آشکارساز نوری چیست؟ انواع فتودیود، PMT، CCD و CMOS

آشکارساز نوری یا حسگر نوری (Photodetector) قطعه ای است که نور را دریافت کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی متناسب با شدت نور تبدیل می کند. با آشکارساز نوری می توان وجود نور، شدت آن و در برخی کاربردها طول موج آن را اندازه گیری کرد.

آشکارساز های نوری در دوربین های دیجیتال، گوشی های هوشمند، ارتباطات فیبر نوری، سیستم های روشنایی خودکار، تجهیزات پزشکی و به ویژه در ابزارهای آنالیز نوری مانند اسپکتروفتومترها و طیف سنج ها به کار می روند. در واقع، دقت هر دستگاه طیف سنجی تا حد زیادی به کیفیت آشکارساز آن بستگی دارد.

در این مقاله با سازوکار آشکارساز های نوری، مشخصات مهم آنها و پنج نوع پرکاربرد آشکارساز نوری آشنا می شوید.

آشکارساز نوری چیست؟

آشکارساز نوری وسیله ای است که انرژی نور، یعنی امواج الکترومغناطیسی در ناحیه فرابنفش، مرئی یا فروسرخ، را به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل می کند. این سیگنال الکتریکی سپس اندازه گیری، ثبت یا پردازش می شود. سیگنال خروجی آشکارساز در ابتدا آنالوگ است و برای پردازش رایانه ای، با یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به داده دیجیتال تبدیل می شود.

سازوکار آشکارسازهای نوری نیمه رسانا

بیشتر آشکارساز های نوری امروزی از نیمه رساناها مانند سیلیکون ساخته شده اند و با این مراحل کار می کنند:

۱. جذب نور

نور به سطح آشکارساز می تابد و توسط ماده نیمه رسانا جذب می شود. فوتون فقط زمانی جذب می شود که انرژی آن از گاف انرژی نیمه رسانا بیشتر باشد. به همین دلیل هر آشکارساز فقط در محدوده مشخصی از طول موج ها حساس است. برای مثال، آشکارسازهای سیلیکونی معمولا تا حدود ۱۱۰۰ نانومتر حساس هستند و برای طول موج های بلندتر در ناحیه فروسرخ، از موادی مانند ایندیم گالیم آرسنید (InGaAs) استفاده می شود.

۲. تولید جفت الکترون حفره

انرژی فوتون جذب شده، یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش می برد. با جدا شدن الکترون، یک جای خالی با بار مثبت به نام حفره باقی می ماند. به این ترتیب یک جفت الکترون حفره تشکیل می شود.

۳. جداسازی و جمع آوری بارها

میدان الکتریکی داخل آشکارساز، الکترون ها و حفره ها را در جهت مخالف حرکت می دهد: الکترون ها به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی می روند. حرکت این بارها، یک جریان نوری (Photocurrent) ایجاد می کند که با شدت نور متناسب است.

۴. تقویت و پردازش سیگنال

جریان تولید شده در آشکارساز معمولا بسیار ضعیف است و باید تقویت شود. رایج ترین مدار برای این کار، تقویت کننده ترارسانایی (Transimpedance Amplifier) است که جریان ضعیف آشکارساز را به ولتاژ تبدیل و تقویت می کند.

۵. خروجی و تحلیل

خروجی نهایی به صورت جریان، ولتاژ یا داده دیجیتال است که برای اندازه گیری شدت نور، ساختن تصویر یا ثبت طیف استفاده می شود. اگرچه ساختار و ویژگی های انواع آشکارسازها متفاوت است، اما اصل اساسی همه آنها تبدیل انرژی فوتون به سیگنال الکتریکی است.

مشخصات مهم آشکارساز نوری

• محدوده طیفی: محدوده طول موج هایی که آشکارساز به آنها حساس است.

• پاسخ دهی (Responsivity): مقدار جریان تولید شده به ازای هر وات نور دریافتی (آمپر بر وات).

• بازده کوانتومی: درصد فوتون هایی که به الکترون تبدیل می شوند.

• جریان تاریکی: جریانی که حتی در نبود نور در آشکارساز وجود دارد و منبع نویز است.

• زمان پاسخ: سرعت واکنش آشکارساز به تغییرات نور.

• محدوده دینامیکی: نسبت بیشترین به کمترین شدت نوری که آشکارساز می تواند به درستی اندازه گیری کند.

انواع آشکارساز نوری

فتودیود

فتودیود یک دیود نیمه رساناست که با دریافت نور جریان تولید می کند. فتودیودها ساده، سریع، دقیق و ارزان هستند و در سنجش نور، ارتباطات نوری، تصویربرداری و طیف سنجی کاربرد گسترده ای دارند.

فتودیود در دو حالت کار می کند:

• حالت فتورسانا (بایاس معکوس): ولتاژ معکوس به فتودیود اعمال می شود. این حالت پاسخ سریع تر و خطی تری دارد و برای اندازه گیری های دقیق و سرعت بالا مناسب است.

• حالت فتوولتاییک (بدون بایاس): فتودیود بدون ولتاژ خارجی، خودش ولتاژ تولید می کند. سلول های خورشیدی بر همین اساس کار می کنند.

