光電探測器功能及應(yīng)用

光電探測器的原理是由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率發(fā)生改變。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個(gè)靶面由約10萬個(gè)單獨(dú)探測器組成。

光電探測器分類

光電探測器能把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。根據(jù)器件對輻射響應(yīng)的方式不同或者說器件工作的機(jī)理不同，光電探測器可分為兩大類：一類是光子探測器；另一類是熱探測器。

光電探測器功能

現(xiàn)下的金屬探測器除了基本的探測警報(bào)功能外，一般都會提供許多各廠商精心研發(fā)的特殊功能，如：

地表平衡的功能：以利機(jī)器正確比對是否發(fā)現(xiàn)金屬物而非干擾；

選取功能：利用不同金屬物體對磁場反應(yīng)差異特性來遴選或排除不同類別之金屬物件且警報(bào)提示 深度的標(biāo)示，可以告知所探測到的金屬物體被埋藏的可能深度 ；

面積的標(biāo)示：可以顯示探測到的金屬物體大小，提供操作人員研判是否符合開挖的需求；

語音的提示：可以立刻以語音提醒操作人員，比如燈光的照明-提供燈光以利于夜間運(yùn)作。

光電探測器及應(yīng)用

1.光電探測器

光電二極管和普通二極管一樣，也是由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體，也具有單方向?qū)щ娦?，但是在電路中它不作為整流元件，而是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器件。

普通二極管在反向電壓工作時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相較大，以便接收入射光。光電二極管在反向電壓工作下的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增加到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，稱為光電傳感器件。

2.紅外探測器

光電探測器的應(yīng)用大多集中在紅外波段，關(guān)于選擇紅外波段的原因在這里就不再冗余了，需要特別指出的是60年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術(shù)的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術(shù)中的外差接收技術(shù)，使雷達(dá)和通信都可以在紅外波段實(shí)現(xiàn)，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術(shù)僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術(shù)用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個(gè)數(shù)量級。另外，由于這類應(yīng)用的需要，促使出現(xiàn)新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術(shù)向更先進(jìn)的方向發(fā)展。

紅外線根據(jù)波長可以分為近紅外，中紅外和遠(yuǎn)紅外。近紅外指波長為0.75—3微米的光波，中紅是指3—20微米的光波，遠(yuǎn)紅外是指20—1000微米的波段。但是由于大氣對紅外線的吸收，只留下三個(gè)重要的窗口區(qū)，即1—3，3—5和8—14可以讓紅外輻射通過。因?yàn)橛羞@三個(gè)窗口，所以可以被應(yīng)用到很多方面，比如紅外夜視，熱紅外成像等方面。 紅外探測器的分類：

按照工作原理可以分為：紅外紅外探測器，微波紅外探測器，玻璃破碎紅外測器，振動紅外探測器，激光紅外探測器，超聲波紅外探測器，磁控開關(guān)紅外探測器，開關(guān)紅外探測器，視頻運(yùn)動檢測報(bào)警器，聲音探測器等。

按照工作方式可以分為：主動式紅外探測器和被動式紅外探測器。 被動紅外探測器是感應(yīng)人體自身或外界發(fā)出的紅外線的。主動式紅外探測器一般為對射，紅外柵欄等，是探測器本身發(fā)射紅外線。

按照探測范圍可以分為：點(diǎn)控紅外探測器，線控紅外探測器，面控紅外探測器，空間防范紅外探測器。

點(diǎn)源是探測元是一個(gè)點(diǎn)。用于測試溫度，氣體分析和光譜分析等 線陣是幾個(gè)點(diǎn)排成一條線。用于光譜分析等

面陣是把很多個(gè)點(diǎn)源放在儀器上形成一個(gè)面。主要用于成像。 四象限是把一個(gè)點(diǎn)源分成四個(gè)象限。用于定位和跟蹤。

3.紅外探測器的參數(shù)與特性

響應(yīng)率：

所謂紅外探測器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比。即：R=Us/P。 式中 R — 響應(yīng)率（V/W）；Us — 輸出電壓（V）；P — 紅外輻射功率（W）。響應(yīng)率與光源的相對光譜分布、入射光的方向和偏振性、入射光的強(qiáng)度、輻照的均勻度、器件的溫度以及測試線路等有關(guān)。因此，在標(biāo)記響應(yīng)率時(shí)，需要注明測試條件。 響應(yīng)波長范圍：

紅外探測器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如上圖所示：

曲線1表示在測量范圍內(nèi)，響應(yīng)率R與波長λ無關(guān)。曲線2表示響應(yīng)率R與波長λ有一定關(guān)系，在測量范圍內(nèi)λp處出現(xiàn)一個(gè)響應(yīng)率的最大值，在λp的短波方面，響應(yīng)率緩慢下降，而在其長波方面，則響應(yīng)率快速的下降為零。我們把下降到峰值的一半所在的波長λc叫做“截止波長”，或者叫響應(yīng)的“長波限”。

