для диапазона

0,5 н-14 мкм. Широко используются и «примесные» фоторезисторы на

основе кремния и германия, легированных разными примесями.

Темновое сопротивление фоторезисторов составляет 105

-г-

108 Ом, а

при освещенности 200 300 лк кратность изменения сопротивления до-

стигает 500

-г-

1000. Высокой линейности энергетической характеристики

можно добиться путем тщательного подбора состава вещества фоторези-

стора. Постоянная времени (быстродействие) зависит в основном от тех-

нологии изготовления, освещенности, температуры и других факторов.

Значительная инерционность (в лучших образцах она достигает значений

т 50 мс)—основной недостаток этого ФЭП, ограничивающий область

его применения.

Фотодиодами (ФД) называют такие преобразователи, в которых под

воздействием лучистой энергии возникают электронно-дырочные пары,

разделяемые р-и-переходом и образующие фототок. Это наиболее перс-

пективный фоточувствительный элемент для клинических фотометров.

Основным материалом для фотодиодов служат германий и кремний,

легированные примесями. Известны также ФД на основе соединений ар-

сенида галлия, фосфора

других материалов. Интегральная чувствитель-

ность фотодиодов достигает 25

н-

30 мА/лм. Кремниевые ФД (диапазон

спектральной чувствительности 0,4

-ь

1,1 мкм) отличаются высокой ста-

бильностью характеристик при изменении условий эксплуатации, малы-

ми темновыми токами и, следовательно, высоким порогом чувствитель-

ности, высокой электрической прочностью. Германиевые ФД обладают

184

большей интегральной чувствительностью и более широкой, чем у крем-

ниевых, спектральной характеристикой (до 0,3 + 1,8 мкм).

В последние годы появились новые типы фотодиодов, в которых пу-

тем структурных изменений

комбинаций материалов удается улучшить

электрические параметры и эксплуатационные характеристики. Среди

них отметим:

— дрейфовые фотодиоды, в которых используется неоднородное

распределение примесей; отличаются значительно меньшим темновым

током

чувствительностью

более коротковолновой части спектра;

— p-i-n -фотодиоды, структура которых состоит из низкоомных р- и

«-слоев, разделенных высокоомной i-областью; отличаются улучшенной

частотной характеристикой (некоторые типы могут работать на частотах

до 170

ч-

240 мГц), уменьшением времени нарастания и спада фототока

(до долей наносекунды) при чувствительности до 530 мА/Вт, темновым

током до 5 мкА, а линейность энергетической характеристики сохраняет-

ся до токов в 6 А;

— инжекционные фотодиоды, в которых сочетается фоторезистор-

н ый эффект с инжекцией носителей заряда через прямосмещенный пере-

ход; чувствительны практически во всех областях оптического диапазона

отличаются хорошими пороговыми характеристиками; их чувствитель-

ность достигает 120 а/лм при напряжении 8 В и освещенности около

3,5

•

10~

лк;

— фотодиоды с барьером Шотки, основанные на использовании эф-

фектов в поверхностно-барьерных структурах на границе раздела ме-

талл—полупроводник; характеризуются высокими показателями — рас-

ширенной областью спектральной чувствительности (0,3

-г-

0,9 мкм)

ди-

намического диапазона, способны выдерживать высокие уровни осве-

щенности, чувствительность достигает 220 мА/Вт;

— фотодиоды на основе тройного соединения галлий—мышь-

як—фосфор, для которых можно получить спектральную характеристи-

ку, совпадающую со спектральной чувствительностью глаза;

— лавинные фотодиоды, обладающие внутренним усилением фото-

тока в результате ударной ионизации атомов решетки носителями фо-

то-ЭДС, которые получают энергию в сильном поле перехода; коэффици-

ент внутреннего усиления достигает 102

-5-103

и определяется напряже-

нием питания и температурой, обратный ток до 10—11 А/мм

, время фо-

тоответа измеряется долями наносекунд.

Кроме перечисленных практический интерес представляют ФД на

основе гетероструктур, варизонных структур галлий—мышьяк—алюми-

н и й—мышьяк, на основе твердых растворов, слоистых соединений и

т.

п.

Далеко не все из перечисленных типов уже нашли практическое примене-

ние, некоторые типы ФД находятся в стадии лабораторных исследова-

ний. Однако они могут оказаться весьма перспективными для клиниче-

ских фотометров ввиду целого ряда преимуществ по сравнению с исполь-

зуемыми на сегодня типами фотодиодов.

