كاشف ضوئي

الموسوعة الحرة

كاشف ضوئي تم استخراجه من محرك أقراص مضغوطة . يحتوي الكاشف الضوئي على ثلاثة ثنائيات ضوئية ، ظاهرة في الصورة (في المنتصف).

أجهزة الكشف الضوئي ، أو ما يُسمى أيضًا بالمستشعرات الضوئية ، هي أجهزة تكشف الضوء أو غيره من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي وتحوله إلى إشارة كهربائية. وهي ضرورية في طيف واسع من التطبيقات، بدءًا من التصوير الرقمي والاتصالات الضوئية وصولًا إلى البحث العلمي والأتمتة الصناعية. يمكن تصنيف أجهزة الكشف الضوئي حسب آلية الكشف، مثل التأثير الكهروضوئي ، أو التفاعلات الكيميائية الضوئية، أو التأثيرات الحرارية، أو حسب معايير الأداء مثل الاستجابة الطيفية. تشمل الأنواع الشائعة الثنائيات الضوئية ، والترانزستورات الضوئية ، وأنابيب المضاعف الضوئي ، وكل منها مُصمم لاستخدامات محددة. تُعد الخلايا الشمسية ، التي تحول الضوء إلى كهرباء، نوعًا من أجهزة الكشف الضوئي أيضًا.

تاريخ

بدأ تطوير أجهزة الكشف الضوئي باكتشاف هاينريش هيرتز للتأثير الكهروضوئي عام 1887، والذي شرحه لاحقًا ألبرت أينشتاين عام 1905. [ 1 ] استُخدمت أجهزة الكشف الضوئي المبكرة، مثل خلايا السيلينيوم التي اختُرعت في أواخر القرن التاسع عشر، في أجهزة قياس الضوء وأنظمة التلغراف. [ 2 ] شهدت ثلاثينيات القرن العشرين اختراع أنابيب المضاعف الضوئي ، مما مكّن من الكشف عن إشارات الضوء الخافتة، الأمر الذي أحدث ثورة في مجالات مثل الفيزياء النووية وعلم الفلك. وفي منتصف القرن العشرين، ظهرت أجهزة الكشف الضوئي القائمة على أشباه الموصلات، مثل الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية ، والتي أحدثت تحولًا في صناعات مثل الاتصالات والحوسبة. [ 3 ] واليوم، تتواصل التطورات مع أجهزة الكشف عالية السرعة وتقنيات الكم .

تصنيف

يمكن تصنيف أجهزة الكشف الضوئي بناءً على آلية عملها وبنيتها. فيما يلي التصنيفات الشائعة:

بناءً على آلية التشغيل

كاشف ضوئي تجاري مُضخّم للاستخدام في أبحاث البصريات

يمكن تصنيف أجهزة الكشف الضوئي حسب آلية الكشف الخاصة بها: [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

  • التأثير الكهروضوئي: تعمل هذه الكواشف عن طريق تغيير موصليتها الكهربائية عند تعرضها للضوء. يُولّد الضوء الساقط أزواجًا من الإلكترونات والفجوات في المادة، مما يُغير موصليتها. تُصنع الكواشف الكهروضوئية عادةً من أشباه الموصلات. [ 7 ]
  • الانبعاث الضوئي أو التأثير الكهروضوئي: تتسبب الفوتونات في انتقال الإلكترونات من نطاق التوصيل لمادة ما إلى إلكترونات حرة في الفراغ أو الغاز.
  • حراري: تتسبب الفوتونات في انتقال الإلكترونات إلى حالات منتصف الفجوة ثم تتحلل مرة أخرى إلى نطاقات أدنى، مما يؤدي إلى توليد الفونون وبالتالي الحرارة.
  • الاستقطاب : تحفز الفوتونات تغييرات في حالات الاستقطاب للمواد المناسبة، مما قد يؤدي إلى تغيير في معامل الانكسار أو تأثيرات استقطاب أخرى.
  • التفاعلات الكيميائية الضوئية: تحفز الفوتونات تغيراً كيميائياً في المادة.
  • تأثيرات التفاعل الضعيف: تحفز الفوتونات تأثيرات ثانوية مثل سحب الفوتون [ 8 ] [ 9 ] أجهزة الكشف أو تغيرات ضغط الغاز في خلايا جولاي .

