آشکارساز نوری چیست و چه انواعی دارد؟

مقدمه

آشکارساز نوری یا حسگر نوری (Photodetector) ابزارهایی هستند که برای اندازه‌ گیری یا تشخیص وجود نور، شدت و یا طول موج نور استفاده می‌ شوند.

در حقیقت، یک آشکارساز نوری قطعه‌ ای است که به نور حساس است و پس از دریافت سیگنال نور،  متناسب با شدت آن، یک سیگنال که معمولاً الکتریکی است، تولید می‌ کند. به عبارت ساده تر، اطلاعات نور الکترومغناطیسی را دیجیتالی می کند.

انواع مختلف آشکارساز نوری به طور گسترده در دستگاه های مختلف مانند عکاسی، ابزار دقیق نوری، اسپکترومتری، سیستم های روشنایی خودکار و حتی در دستگاه های روزمره مانند تلفن های هوشمند و دوربین های دیجیتال به کار می روند.

در این مقاله قصد داریم تا انواع مختلف و پرکاربرد آشکارساز نوری را معرفی کرده و با مکانیزم عملکردی آنها آشنا شویم. با ما همراه باشید.

آشکارساز نوری چیست؟

آشکارساز نوری که به عنوان حسگر یا ردیاب نوری نیز شناخته می‌ شود، وسیله‌ ای است که وجود نور را شناسایی کرده و شدت یا ویژگی‌ های دیگری از نور را اندازه‌ گیری می‌ کند.

وظیفه یک آشکارساز ساز نوری این است که امواج نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند که می تواند اندازه گیری، ثبت یا برای پردازش بیشتر استفاده شود.

اندازه گیری و ثبت نور دریافتی در دستگاه های مختلف، این امکان را برای ما فراهم می کند تا جنبه های مختلف محیط نوری اطراف را ضبط و تفسیر کنیم و بنابراین، شناخت دقیق تری از محیط خواهیم داشت.

مکانیزم عملکردی یک آشکارساز نوری

مکانیزم کلی آشکارساز نوری شامل مراحل زیر است:

1- جذب

هنگامی که نور بر روی سطح آشکارساز می تابد، توسط ماده تشکیل دهنده جذب می شود که می تواند یک نیمه رسانا، یک فیلم حساس به نور یا هر ماده جاذب نور دیگری باشد.

2- تولید جفت الکترون-حفره

انرژی نور جذب شده، الکترون‌ ها را در ماده آشکارساز برانگیخته می‌ کند و باعث می‌ شود که به سطوح انرژی بالاتر حرکت کنند یا حتی از اتم‌ هایشان جدا شوند.

این فرآیند، یک جفت الکترون-حفره ایجاد می کند، جایی که یک الکترون از جای مربوطه خود جدا می شود و یک جای خالی با بار مثبت در ساختار اتمی ایجاد می شود.

3- جداسازی و جمع آوری بارها

هنگامی که جفت الکترون-حفره ایجاد می شود، میدان الکتریکی درون آشکارساز باعث می شود بارهای جدا شده در جهت مخالف حرکت کنند.

الکترون ها توسط الکترود با بار منفی جمع آوری می شوند، در حالی که حفره ها توسط الکترود با بار مثبت جمع آوری می شوند. این جداسازی و جمع آوری بارها یک جریان یا ولتاژ الکتریکی ایجاد می کند.

4- تقویت و پردازش سیگنال

جریان یا ولتاژ تولید شده معمولاً بسیار ضعیف است و برای شناسایی یا پردازش بیشتر باید تقویت شود. بسته به نوع آشکارساز نوری، ممکن است از تکنیک های تقویت مختلفی مانند تقویت کننده های مبتنی بر ترانزیستور یا نوع ولتاژ استفاده شود.

سپس بسته به هدف، سیگنال تقویت شده می تواند پردازش، تجزیه و تحلیل یا برای کاربردهای مختلف استفاده شود.