Среди других типов полупроводниковых фоточувствительных при-

боров следует выделить фототранзисторы. Они имеют два или несколько

р-и-переходов и обладают свойством усиления фототока при облучении

чувствительного слоя. Интегральная чувствительность германиевых фо-

тотранзисторов достигает 3 + 7 А/Вт, постоянная времени 150 + 250 мкс,

темновой ток порядка 40 мкА. Кремниевые фототранзисторы имеют на

порядок меньший темновой ток, постоянную времени 80 мкс и интегра-

льную чувствительность 0,2 + 0,4 мкА/лк. Высокая чувствительность и

быстродействие, малые габариты

низкое напряжение питания (до

5 -г 10

В)

делают фототранзисторы весьма перспективными для использования в

ОЭИП.

Остальные типы фоточувствительных преобразователей на внутрен-

нем фотоэффекте — фототиристоры, инверсионные фотодиоды, мозаич-

ные приемники, фотопотенциометры, фотоприемники с радиальным

электрическим полем и т. п. — пока не нашли должного применения в

фотометрических устройствах рассматриваемого класса.

7.3. СОГЛАСОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Принципиальное отличие процесса разработки устройств сопряже-

ния с биологическим объектом для фотометрических систем заключается

в необходимости обеспечения согласования параметров и характеристик

всех элементов оптико-электрического измерительного преобразователя,

в состав которого, как известно, входят источник излучения со схемой

управления интенсивностью излучения, оптические элементы, позволя-

ющие изменять геометрию и спектральный состав излучения, фотоэлект-

рический преобразователь для формирования электрического сигнала и

сам исследуемый объект. Цель такого согласования — выполнение ряда

требований, основными из которых являются следующие.

1. Поток излучения, поступающий на исследуемый объект, по спект-

ральному составу, интенсивности, геометрии и другим параметрам дол-

жен соответствовать методике проведения фотометрического исследова-

ния.

2. Спектральные характеристики элементов преобразователя, отвеча-

ющих за спектральный состав излучения, должны быть согласованы;

186

причем ФЭП должен иметь наибольшую спектральную чувствитель-

ность в диапазоне спектра регистрируемого потока, а другие элементы

преобразователя — наибольший коэффициент пропускания для этого

диапазона.

3. Фотоэлектрический преобразователь должен быть согласован с

входной цепью электронной части блока

ФЭП,

а источник излучения—с

устройством, формирующим сигнал управления интенсивностью излуче-

ния.

4. Необходимо обеспечить согласование частотных характеристик

источника излучения, фотоэлектрического преобразователя

устройства

первичной обработки сигналов ФЭП.

5. Излучение лучистого потока, падающего

на ФЭП,

должно удовлет-

ворять заданному отношению сигнал/шум, определяющему помехо-

устойчивость и чувствительность ОЭИП.

6. Влияние фоновых лучистых потоков необходимо свести к миниму-

му.

Только выполнение этих условий обеспечит получение наиболее пол-

ной первичной измерительной информации об оптических свойствах ис-

следуемого объекта. Однако осуществить выполнение всех требований

нелегко, что уже отмечалось при характеристике излучателей, оптиче-

ских систем и фотоэлектрических преобразователей.

Перечисленные требования можно объединить в две основные груп-

пы. Первая учитывает согласование оптических и оптико-электрических

свойств элементов ОЭИП, а вторая — согласование электрических и час-

тотных характеристик ФЭП и источника излучения с подключенными к

ним электронными узлами.

7.3.1. Согласование оптических характеристик

Наиболее важными требованиями в первой группе следует считать:

согласование спектральных характеристик источника излучения и ФЭП;

обеспечение необходимых показателей их передаточной характеристики

(линейности, коэффициента передачи и др.); формирование лучистого

потока заданной геометрии, спектрального состава, модуляции, защита

оптического тракта ОЭИП от паразитного излучения и т. п. Остановимся

подробнее на методах выполнения первых двух требований, так как оста-

льные хорошо освещены в технической литературе (см., например, [22,

23,27, 39] и др.). При этом в качестве источника излучения и фотоэлект-

рического преобразователя будем ориентироваться на использование по-

лупроводниковых светоизлучательных

фоточувствительных диодов.