يمكن استخدام الكواشف الضوئية في تكوينات مختلفة. قد تكشف مستشعرات منفردة عن مستويات الإضاءة الكلية. ويمكن استخدام مصفوفة أحادية البعد من الكواشف الضوئية، كما في مطياف ضوئي أو ماسح خطي ، لقياس توزيع الضوء على طول خط. كما يمكن استخدام مصفوفة ثنائية الأبعاد من الكواشف الضوئية كمستشعر صور لتكوين صور من نمط الضوء المنعكس عليها.

عادة ما يتم تغطية كاشف الضوء أو المصفوفة بنافذة إضاءة، وأحيانًا يكون لها طلاء مضاد للانعكاس .

بناءً على بنية الجهاز

يمكن تصنيف أجهزة الكشف الضوئي، بناءً على بنية الجهاز، إلى الفئات التالية:

  1. كاشف ضوئي من نوع MSM: يتكون هذا الكاشف من طبقة شبه موصلة محصورة بين قطبين معدنيين. تتداخل الأقطاب المعدنية لتشكل سلسلة من الأصابع أو الشبكات المتناوبة. تُصنع الطبقة شبه الموصلة عادةً من مواد مثل السيليكون (Si)، أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، أو فوسفيد الإنديوم (InP)، أو سيلينيد الأنتيمون (Sb₂Se₃ ) . [ 7 ] تُستخدم طرق متنوعة لتحسين خصائصه ، مثل تعديل البنية العمودية، والحفر، وتغيير الركيزة، واستخدام تقنية البلازمونيات. [ 10 ] تُظهر كواشف سيلينيد الأنتيمون أعلى كفاءة ممكنة.
  2. الثنائيات الضوئية: تُعدّ الثنائيات الضوئية أكثر أنواع الكواشف الضوئية شيوعًا. وهي أجهزة شبه موصلة ذات وصلة PN. يُولّد الضوء الساقط أزواجًا من الإلكترونات والفجوات في منطقة الاستنزاف للوصلة، مما يُنتج تيارًا ضوئيًا. يمكن تصنيف الثنائيات الضوئية إلى: أ. ثنائيات PIN الضوئية: تحتوي هذه الثنائيات الضوئية على منطقة داخلية (I) إضافية بين منطقتي P وN، مما يُوسّع منطقة الاستنزاف ويُحسّن أداء الجهاز. ب. ثنائيات شوتكي الضوئية: في ثنائيات شوتكي الضوئية، تُستخدم وصلة معدنية-شبه موصلة بدلًا من وصلة PN. تُوفّر هذه الثنائيات استجابة عالية السرعة، وتُستخدم عادةً في التطبيقات عالية التردد.
  3. الثنائيات الضوئية الانهيارية (APDs): هي ثنائيات ضوئية متخصصة تعتمد على التضخيم الانهياري. تتميز بوجود منطقة ذات مجال كهربائي عالٍ بالقرب من وصلة PN، مما يؤدي إلى تأين تصادمي وإنتاج أزواج إضافية من الإلكترونات والفجوات. يُحسّن هذا التضخيم الداخلي حساسية الكشف. تُستخدم الثنائيات الضوئية الانهيارية على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب حساسية عالية، مثل التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة والاتصالات الضوئية بعيدة المدى. [ 11 ]
  4. الترانزستورات الضوئية: هي ترانزستورات ذات قاعدة حساسة للضوء. يتسبب الضوء الساقط في تغيير تيار القاعدة، مما يتحكم في تيار المجمع. توفر الترانزستورات الضوئية تضخيمًا للإشارة، ويمكن استخدامها في التطبيقات التي تتطلب كلاً من الكشف وتضخيم الإشارة.
  5. أجهزة اقتران الشحنات (CCDs): هي أجهزة استشعار تصويرية تتكون من مصفوفة من مكثفات صغيرة. يُولّد الضوء الساقط شحنة في هذه المكثفات، تُقرأ وتُعالج تباعًا لتكوين صورة. تُستخدم أجهزة CCDs بشكل شائع في الكاميرات الرقمية وتطبيقات التصوير العلمي.
  6. مستشعرات الصور بتقنية CMOS (CIS): تعتمد مستشعرات الصور بتقنية CMOS على تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS). وهي تدمج كاشفات ضوئية ودوائر معالجة الإشارات على شريحة واحدة. وقد اكتسبت مستشعرات الصور بتقنية CMOS شعبية واسعة نظرًا لانخفاض استهلاكها للطاقة، وتكاملها العالي، وتوافقها مع عمليات تصنيع CMOS القياسية.
  7. أنابيب التضخيم الضوئي (PMTs): هي كواشف ضوئية تعتمد على أنابيب مفرغة. تتكون من مهبط ضوئي ينبعث منه إلكترونات عند إضاءته، يليه سلسلة من الدينودات التي تضاعف تيار الإلكترونات من خلال الانبعاث الثانوي. تتميز أنابيب التضخيم الضوئي بحساسية عالية وتُستخدم في التطبيقات التي تتطلب الكشف في ظروف الإضاءة المنخفضة، مثل تجارب فيزياء الجسيمات وكواشف الوميض.