5- خروجی و تجزیه و تحلیل

خروجی نهایی آشکارساز نوری می تواند به صورت جریان الکتریکی، ولتاژ یا سیگنال دیجیتال باشد. این خروجی را می توان بر اساس الزامات برنامه اندازه گیری، ثبت یا برای اهداف خاص مورد استفاده قرار داد.

شدت نور تشخیص داده شده یا سایر خصوصیات را می توان برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد نور فرودی، مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.

توجه به این نکته مهم است که انواع مختلف آشکارساز نوری ممکن است ساختار و ویژگی های عملیاتی کمی متفاوت داشته باشند، اما اصل اساسی یکسان است.

انواع آشکارساز نوری

آشکارسازهای نوری را می توان در اشکال و فناوری های مختلفی یافت که هر کدام اصول کار و ویژگی های خاص خود را دارند. برخی از انواع رایج آشکارساز نوری عبارت اند از:

فتودیود

فوتودیودها، دستگاه های نیمه رسانایی هستند که در مواجهه با نور جریان تولید می کنند. آنها به طور گسترده در کاربردهایی مانند تشخیص نور، ارتباطات نوری و برداشت انرژی خورشیدی استفاده می شوند.

آنها در اصل نوعی دیود نیمه هادی هستند که در حالت بایاس معکوس عمل می کنند و زمانی که فوتون ها در معرض نور قرار می گیرند، الکترون های دیود را تحریک کرده و در نتیجه جریان ایجاد می شود.

فتودیودها معمولاً در کاربردهای مختلفی مانند سنجش نور، ارتباطات نوری، تصویربرداری و کاربردهای تشخیصی استفاده می‌ شوند.

آنها انواع مختلفی دارند، از جمله فتودیودهای PIN، فتودیودهای بهمنی (APD) و ترانزیستورهای نوری که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

ترانزیستورهای نوری

مانند فوتودیودها، فتوترانزیستورها نیز در پاسخ به نور جریانی تولید می‌کنند اما با قابلیت‌های تقویت بالاتر. در حقیقت، ترانزیستورهای نوری دستگاه های نیمه هادی هستند که عملکرد هر دو فتودیود و ترانزیستور را ترکیب می کنند.

این نوع آشکارساز نوری برای تشخیص و تقویت سیگنال های نور و معمولاً در برنامه های مختلف الکترونیکی که به حساسیت و تقویت سیگنال بالاتر نیاز دارند، استفاده می شود.

مکانیزم یک ترانزیستور نوری شبیه به ترانزیستور معمولی است، با این تفاوت که یک ناحیه پایه حساس به نور اضافه شده است.

در اینجا توضیح ساده ای از نحوه کار یک ترانزیستور فوتوترازی ارائه می دهیم:

1. هنگامی که نور بر روی ناحیه پایه می افتد، فوتون ها به مواد نیمه هادی برخورد می کنند و الکترون های درون آن را تحریک می کنند.
2. فوتون های جذب شده، باعث تولیذ جفت های الکترون-حفره را در ناحیه پایه شده و در نتیجه، یک جریان پایه (IB) ایجاد می‌ شود که متناسب با شدت نور فرودی است.
3. این جریان پایه (IB)، جریان بزرگتر کلکتور (IC) را در ناحیه اصلی ترانزیستور کنترل می کند.
4. فوتوترانزیستور جریان ضعیف اولیه تولید شده توسط عمل شبه فتودیود را تقویت می کند و سیگنال خروجی قوی تری را ارائه می دهد.
5. جریان کلکتور تقویت شده (IC) را می توان پردازش کرد و در مدارها یا سیستم های الکترونیکی مختلف استفاده کرد.
6. 

لوله های مولتی پلایر نوری (PMT)

PMT ها دستگاه های مبتنی بر خلأ هستند که می توانند سیگنال های نور بسیار ضعیف را تقویت کنند و از یک فوتوکاتد تشکیل شده‌ اند که فوتون‌ های ورودی را به یک جریان الکترونی تبدیل می‌ کند، که سپس از طریق یک سری داینود ضرب می‌ شود.