Выбор источника излучения и фотоэлектрического преобразователя

по спектральным характеристикам должен осуществляться прежде всего

187

с учетом спектральной характеристики поглощения исследуемой биоло-

гической среды. Получение последней характеристики, как правило, свя-

зано с преодолением значительных трудностей методического характера,

так как оптические свойства могут изменяться в значительной степени

даже для биообъектов одного типа, находящихся в одинаковых условиях,

при этом часто по непредсказуемым закономерностям. Это обстоятельст-

во затрудняет оценку истинных оптических свойств исследуемой среды.

Иногда удается задать спектральный диапазон и, может

быть,

оценить ха-

рактер изменения спектральной характеристики поглощения.

Так как при физиологических исследованиях оценка медицинских

показателей с помощью фотометрических методов связана с регистра-

цией изменений (а не истинных значений) оптических свойств биотка-

ней, задача клинического фотометра несколько упрощается, поскольку

достаточно фиксировать изменения, а не абсолютные значения фотомет-

рических параметров. В некоторых исключительно редких случаях уда-

ется воспользоваться оптическими эталонами исследуемой среды, тем са-

мым получить более точные представления о ее истинных оптических

свойствах.

Спектральная характеристика источника обычно характеризуется его

так называемой «цветовой» температурой Т

°, под которой понимают

температуру абсолютно черного тела, спектр излучения которого совпа-

дает со спектром излучения источника. Однако для светодиодов такая

оценка спектральной характеристики непригодна в силу ряда особенно-

стей ее спектральной характеристики излучения (см. выше); приходится

пользоваться экспериментально снятыми характеристиками. Регистра-

цию спектральных характеристик осуществляют с помощью специаль-

ных установок, содержащих монохроматоры и высокоточные измерите-

льные устройства.

Технологически оказывается более сложным разработка светодиод-

ных источников излучения с широкой спектральной характеристикой из-

лучения, чем изготовление фотодиодов с широкой спектральной характе-

ристикой чувствительности. Поэтому приходится осуществлять отбор

светодиодов из имеющихся в справочниках.

Согласование спектральных характеристик источника излучения и

ФЭП обычно оценивается с помощью корреляционного коэффициента:

)(Ф / Ф

)dX

k(X)

= -°i ,

(Ф / Ф

)dX

188

где (S/So)—относительная спектральная характеристика чувствительно-

сти ФЭП;

(Ф/Фо)

— относительная спектральная характеристика излуче-

ния источника.

Пределы интегрирования могут быть уменьшены до диапазона длин

волн, соответствующих границам спектра излучения источника и спект-

ральной чувствительности

ФЭП.

Считается, что

при

удовлетворительном

согласовании спектральных характеристик корреляционный коэффици-

ент лежит

диапазоне от 0,95 до 0,4, меньшее значение этого коэффици-

ента указывает на низкую эффективность работы выбранных элементов.

При необходимости юстировки спектральной характеристики можно

воспользоваться оптическими фильтрами из стандартного набора и пере-

считать корреляционный коэффициент с учетом их спектральных харак-

теристик. При всех оптических расчетах не следует упускать из вида

спектральную характеристику поглощения исследуемого объекта.

7.3.2. Передаточная характеристика ОЭИП

Рассматривая ОЭИП как узел электрической цепи преобразования

сигналов, можно описать его свойства традиционными параметрами

ха-

рактеристиками (статическими и динамическими) четырехполюсника

(рис. 7.15).

Тогда входной и выходной характеристиками такой цепи будут

вольт-амперные характеристики соответственно источника излучения и

фотоприемного устройства. Сквозная передаточная характеристика

ОЭИП — F

3Hn будет определяться как зависимость сигнала на выходе

ФПУ — Uony от сигнала управления интенсивностью излучения источ-

ника — U

ynp

Frorai

U<bny(U

ynp

Линейность характеристики Роэип является одним из важных показа-

телей, который вб многом определяет метрологические свойства фото-

метра, особенно при использовании функционального питания в

ОЭИП-АШ. Теоретическое определение формы характеристики Роэип

связано с преодолением некоторых трудностей, поскольку необходимо

знать выражения для описания передаточных характеристик источника

излучения F

H И фотоэлектрического

преобразователя

F<j>3n-

Кроме того, необ-

ходимо учитывать нелинейные искаже-

ния, возникающие в электрических схе-

мах (схемы управления и усилителя сиг-

нала ФЭП), к которым подключаются эти

элементы.