هذه بعض أنواع أجهزة الكشف الضوئي الشائعة بناءً على بنية الجهاز. لكل نوع خصائصه ومزاياه وتطبيقاته الخاصة في مجالات متنوعة، بما في ذلك التصوير والاتصالات والاستشعار والبحث العلمي.

ملكيات

هناك عدد من مقاييس الأداء، والتي تسمى أيضًا أرقام الجدارة ، والتي يتم من خلالها توصيف أجهزة الكشف الضوئي ومقارنتها [ 4 ] [ 5 ].

الأنواع الفرعية

تشمل أجهزة الكشف الضوئي، المصنفة حسب آلية عملها، الأجهزة التالية:

الانبعاث الضوئي أو التأثير الكهروضوئي

أشباه الموصلات

الخلايا الكهروضوئية

حراري

الكيمياء الضوئية

الاستقطاب

كاشفات ضوئية من الجرافين/السيليكون

أظهرت وصلة غير متجانسة من الجرافين/السيليكون من النوع n سلوكًا تقويميًا قويًا واستجابة ضوئية عالية. يتم ربط الجرافين بنقاط كمومية من السيليكون (Si QDs) فوق السيليكون الصلب لتشكيل كاشف ضوئي هجين. تتسبب النقاط الكمومية من السيليكون في زيادة الجهد الداخلي لوصلة شوتكي بين الجرافين والسيليكون مع تقليل الانعكاس الضوئي للكاشف الضوئي. يساهم كل من التأثيرين الكهربائي والبصري للنقاط الكمومية من السيليكون في تحقيق أداء فائق للكاشف الضوئي. [ 22 ]

التطبيقات

تُعدّ أجهزة الكشف الضوئي جزءًا لا يتجزأ من العديد من المجالات:

وتشمل التطبيقات الناشئة المركبات ذاتية القيادة والحوسبة الكمومية. [ 23 ]

تشمل التطورات الحديثة في تكنولوجيا كاشفات الضوء ما يلي:

  • أجهزة الكشف عالية السرعة : من أجل اتصال بصري أسرع.
  • أجهزة الكشف الضوئي الكمومي : للحوسبة الكمومية والتشفير.
  • مواد جديدة : كاشفات عضوية وبيروفسكايت للإلكترونيات المرنة.
  • التكامل مع الذكاء الاصطناعي : لمعالجة الصور المتقدمة في الأنظمة المستقلة.

تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين الحساسية، وتقليل الضوضاء، وتوسيع نطاقات الكشف عن الطول الموجي. [ 24 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أينشتاين، ألبرت (1905). من وجهة نظر استدلالية تتعلق بإنتاج الضوء وتحويله . حوليات الفيزياء. doi : 10.1002/andp.19053220607 .
  2. ↑ سميث، ويلوبي (1913). خلايا السيلينيوم . إرنست بن المحدودة.
  3. ↑ دوناتي، سيلفانو (2000). كاشفات الضوء: الأجهزة والدوائر والتطبيقات . برنتيس هول. ISBN 978-0-13-020337-3.
  4. 1 2 دوناتي، س. "كاشفات ضوئية" (ملف PDF) . unipv.it . برنتيس هول. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 22 يناير 2022. تم الاطلاع عليه في 1 يونيو 2016 .
  5. 1 2 يوتر، ر. أ.؛ ويلسون، د. م. (يونيو 2003). "مراجعة لأجهزة الكشف الضوئي لاستشعار المؤشرات الباعثة للضوء في الأنظمة البيولوجية". مجلة IEEE للمستشعرات . 3 (3): 288-303 . Bibcode : 2003ISenJ...3..288Y . doi : 10.1109/JSEN.2003.814651 .
  6. ↑ ستوكمان، ف. (مايو 1975). "كاشفات الضوء، أدائها وحدودها". الفيزياء التطبيقية . 7 (1): 1-5 . Bibcode : 1975ApPhy...7....1S . doi : 10.1007/BF00900511 . S2CID 121425624 . 
  7. 1 2 سينغ، يوجيش؛ كومار، مانوج؛ ياداف، رينا؛ كومار، أشيش؛ راني، سانجو؛ شاشي؛ سينغ، بريتام؛ هوسالي، سودير؛ سينغ، في إن (2022-08-15). "تحسين أداء التوصيل الضوئي لجهاز Sb2Se3 القائم على قضبان دقيقة" . مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية . 243 111765. doi : 10.1016/j.solmat.2022.111765 . ISSN 0927-0248 . 
  8. ↑ أ. غرينبيرغ، أناتولي؛ لوري، سيرج (1 يوليو 1988). "نظرية تأثير سحب الفوتون في غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد". مجلة Physical Review B. 38 ( 1): 87-96 . Bibcode : 1988PhRvB..38...87G . doi : 10.1103/PhysRevB.38.87 . PMID 9945167 . 
  9. ↑ بيشوب، ب.؛ جيبسون، أ.؛ كيميت، م. (أكتوبر 1973). "أداء كاشفات سحب الفوتون عند شدة الليزر العالية". مجلة IEEE للإلكترونيات الكمية . 9 (10): 1007-1011 . Bibcode : 1973IJQE....9.1007B . doi : 10.1109/JQE.1973.1077407 .
  10. ^ سينغ ، يوغيش. بارمار، راهول. سريفاستافا، أفريتي؛ ياداف، رينا؛ كومار، كابيل؛ راني، سانجو؛ شاشي؛ سريفاستافا، سانجاي ك.؛ هوسالي، سودهير؛ شارما، ماهيش؛ كوشفاها، سونيل سينغ؛ سينغ ، فيديا ناند (2023/06/16). "كاشف ضوئي عالي الاستجابة للأشعة تحت الحمراء القريبة Si/Sb 2 Se 3 عبر هندسة سطح السيليكون" . المواد والواجهات التطبيقية لـ ACS . 15 (25): 30443–30454 . دوى : 10.1021/acsami.3c04043 . ردمك 1944-8244 . 
  11. ↑ ستيلمان، جي إي؛ وولف، سي إم (1977-01-01)، ويلاردسون، آر كيه؛ بير، ألبرت سي (محررون)، الفصل 5: الثنائيات الضوئية الانهيارية** تم تمويل هذا العمل من قبل وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ووزارة القوات الجوية. ، أشباه الموصلات وأشباه المعادن، المجلد 12، إلسيفير، الصفحات 291-393 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-05-11  