این نوع از آشکارساز نوری معمولاً در کاربردهای علمی، صنعتی و پزشکی استفاده می شوند که در آن سطوح نور بسیار کم نیاز به اندازه گیری دارند. در ادامه خلاصه ای از نحوه عملکرد یک PMT ارائه شده است:

فوتوکاتد

ابتدا فوتون فرودی به فوتوکاتد برخورد می کند، که یک ماده حساس به نور است و معمولاً از ترکیباتی مانند سزیم یا ترکیبات آنتیموان ساخته شده است. انرژی فوتون توسط فوتوکاتد جذب گردیده و باعث پرتاب الکترون می شود.

انتشار الکترون

الکترون آزاد شده توسط یک اختلاف پتانسیل الکتریکی که در سرتاسر لوله اعمال می شود به سمت اولین داینود شتاب می گیرد. داینود نیز یک الکترود فلزی است که با ماده ای پوشیده شده است که گسیل الکترون ثانویه را امکان پذیر می نماید.

ضرب الکترون

با برخورد الکترون شتاب گرفته به داینود اول، به دلیل پدیده گسیل ثانویه، چندین الکترون ثانویه آزاد می شود که شتاب گرفته و به سمت داینود بعدی هدایت می شوند.

این فرآیند تکثیر الکترون از طریق یک سری داینودها، معمولاً 10 تا 14 عدد، ادامه می یابد که به آن ضرب می گویند.

تقویت سیگنال

با هر مرحله داینود، تعداد الکترون ها به صورت تصاعدی افزایش می یابد. این ضرب الکترون ها منجر به یک سیگنال الکتریکی تقویت شده قابل توجه در آند (داینود نهایی) می شود.

آند، الکترون های ضرب شده را جمع آوری و جریان خروجی یا پالس ولتاژ را تشکیل می دهد. ضریب تقویت، که بهره نامیده می شود، بسته به لوله فتومولتیپلایزر خاص، می تواند از هزاران تا میلیون ها متغیر باشد.

ارسال جریان نوری به سیگنال خروجی

پالس جریان یا ولتاژ تقویت شده از آند پردازش می شود و برای اهداف مختلفی مانند اندازه گیری شدت نور یا تشخیص سیگنال های نور بسیار ضعیف استفاده می شود.

دستگاه های بار جفت شده (CCD)

CCD یا دستگاه بار جفت شده، یک نوع حسگر تصویربرداری است که به طور گسترده در دوربین های دیجیتال، تلفن های هوشمند، دستگاه های اسپکتروفتومتر و سایر دستگاه ها برای تبدیل نور به سیگنال های دیجیتال استفاده می شود.

CCD ها به طور گسترده در سنسورهای تصویر و دوربین های دیجیتال استفاده می شوند و نور را به بار الکتریکی تبدیل می کنند. مکانیزم کلی عملکرد یک CCD شامل چندین مرحله است:

به دام انداختن فوتون

حسگر CCD از آرایه ای از عناصر حساس به نور کوچک به نام پیکسل تشکیل شده است که هر پیکسل حاوی یک منطقه حساس به نور است که به عنوان فوتودیود یا فوتوسایت شناخته می شود.

هنگامی که فوتون ها بر روی پیکسل می تابند، بار الکتریکی متناسب با شدت نور ایجاد می کنند.

انتقال بار

یک فتودیود بار الکتریکی را جمع آوری کرده و جهت پردازش، به مرحله خروجی منتقل می کند. اینجاست که ویژگی منحصر به فرد CCD به چشم می خورد.

در مجاورت فتودیود یک سری خازن وجود دارد که در ردیف ها و ستون ها سازماندهی شده اند و اجازه می دهند بارها از یک پیکسل به پیکسل دیگر منتقل شوند. به این عملکرد، انتقال یا جابجایی بار گفته می شود.

تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

پس از انتقال بار در سراسر آرایه پیکسلی، بارهای انباشته شده باید به داده های دیجیتال تبدیل شوند که می توانند توسط الگوریتم های پردازش تصویر پردازش شوند.

دستگاهی به نام مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)، سطح بار الکتریکی هر پیکسل را اندازه گیری نموده و مقدار دیجیتالی مربوط به شدت نور گرفته شده را به آن اختصاص می دهد.