انواع رایج فتودیود عبارت اند از:

• فتودیود PIN: یک لایه ذاتی (I) بین دو لایه P و N دارد که سرعت و حساسیت را افزایش می دهد. این نوع در ارتباطات فیبر نوری و ابزارهای اندازه گیری بسیار رایج است.

• فتودیود بهمنی (APD): با ولتاژ معکوس بالا کار می کند. در این ولتاژ، هر الکترون آزاد شده با برخورد به اتم ها الکترون های بیشتری آزاد می کند و جریان به صورت بهمنی تقویت می شود. APDها برای سیگنال های نوری ضعیف، مانند ارتباطات فیبر نوری دوربرد و لایدار، مناسب اند.

فتوترانزیستور

فتوترانزیستور مانند فتودیود با دریافت نور جریان تولید می کند، اما این جریان را درون خود تقویت هم می کند. در واقع فتوترانزیستور عملکرد یک فتودیود و یک ترانزیستور را در یک قطعه ترکیب کرده است.

نحوه کار فتوترانزیستور:

1. نور به ناحیه بیس حساس به نور می تابد و جفت های الکترون حفره تولید می کند.

2. این بارها یک جریان بیس متناسب با شدت نور ایجاد می کنند.

3. جریان بیس، جریان بسیار بزرگ تری را در کلکتور کنترل می کند و به این ترتیب سیگنال تقویت می شود.

فتوترانزیستورها حساسیت بیشتری از فتودیودها دارند، اما کندتر و کمتر خطی هستند. به همین دلیل بیشتر در کاربردهایی مانند سنسورهای تشخیص حضور، اپتوکوپلرها، کنترل از راه دور و شمارنده ها استفاده می شوند، نه در اندازه گیری های دقیق.

لوله فتومولتی پلایر (PMT)

لوله فتومولتی پلایر یک آشکارساز خلأ است که می تواند نورهای بسیار ضعیف، حتی تک فوتون ها، را آشکار کند. PMT در طیف سنجی فلورسانس، تصویربرداری پزشکی (مانند پزشکی هسته ای)، فیزیک ذرات و اخترشناسی کاربرد دارد. برخلاف آشکارسازهای نیمه رسانا، PMT بر اساس اثر فوتوالکتریک کار می کند.

نحوه کار PMT:

1. فوتوکاتد: فوتون به فوتوکاتد برخورد می کند؛ لایه ای حساس به نور که معمولا از ترکیبات فلزات قلیایی مانند سزیم و آنتیموان ساخته می شود. انرژی فوتون باعث گسیل یک الکترون می شود.

2. شتاب گرفتن الکترون: الکترون آزاد شده با یک ولتاژ بالا به سمت اولین داینود شتاب می گیرد. داینود الکترودی است که با ماده ای پوشانده شده که با برخورد هر الکترون، چند الکترون ثانویه گسیل می کند.

3. تکثیر الکترون ها: الکترون های ثانویه به سمت داینود بعدی شتاب می گیرند و این فرایند معمولا در ۸ تا ۱۴ داینود تکرار می شود. در هر مرحله، تعداد الکترون ها چند برابر می شود.

4. جمع آوری در آند: در نهایت، آند الکترون های تکثیر شده را جمع آوری کرده و یک پالس جریان قابل اندازه گیری تولید می کند.

بهره PMT بسته به نوع آن می تواند از هزاران تا ده ها میلیون برابر باشد. PMTها به ولتاژ تغذیه بالا (معمولا حدود ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ولت) نیاز دارند و نباید در حالی که روشن هستند در معرض نور شدید محیط قرار گیرند، چون آسیب می بینند.

حسگر CCD

حسگر CCD (Charge-Coupled Device) یک آشکارساز تصویری است که از آرایه ای از هزاران تا میلیون ها عنصر حساس به نور به نام پیکسل تشکیل شده است. CCD در دوربین های علمی، تلسکوپ ها، میکروسکوپ ها و دستگاه های طیف سنجی استفاده می شود.

نحوه کار CCD:

1. جمع آوری بار: وقتی نور به هر پیکسل می تابد، متناسب با شدت نور، بار الکتریکی در آن پیکسل جمع می شود.

2. انتقال بار: ویژگی منحصر به فرد CCD این است که بارهای هر پیکسل، با کمک ولتاژهای کنترلی، مانند یک زنجیره، ردیف به ردیف و پیکسل به پیکسل به سمت لبه تراشه منتقل می شوند.

3. تبدیل بار به ولتاژ: در خروجی تراشه، یک تقویت کننده واحد، بار هر پیکسل را به ولتاژ تبدیل می کند.

4. تبدیل آنالوگ به دیجیتال: مبدل ADC این ولتاژ را به یک عدد دیجیتال متناسب با شدت نور تبدیل می کند.

5. پردازش و خروجی: داده های دیجیتال پردازش شده و به صورت تصویر یا طیف ذخیره و نمایش داده می شوند.