Цуц>

Ф"У

Рис. 7.15. ОЭИП в виде

четырехполюсника

183

Наибольшие трудности возникают при определении F

H, отражаю-

щей зависимость интенсивности излучения от управляющего сигнала.

Эти зависимости, рекомендуемые для инженерных расчетов, зачастую

носят эмпирический характер и применимы для небольшого динамиче-

ского диапазона управляющих сигналов. Для светодиодов зависимость

мощности излучения Р

и от протекающего через диод тока

определяет-

ся как

ии

= IhvT|/q,

где hv — энергия излучения фотонов;

— заряд электрона;

т)

— внешняя

квантовая эффективность, которая зависит от типа полупроводниковых

материалов, геометрии р-и-перехода, конструкции диода и других пока-

зателей, в том числе и от тока через светодиод.

Так как квантовую эффективность при практических расчетах опре-

делить

не удается,

то выражение для

Рии

упрощают, считая, что относите-

льная мощность излучения Р

ОГ1|

=Р(1)/Р(1о) зависит от отношения тока

че-

рез светодиод к базовому току 1

(

Рот,, = (1/1оГ,

где т= 0,6

н- 1,4

— коэффициент, зависящий от типа

конкретного образ-

ца светодиода.

Применение полученных выражений при оценке линейности Р

оэип

не

дает удовлетворительных результатов. В некоторых справочниках (см.,

например, [40]) приводятся графики зависимости мощности излучения

(яркости, силы света) излучателей от управляющего сигнала. Однако эти

данные получены

для

постоянных

токов,

не превышающих предельно до-

пустимых. При работе светодиодов в импульсном режиме ток в импульсе

может в несколько раз превышать предельно допустимый постоянный

ток при среднем токе, не превышающем последний. Данные по таким ре-

жимам работы светодиодов в литературе, как правило, не приводятся, по-

этому разработчику приходится снимать сквозную передаточную харак-

теристику ОЭИП экспериментально. Для этого, удобно воспользоваться

устройством, структура которого приведена на рис. 7.16, а [6].

Исследуемый ОЭИП включается во внешнюю измерительную схему,

в которой можно выделить две части. Первая часть схемы — блок управ-

ления (БУ) — обеспечивает управление интенсивностью излучения све-

тодиода по линейно изменяющемуся закону, вторая — блок регистрации

(БР)

— позволяет оценить линейность сквозной передаточной характери-

стики.

Импульс, формируемый задающим генератором (ЗГ), запускает триг-

гер (Тр), который определяет продолжительность одного цикла измере-

ний и приводит все узлы устройства в исходное состояние. Начинает ра-

190

а)

—та

В)

