آشکارساز نوری یا حسگر نوری (Photodetector) قطعه‎ ای‎ اپتیکی‎ است‎ که برای اندازه‌ گیری یا تشخیص وجود نور، شدت و یا طول موج نور استفاده می‌ شود.‎ 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 آنالوگ‎ الکترومغناطیسی را دیجیتالی می کند.

انواع مختلف آشکارساز نوری به طور گسترده در دستگاه های مختلف مانند عکاسی، ابزارهای‎ آنالیز‎ 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 یا‎ شدت یا ویژگی‌ های دیگری از نور را اندازه‌ گیری و‎ ثبت‎ می‌ کند.‎ 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.‎ وظیفه یک آشکارساز ساز نوری این است که شدت‎ امواج نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند که می تواند اندازه گیری، ثبت یا برای پردازش بیشتر استفاده شود.

مکانیزم عملکردی یک آشکارساز نوری

مکانیزم کلی یک‎ آشکارساز نوری شامل مراحل زیر است:

1- جذب‎‎ ‎نور

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 نوری جذب شده، الکترون‌ ها را در 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 ایجاد‎ شده‎ در‎ 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 در‎ آشکارساز‎ 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

آشکارساز 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:

حسگر‎ نوری فتودیود

آشکارساز‎ نوری‎ فوتودیود، دستگاهی نیمه رسانا است‎ که با‎ دریافت‎ نور‎ (برهمکنش‎ با نور) جریان تولید می کند. فتودیودها‎ به طور گسترده در کاربردهایی مانند تشخیص‎ یا‎ سنجش‎ نور، ارتباطات نوری،‎ تصویربرداری،‎ طیف‎ سنجی‎ و تولید‎ 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 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، فوتوترانزیستورها نیز در پاسخ به نور جریانی الکتریکی‎ تولید می‌کنند اما با قابلیت‌های تقویت بالاتر. در حقیقت، ترانزیستورهای نوری دستگاه های نیمه هادی هستند که عملکرد هر دوی فتودیود و ترانزیستور را ترکیب می کنند.‎ این نوع آشکارساز نوری برای تشخیص و تقویت سیگنال های نور و معمولاً در سیستم‎ 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.‎ فوتون های جذب شده، باعث تولید 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.‎ این جریان پایه (IB)، جریان بزرگ‎ تر کلکتور (IC) را در ناحیه اصلی ترانزیستور کنترل می کند.‎ فوتوترانزیستور جریان ضعیف اولیه تولید شده توسط عمل شبه فتودیود را تقویت می کند و سیگنال خروجی قوی تری را ارائه می دهد.‎ جریان کلکتور تقویت شده (IC) را می توان پردازش کرد و در مدارها یا سیستم های الکترونیکی مختلف استفاده کرد.
2. 

لوله های مولتی پلایر نوری (PMT)

PMT ها آشکارسازهای‎ نوری‎ مبتنی بر خلأ هستند که می توانند سیگنال های نوری 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 در‎ نهایت‎ از طریق یک سری داینود ضرب می‌ شود‎ (چند‎ برابر‎ 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:

بخش‎ 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 در‎ داینودهای‎ متوالی، 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 بار جفت شده (آشکارساز‎ نوری‎CCD‎ ‎)

آشکارساز‎ نوریCCD‎ ‎ یا دستگاه بار جفت شده، یک نوع حسگر‎ نوری‎ تصویربرداری است که به طور گسترده در دوربین های دیجیتال، تلفن های هوشمند، سنسورهای‎ تصویر‎ (مانند‎ تلویزیون)،‎ دوربین های‎ دیجیتال،‎ دستگاه های طیف‎ سنجی و‎ اسپکتروفتومترها و سایر دستگاه ها برای ثبت‎ شدت‎ نور‎ و‎ تبدیل نور به سیگنال های دیجیتال استفاده می شوند.‎‎ مکانیزم کلی عملکرد یک‎ آشکارساز‎ نوری‎ ‎ نوع‎ 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، متناسب با شدت نور،‎ بار الکتریکی ایجاد می شود.

انتقال بار

در‎ مرحله‎ بعد،‎ 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 اطلاعات‎ آنالوگ به دیجیتال (ADC)

پس از انتقال بار در سراسر آرایه پیکسلی، بارهای انباشته شده باید به داده های دیجیتال تبدیل شوند تا‎ بتوانند‎ توسط الگوریتم های پردازش تصویر،‎ در‎ خروجی‎ 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 ثبت‎ 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 برای‎ نمایش‎ اطلاعات‎ نهایی‎ استفاده کرد.

خروجی

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

آشکارساز‎ نوری‎ نوعCMOS‎ ‎

CMOS مخفف Complementary Metal-Oxide-Semiconductor است و نوع دیگری از حسگر‎ نوری‎ تصویربرداری است که معمولاً در دوربین های دیجیتال، تلفن های هوشمند،‎ دستگاه‎ های‎ طیف‎ سنجی‎ نوری‎ و سایر دستگاه های‎ تصویربرداری‎ استفاده می شود.‎ در حقیقت، آشکارساز‎ نوریCMOS‎ ‎ از آرایه‌ ای از دیودهای نوری تشکیل‎ شده‎ است‎ که‎ مدارهای پردازش سیگنال را در هر پیکسل ترکیب می‌ کنند. مکانیزم CMOS برای ایجاد‎ 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 آشکارساز‎CMOS‎ ‎، هر پیکسل دارای تقویت کننده و مدار بازخوانی منحصر‎ به فرد‎ خود است. هنگامی که نور بر روی فتودیود می افتد، بار حاصل به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود،  سپس توسط‎ ترانزیستور‎ پیکسل،‎ تقویت شده و مستقیماً از هر پیکسل خوانده می شود.‎ این مکانیزم بازخوانی توزیعی، سرعت بازخوانی سریع‌ تری را در مقایسه با سنسور CCD ممکن می‌ سازد، زیرا همه پیکسل‌ ها را می‌ توان به طور همزمان خواند.

کاهش نویز

با ترکیب مدارهای اضافی در هر پیکسل، می توان نویز را در طول فرآیند بازخوانی کاهش داد.‎ بنابراین،‎ انواع‎ مختلف‎ سنسور CMOS قابلیت کاهش نویز را به‎ طور‎ چشمگیری‎‎ بهبود بخشیده اند.

پردازش روی تراشه

انواع‎ گوناگون‎ سنسور CMOS این مزیت را دارند که عملکردهای مختلف پردازش تصویر را مستقیماً بر‎ روی تراشه حسگر یکپارچه می کنند و بنابراین، امکان کاهش نویز روی تراشه، تصحیح رنگ و سایر الگوریتم های پردازش تصویر را فراهم می کنند.‎ بر‎ این‎ اساس، آشکارسازهای‎ نوری‎CMOS‎ ‎ 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 حسگر‎ نوریCCD‎ ‎، حسگرهای CMOS به دلیل قابلیت خوانش توزیعی‎ و‎ همزمان‎ و همچنین،‎ قابلیت پردازش روی تراشه، انرژی کمتری مصرف می کنند.‎ این‎ ویژگی‎ برای برخی از‎ دستگاه های اپتیکی‎ قابل حمل بسیار‎ مفید است و منجر به بهبود عمر باتری آنها می شود.

سخن پایانی

به طور کلی، مکانیزم آشکارساز نوری شامل دریافت‎ انرژی الکترومغناطیسی تابشی‎ و‎ تبدیل آن‎ 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