حسگرهای CCD به دلیل نویز بسیار کم و یکنواختی بالا سال ها استاندارد تصویربرداری علمی بوده اند، اما مصرف انرژی بیشتری دارند و کندتر از حسگرهای CMOS هستند.

حسگر CMOS

CMOS مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor است و امروزه پرکاربردترین نوع آشکارساز تصویری است. تقریبا همه دوربین های گوشی های هوشمند و دوربین های دیجیتال امروزی و بسیاری از دستگاه های طیف سنجی مدرن از حسگر CMOS استفاده می کنند.

حسگر CMOS نیز مانند CCD از آرایه ای از پیکسل ها تشکیل شده است، اما تفاوت اصلی آن این است که هر پیکسل تقویت کننده و مدار خوانش مخصوص به خود را دارد.

ویژگی های حسگر CMOS:

• خوانش مستقیم پیکسل ها: بار هر پیکسل در همان پیکسل به ولتاژ تبدیل و تقویت می شود و نیازی به انتقال بار در کل تراشه نیست. پیکسل ها به صورت ردیفی و موازی خوانده می شوند و سرعت خوانش بسیار بالاتر از CCD است.

• پردازش روی تراشه: مبدل آنالوگ به دیجیتال و مدارهای پردازش تصویر، مانند کاهش نویز و تصحیح رنگ، روی همان تراشه قرار می گیرند. این قابلیت امکان پردازش در زمان واقعی، تصویربرداری HDR و ضبط ویدیو را فراهم می کند.

• مصرف انرژی کم: حسگرهای CMOS انرژی بسیار کمتری از CCD مصرف می کنند که برای دستگاه های قابل حمل و باتری خور بسیار مهم است.

• هزینه کمتر: با همان فناوری ساخت تراشه های معمولی تولید می شوند و ارزان ترند.

• کاهش نویز: با پیشرفت فناوری، نویز حسگرهای CMOS امروزی به سطح CCDها نزدیک شده و در بسیاری از کاربردها با آنها رقابت می کند.

استفاده از آشکارساز CMOS در اسپکتروفتومتر

در اسپکتروفتومترهای آرایه ای، نور پس از عبور از نمونه توسط یک توری پراش تجزیه می شود و کل طیف به طور همزمان روی یک آرایه CMOS ثبت می شود. این روش نسبت به اسپکتروفتومترهای اسکن کننده قدیمی، سرعت بسیار بالاتری دارد، به قطعه متحرک اپتیکی نیاز ندارد و پایداری بیشتری دارد. اسپکتروفتومترهای بلورآزما نیز بر پایه همین فناوری ساخته شده اند. برای آشنایی بیشتر، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

مقایسه CCD و CMOS

انواع دیگر آشکارسازهای نوری

• مقاومت نوری (LDR): مقاومت آن با تابش نور کاهش می یابد. ساده و ارزان است و در چراغ های خودکار استفاده می شود، اما کند و غیردقیق است.

• آشکارسازهای حرارتی: مانند ترموپایل و بولومتر که نور را جذب کرده و از تغییر دمای خود برای اندازه گیری آن استفاده می کنند. این آشکارسازها در ناحیه فروسرخ و دوربین های حرارتی کاربرد دارند.

• آشکارسازهای InGaAs: برای ناحیه فروسرخ نزدیک، در ارتباطات فیبر نوری و طیف سنجی NIR.

سوالات متداول درباره آشکارساز نوری

آشکارساز نوری چه کاری انجام می دهد؟

نور را دریافت کرده و آن را به سیگنال الکتریکی متناسب با شدت نور تبدیل می کند.

تفاوت فتودیود و فتوترانزیستور چیست؟

فتوترانزیستور جریان نوری را درون خود تقویت می کند و حساس تر است، اما فتودیود سریع تر و خطی تر است و برای اندازه گیری های دقیق مناسب تر است.

کدام آشکارساز برای نورهای بسیار ضعیف مناسب است؟

لوله فتومولتی پلایر (PMT) و فتودیود بهمنی (APD) که می توانند حتی تک فوتون ها را آشکار کنند.

تفاوت CCD و CMOS چیست؟

در CCD بارها به یک خروجی مشترک منتقل می شوند، اما در CMOS هر پیکسل تقویت کننده خود را دارد. CMOS سریع تر، کم مصرف تر و ارزان تر است.

چرا آشکارسازهای سیلیکونی در فروسرخ دور کار نمی کنند؟

چون انرژی فوتون های فروسرخ با طول موج بیشتر از حدود ۱۱۰۰ نانومتر، از گاف انرژی سیلیکون کمتر است و جذب نمی شوند.

جمع بندی

آشکارسازهای نوری انرژی نور را با تولید، جداسازی و جمع آوری بارهای الکتریکی، و سپس تقویت و پردازش سیگنال، به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. پنج نوع پرکاربرد آنها شامل فتودیود، فتوترانزیستور، لوله فتومولتی پلایر، CCD و CMOS هستند که هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب اند؛ از اندازه گیری های سریع و دقیق با فتودیود، تا آشکارسازی نورهای بسیار ضعیف با PMT و تصویربرداری و طیف سنجی با حسگرهای CCD و CMOS.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• ScienceDirect