  12. ↑ هو، يو (1 أكتوبر 2014). "نمذجة مصادر اللاخطية في كاشف ضوئي بسيط من نوع pin" . مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية . 32 (20): 3710-3720 . Bibcode : 2014JLwT...32.3710H . CiteSeerX 10.1.1.670.2359 . doi : 10.1109/JLT.2014.2315740 . S2CID 9882873 .  
  13. ↑ "دائرة كاشف ضوئي" . oscience.info .
  14. ↑ بيرسال، توماس (2010). أساسيات الفوتونيات، الطبعة الثانية . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-162935-5أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 17 أغسطس 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 فبراير 2021 .
  15. ↑ باشوتا، د. روديجر. "موسوعة فيزياء الليزر وتكنولوجيا الليزر - كاشفات ضوئية، ثنائيات ضوئية، ترانزستورات ضوئية، كاشفات ضوئية كهروحرارية، مصفوفة، مقياس طاقة، ضوضاء" . www.rp-photonics.com . تاريخ الاسترجاع: 31 مايو 2016 .
  16. ↑ "دليل مستخدم كاشف الكسب الثابت المُضخّم بالسيليكون PDA10A(-EC)" (ملف PDF) . شركة ثورلابز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أبريل 2018 .
  17. ↑ "ورقة بيانات DPD80 760nm" . شركة Resolved Instruments . تم الاطلاع عليها بتاريخ 24 أبريل 2018 .
  18. ↑ فوسوم، إي آر؛ هوندونغوا، دي بي (2014). "مراجعة للثنائي الضوئي المثبت لأجهزة استشعار الصور CCD وCMOS" . مجلة IEEE لجمعية أجهزة الإلكترونيات . 2 (3): 33-43 . doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  19. ↑"Silicon Drift Detectors"(PDF). tools.thermofisher.com. Thermo Scientific.
  20. ↑Enss, Christian, ed. (2005). Cryogenic Particle Detection. Springer, Topics in applied physics 99. ISBN 978-3-540-20113-7.
  21. ↑Yuan, Hongtao; Liu, Xiaoge; Afshinmanesh, Farzaneh; Li, Wei; Xu, Gang; Sun, Jie; Lian, Biao; Curto, Alberto G.; Ye, Guojun; Hikita, Yasuyuki; Shen, Zhixun; Zhang, Shou-Cheng; Chen, Xianhui; Brongersma, Mark; Hwang, Harold Y.; Cui, Yi (1 June 2015). "Polarization-sensitive broadband photodetector using a black phosphorus vertical p–n junction". Nature Nanotechnology. 10 (8): 707–713. arXiv:1409.4729. Bibcode:2015NatNa..10..707Y. doi:10.1038/nnano.2015.112. PMID 26030655.
  22. ↑Yu, Ting; Wang, Feng; Xu, Yang; Ma, Lingling; Pi, Xiaodong; Yang, Deren (2016). "Graphene Coupled with Silicon Quantum Dots for High-Performance Bulk-Silicon-Based Schottky-Junction Photodetectors". Advanced Materials. 28 (24): 4912–4919. doi:10.1002/adma.201506140. PMID 27061073. S2CID 205267070.
  23. ↑Hadfield, Robert H. (2009). "Single-photon detectors for optical quantum information applications". Nature Photonics. 3 (12): 696–705. doi:10.1038/nphoton.2009.230.
  24. ↑Konstantatos, Gerasimos (2007). "Sensitive solution-processed visible-wavelength photodetectors". Nature Photonics. 1 (9): 531–534. doi:10.1038/nphoton.2007.147.
  • شعار ويكيميديا ​​كومنز Media related to Optical sensors at Wikimedia Commons