پردازش تصویر

هنگامی که مجموعه ای از بارها به داده های دیجیتال تبدیل شدند، می توان از تکنیک های مختلف پردازش تصویر استفاده کرد.

خروجی

داده های تصویر دیجیتالی به دست آمده را می توان در حافظه ذخیره کرد، روی صفحه نمایش داد و یا برای برنامه های مختلف پردازش کرد.

سنسورهای تصویر CMOS

CMOS مخفف Complementary Metal-Oxide-Semiconductor است و نوع دیگری از حسگرهای تصویربرداری است که معمولاً در دوربین های دیجیتال، تلفن های هوشمند و سایر دستگاه ها استفاده می شود.

در حقیقت، سنسورهای CMOS از آرایه‌ ای از دیودهای نوری استفاده می‌ کنند و مدارهای پردازش سیگنال را در هر پیکسل ترکیب می‌ کنند. مکانیزم CMOS برای گرفتن و پردازش تصاویر از چندین جهت با CCD متفاوت است:

به دام انداختن فوتون 

حسگرهای CMOS مشابه با CCD، از آرایه‌ ای از پیکسل‌ ها تشکیل شده‌ اند که هر کدام دارای یک فتودیود برای دریافت فوتون‌ های ورودی هستند.

با این حال، سنسورهای CMOS دارای یک جزء اضافی به نام ترانزیستور در هر پیکسل هستند که امکان کنترل پیکسل ها را بطور جداگانه فراهم می کند.

مکانیزم بازخوانی

در سنسورهای CMOS، هر پیکسل دارای تقویت کننده و مدار بازخوانی خاص خود است. هنگامی که نور بر روی فتودیود می افتد، بار حاصل به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود،  سپس تقویت شده و مستقیماً از هر پیکسل خوانده می شود.

این مکانیزم بازخوانی توزیعی، سرعت بازخوانی سریع‌ تری را در مقایسه با سنسورهای CCD ممکن می‌ سازد، زیرا همه پیکسل‌ ها را می‌ توان به طور همزمان خواند.

کاهش نویز

سنسورهای CMOS قابلیت کاهش نویز را بهبود بخشیده اند. با ترکیب مدارهای اضافی در هر پیکسل، می توان نویز را در طول فرآیند بازخوانی کاهش داد.

پردازش روی تراشه

سنسورهای CMOS این مزیت را دارند که عملکردهای مختلف پردازش تصویر را مستقیماً روی تراشه حسگر یکپارچه می کنند و بنابراین، امکان کاهش نویز روی تراشه، تصحیح رنگ و سایر الگوریتم های پردازش تصویر را فراهم می کند.

در نتیجه، سنسورهای CMOS می‌ توانند پردازش تصویر را در زمان واقعی ارائه دهند و ویژگی‌ های پیشرفته‌ ای مانند تصویر برداری با محدوده دینامیکی بالا (HDR) و ضبط ویدیو را فعال کنند.

راندمان انرژی

در مقایسه با سنسورهای CCD، حسگرهای CMOS به دلیل قابلیت خواندن توزیعی و قابلیت پردازش روی تراشه، انرژی کمتری مصرف می کنند که بسیار برای دستگاه های قابل حمل مفید است و منجر به بهبود عمر باتری آنها می شود.

سخن پایانی

به طور کلی، مکانیزم آشکارساز نوری شامل تبدیل انرژی الکترومغناطیسی تابشی به سیگنال‌ های الکتریکی از طریق تولید، جداسازی و جمع‌ آوری جفت‌ های الکترون-حفره و به دنبال آن تقویت و پردازش سیگنال است.

در این مقاله، پنج نوع مختلف از آشکارساز نوری را معرفی کرده و مکانیزم عملکرد هر کدام را شرح دادیم. امیدواریم که مفید بوده باشد.

در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از دیگر مقالات و محصولات مجموعه بلورآزما دیدن نمایید. در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ محصولات را نیز به صورت رایگان دانلود نمایید.

منابع

Wikipedia

ScienceDirect