Рис. 7.16. Устройство для измерения линейности сквозной передаточной

характеристики ОЭИП

ботать генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛН), выход ко-

торого подключен к схеме управления интенсивностью излучения источ-

ника — устройства формирования излучения УФИ, входящего в состав

ОЭИП. С выхода ФПУ, в состав которого включен фотоэлектрический

преобразователь (ФЭП) ОЭИПа, сигнал поступает на один вход порого-

вой схемы (нуль-органа НО с пороговым уровнем Uo= 0), на второй вход

которого подается напряжение опорного уровня с цифроаналогового пре-

образователя (ЦАП). Вход ЦАП соединен со счетчиком уровня (СчУ), в

котором в начальный момент времени устанавливается код, соответству-

ющий первому уровню опорного напряжения U

В момент ti выходной сигнал с

ОЭИП

достигает уровня U

i (рис. 7.16,

б), нуль-орган срабатывает (рис. 7.16, в), а

его

импульс поступает на СчУ

191

и формирователь (Ф). С ЦАП на вход НО подается очередной уровень

опорного напряжения U

; НО переводится в исходное состояние. Де-

шифратор Д формирует импульс длительностью t

—

tj,

который откры-

вает схему совпадений И, и счетные импульсы с генератора опорной час-

тоты ГОЧ поступают на счетчик памяти СчП. В счетчике формируется

код, пропорциональный крутизне начального участка сквозной переда-

точной характеристики ОЭИП. В момент t

нуль-орган вновь срабатыва-

ет, счетчик СчУ получает новый импульс и через ЦАП формируется но-

вый опорный уровень U

, НО возвращается в исходное состояние. Фор-

мирователь Ф вырабатывает импульс, который поступает на цифровой

компаратор (ЦК) и реверсивный счетчик (РСч), в который переписывает-

ся код из счетчика памяти. После этого счетные импульсы от генератора

опорной частоты поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика

и одновременно через схему И — опять на счетчик памяти. Таким обра-

зом, из переписанного в реверсивный счетчик кода, соответствующего

интервалу t

— ti, вычитаются импульсы, число которых соответствует

интервалу

—1

. В счетчике памяти СчП формируется код интервала

—1

. В момент срабатывает нуль-орган, формируется очередной уро-

вень U

4. Импульс с выхода формирователя Ф поступает на компаратор

ЦК, который срабатывает, если на реверсивном счетчике сохранится код

±AN

;ion

Устройство работает до такого интервала t

.i — t

, для которого оста-

точный код в РСч превышает допустимую величину ±AN

fl0n

, что соответ-

ствует допустимому значению ±At

aon

изменения соседних интервалов. В

момент t

+i сформированный импульс проходит через компаратор и по-

ступает на триггер

(Тр),

возвращая его в исходное

состояние.

Цикл иссле-

дования заканчивается. Наибольшее значение тока через светодиод в мо-

мент t„+i запоминается в устройстве выборки и хранения (УВХ) и посту-

пает на регистратор (Р).

Превышение интервала t„

i—t

при некотором п начального интерва-

ла t

—1| на величину At пропорционально определенному отклонению

крутизны сигнала на выходе от его крутизны на начальный момент нарас-

тания пилообразного напряжения. Величина допустимого отклонения

(интервал ±At

fl0n

и код ±AN) задается на цифровом компараторе соответ-

ствующей коммутацией сигналов разрядов реверсивного счетчика.

Погрешность устройства определяется

основном точностью форми-

рования опорных уровней, частотой генератора счетных импульсов, не-

линейностью пилообразного напряжения. Такие факторы, как запаздыва-

ние срабатывания нуль-органа, дрейф порога срабатывания, конечное

время срабатывания цифровых элементов

другие подобные факторы на

точность оценки линейности сквозной передаточной характеристики

192

влияния не оказывают или влияют незначительно, поскольку их воздей-

ствие

можно

считать идентичным

для

всех интервалов t

—

tj -ь

i —1„.

Устройство позволяет оценить влияние оптико-электрического кон-

тура отрицательной обратной связи на линейность передаточной xapaicre-

ристики ОЭИП. В этом режиме в него вводится дополнительный фото-

метрический канал, включающий фотодиод и усилительный тракт с кон-

туром автоматического управления мощностью излучения светодиода по

сигналу ошибки.

В результате исследований ОЭИП, содержащего в качестве источни-

ка излучения светодиоды типа AJI307, AJI310,

AJ1106,

AJI107

и в

качестве

фотоэлектрических преобразователей фотодиоды типа ФД21КП, ФД 24,

показано [6], что в импульсном режиме с линейно нарастающей интен-

сивностью излучения при скважности более

5 и

длительностью импульса

до 10 мс линейный диапазон излучательной способности светодиодов

увеличивается в 3—4 раза. Включение контура обратной связи позволяет

расширить линейный диапазон в

15—20 раз для

светодиодов типа АЛ307,

АЛ310 и в 30 и более раз для светодиодов с излучением в ближней инф-

ракрасной области спектра. Величина допустимого отклонения от кру-

тизны нарастания начального участка сигнала устанавливается

Приведенная схема, конечно, не является единственно возможной,

она лишь иллюстрирует принцип построения подобных устройств.

7.3.3. Согласование электрических

и частотных характеристик

Фотодиоды являются значительно более быстродействующими, чем

фоторезисторы, с одной стороны,-

обладают меньшим уровнем собст-

венных шумов, более удобны в эксплуатации, чем фототранзисторы,— с

другой. Они широко используются для приема модулированного по ин-

тенсивности излучения при решении различных прикладных задач, в том

числе и в клинических фотометрах.

Для подключения к устройству первичной обработки сигналов фото-

диод включается на вход согласующего каскада, вместе с которым со-

ставляет фотоприемное устройство (ФПУ). Схема подключения ФД к со-

гласующему каскаду задает режим его работы, от которого в значитель-

ной степени зависят инерционные свойства, динамический диапазон и

помехоустойчивость фотометра.

Известны два режима работы фотодиода:

— фотодиодный, когда к ФЭП приложено обратное напряжение сме-

щения р-и-перехода;

— фотогальванический (фотовольтаический, вентильный), когда ге-

нерируется фото-ЭДС без приложения внешнего напряжения.

7 Электрофизиологическая и фотометрическая 193

медицинская технология

Г) Д)

Рис. 7.17. Схемы включения фотодиодов

Инерционные свойства

ФД,

определяющие быстродействие ФПУ, су-

щественно различаются в разных режимах работы. Так, в фотодиодном

режиме время нарастания или спада сигнала фотоответа составляет еди-

ницы наносекунд, а

фотогальваническом—оно существенно выше.

Схемы включения фотодиодов, работающих в разных режимах, при-

ведены на рис. 7.17. Здесь схемы «а» и «б» соответствуют работе на ак-

тивную нагрузку при постоянном потоке облучения, а остальные «в», «г»

и «д» —

при

работе ФД

модулированными потоками от источника излу-

чения.

последнем варианте

качестве нагрузки ФД используются дрос-

сель (Др на схеме рис. 7.17, в, г) или трансформатор (Тр на схеме

рис. 7.17, д).

Для повышения вольтовой чувствительности фотодиодов Su необхо-

димо увеличивать сопротивление нагрузки

R„.

При фотодиодном режиме

работы максимальное значение нагрузки R„,

ax связано с максимальным

потоком излучения Ф

тах

, который может зарегистрировать фотодиод,

следующим соотношением:

Rn.max

Up/(S^

max

где и

—рабочее напряжение питания ФД; Si—интегральная чувствите-

льность ФД по

току; 1

— темновой ток через ^-«-переход. Максимальная

вольтовая чувствительность в этом случае определяется как

"Ujmax*

Если сигнальный фототок

I®

максимальная вольтовая чувствите-

льность не зависит от параметров фотодиода, то есть

Sujmax

~ ир/Ф

тах

, и

я Up/I®

max

. При

1®

эта чувствительность тем больше, чем меньше

значение 1

, то есть Su^ax

SiUp/I

194

При фотогальваническом режиме работы ФД максимальное сопро-

тивление нагрузки по постоянному току, обеспечивающее линейность

энергетической характеристики, определяют по соотношению

Rtt.max

где

к—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура

ФД;

е—за-

ряд электрона. Максимальная вольтовая чувствительность при этом

_ S,kT/(eI

)

+ kT / (eI

)

Следует, однако, учитывать, что, поскольку сопротивлениер-п -пере-

хода зависит от

1ф,

оптимальное сопротивление нагрузки в условиях ре-

гистрации потоков энергии в широком динамическом диапазоне подо-

брать невозможно. Поэтому, когда перепад интенсивности регистрируе-

мого излучения находится в диапазоне 50 Ю

, с погрешностью не бо-

лее 3 + 4 %, сопротивление нагрузки можно найти как

_ _0,88АкТ 1п(1

)

Кц ,

где А =

1 -г-

4 — коэффициент, зависящий от материала фотодиода; для

германиевых ФД он равен единице.

Кроме того, необходимо учитывать, что при увеличении R

одновре-

менно с ростом отношения сигнал/шум ¥ увеличивается и постоянная

времени ФПУ т

пу, определяемая выражением

тфпу = >/тфэп

+т

ск

+т

ьЛ

где

Тфэп—постоянная времени фотодиода; т

СК

—постоянная времени со-

гласующего каскада; т

вх

— постоянная времени его входной цепи. Поэто-

му для улучшения быстродействия ОЭИП часто применяют схемы ФПУ

с операционным усилителем (ОУ) или с цепью коррекции постоянной

времени.

Ко входу ОУ фотодиод может быть подключен двумя способами

(рис.

7. i 8)

для обеспечения одного из режимов его работы.

В обоих случаях фотодиод нагружен достаточно низким входным со-

противлением операционного, усилителя R

=Ro

/K, где

Roe

— сопротив-

ление обратной связи; К—коэффициент усиления

ОУ.

Обычно

Та-

ким образом, фотодиод работает как генератор тока в режиме короткого

замыкания, а усилитель служит преобразователем этого тока в выходное

напряжение

BbIX

= 8^

Ф; вольтовая чувствительность ФПУ при приеме

ПОСТОЯННЫХ лучистых ПОТОКОВ Su = SiRoe.

195

Roc Roc

Рис. 7.18. Схемы подключения фотодиодов к операционному усилителю при

постоянных лучистых потоках

Низкоомная нагрузка ФД позволяет увеличить его быстродействие,

поскольку уменьшается постоянная времени

эп-

Верхняя граничная ча-

стота f„ частотной характеристики определяется как

f^l/^TtRocCoc),

где

Сое

— емкость цепи обратной связи ОУ. Преимуществом подобной

схемы ФПУ является также отсутствие необходимости стабилизации ко-

эффициента усиления ОУ.

Важным следствием работы фотодиода на низкоомную нагрузку яв-

ляется обеспечение линейной энергетической характеристики фототока,

даже при работе

фотогальваническом режиме.

этом режиме снижают-

ся собственные шумы диода в результате отсутствия обратного тока, что

позволяет использовать ФД для регистрации малых уровней освещенно-

сти. Однако

в этом

режиме возрастает емкостьр-и-перехода, что оказыва-

ет влияние на спектральную плотность шума и частотную характеристи-

ку ОЭИП. Если емкостная составляющая полного сопротивления диода

(его импеданса) меньше такой же составляющей импеданса контура об-

ратной связи ОУ, то на выходе последнего шумы возрастают, причем

пропорционально отношению этих сопротивлений. Скорость возраста-

ния определяется соотношением уровня шумов ФД, ОУ и R^.

Как показано ранее, некоторые структуры ОЭИП используют импу-

льсное питание источника лучистой энергии. Поэтому и ФПУ должен

быть рассчитан на регистрацию импульсных потоков лучистой энергии.

В таких случаях необходимо, чтобы его вольтовая чувствительность по

переменному потоку была максимальной, а по постоянному потоку (на-

пример, от внешних засветок) — минимальной. Для этого целесообразно

использовать трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД

(см. рис. 7.17, в, г, д). С помощью этих схем удается получить большое

(индуктивное) сопротивление R„, и по переменному току и малое сопро-

тивление R„ по постоянному току. При работе с разными нагрузками ве-

196

личина R„ определяет режим работы ФД.

Сопротивление нагрузки по постоянному

току желательно выбирать намного мень-

ше, чем значение R

,max> вычисляемое по

полученным выше выражениям.

При использовании резисторной на-

грузки ФД (рис. 7.19) на входе ОУ уста-

навливается разделительный конденсатор.

При этом для улучшения частотных

свойств фотодиода и расширения динами-

ческого диапазона энергетической харак-

теристики ФД желательно включать в фо-

тодиодном режиме. Благодаря включению разделительного конденсато-

ра

построению последующих электронных узлов обработки сигнала без

связи по постоянному току на сигналы не оказывают влияние временной

и температурный дрейф ОУ, темновой ток ФД и постоянное напряжение

на выходе ОУ.

В импульсных ОЭИП полезный сигнал должен передаваться через

ФПУ с минимальными искажениями

при

обеспечении максимального от-

ношения сигнал/шум. Следовательно, ФПУ должен иметь достаточно

широкую полосу пропускания Af. Но при увеличении полосы пропуска-

ния одновременно с уменьшением искажений полезного сигнала увели-

чиваются шумы. Известно [36], что при любой форме импульса оптима-

льной является гауссова форма частотной характеристики электронного

тракта, а практическая полоса пропускания

на

уровне

0,5

максимального

значения определяется выражением

(0,9 т 1,0)/т

вх

где

вх

—длительность импульса на

входе

ФПУ на уровне

0,5

максималь-

ного значения. При этом длительность импульса на выходе ФПУ т

вых

= (1,4+1,5) х„.

Если полосу пропускания ФПУ увеличить до значения Af =

= (1,35 + 1,5)/т

вх

то

точность воспроизведения формы импульса повыша-

ется, а отношение ¥ уменьшается

всего

на

%.Чтобы различать импуль-

сы минимальной длительности, следующие друг за другом через интер-

вал времени, равный длительности импульса, верхнюю граничную часто-

ту выбирают в соответствии с неравенством

;> l/(2T.

Ximin

где T

ex min

— минимальная длительность импульса, а для определения

нижней границы используется соотношение

197

Рис. 7.19. Схема подключения

фотодиодов к операционному

усилителю при импульсных

лучистых потоках