響應(yīng)時(shí)間：

當(dāng)光入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需的時(shí)間。

噪聲等效功率（NEP）

若投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓均方根，這個(gè)輻射功率就叫做噪聲等效功率（Noise Equivalence Power）。噪聲等效功率是一個(gè)可測量的量。

NEP=Pmin= Un/R=P/Us/Un

P—入射輻射功率 Us—輸出信號電壓 Un—輸出噪聲電壓均方根 R—響應(yīng)率

探測率（D）

探測率就是探測器能探測的最小輻射功率（NEP）的倒數(shù)。是衡量探測器探測能力的參數(shù)。

它表示單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比，當(dāng)然，D值越大，表示器件的探測性能越好。D的單位是［W-1］。

任何探測器都有噪聲，比噪聲起伏平均值更小的信號實(shí)際上檢測不出來。產(chǎn)生如噪聲那樣大的信號所需的輻射功率，稱為探測器能探測的最小輻射功率，或稱等效噪聲功率。有時(shí)用探測率描述探測器的靈敏度。

歸一化探測率（D*）

由于D表示的探測率涉及器件的面積和工作帶寬兩個(gè)因素，這樣不便于對不同面積和工作帶寬的器件進(jìn)行比較，為此引入歸一化探測率D*，其值是

式中A為器件接受面積，△f為工作帶寬。 制冷方式

1）、利用相變制冷

即利用制冷工作物質(zhì)相變吸熱效應(yīng)，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷； 有液態(tài)致冷和固態(tài)致冷兩種。液態(tài)循環(huán)致冷目前廣泛用于試驗(yàn)室測量和民用紅外系統(tǒng)。固態(tài)致冷系統(tǒng)主要用于航天工業(yè)，儲存的固態(tài)冷卻劑根據(jù)質(zhì)量和體積，使用時(shí)間可為1至3年或更長。

2）、利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)制冷

即當(dāng)高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度并通過一個(gè)很小的節(jié)流孔時(shí)，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、無振動、無運(yùn)動部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時(shí)間通常只需15～60s（秒）。

焦-湯致冷技術(shù)又稱節(jié)流式致冷技術(shù)，是1950年代發(fā)明的，絕大多數(shù)情況下使用開環(huán)式致冷

器，但仍有采用高壓壓縮機(jī)的閉式節(jié)流制冷器。早期系統(tǒng)由逆流式熱交換機(jī)、節(jié)流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節(jié)流制冷器作了些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自調(diào)式制冷器?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的焦-湯系統(tǒng)幾乎都配備了這種自調(diào)機(jī)構(gòu)。國外多將該技術(shù)用于紅外制導(dǎo)、手持式熱像儀、車載熱像儀、反坦克導(dǎo)彈熱瞄具等。

3）、利用氣體的等熵（shang）膨脹制冷

即氣體在等熵膨脹時(shí)，借膨脹機(jī)的活塞向外輸出機(jī)械功，膨脹后氣體的內(nèi)位能要增加，從而要消耗氣體本身的內(nèi)功能來補(bǔ)償，致使膨脹后溫度顯著降低。如斯特林閉循環(huán)制冷器，其特點(diǎn)是功耗低、尺寸小、質(zhì)量輕。

斯特林致冷技術(shù)已經(jīng)有50年發(fā)展歷史，在軍事上應(yīng)用最廣泛。首先出現(xiàn)的是整體式結(jié)構(gòu)，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機(jī)械方式連為一體。整體式結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生熱和振動影響制冷部分。針對系統(tǒng)存在的不足，國外也作了些改進(jìn)。首先，自1972年以來，有了顯著發(fā)展，由美國休斯飛機(jī)公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機(jī)和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結(jié)構(gòu)不僅克服了早期整體式制冷器的缺點(diǎn)，還保持了原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、啟動快等優(yōu)點(diǎn)，因此頗受國外用戶重視，發(fā)展較快。其次，為了克服原有電機(jī)/曲軸這種動態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所于1968年開始研制用線性電機(jī)驅(qū)動線性諧振壓縮機(jī)的斯特林機(jī)。迄今為止，線性諧振斯特林機(jī)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代

4）、利用帕爾帖效應(yīng)制冷

即用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體作用偶對，當(dāng)有直流電通過時(shí)電偶對一端發(fā)熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱為半導(dǎo)體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：全固態(tài)化器件、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長；無運(yùn)動部件，不產(chǎn)生噪音；不受環(huán)境影響；可靠性高。缺點(diǎn)是制冷器的性能系數(shù)（COP）較低，致冷量小，效率低；

目前熱電制冷器主要用于手持式熱像儀，此外還可用于其它一些觀瞄系統(tǒng)。

5）、利用物體之間的熱輻射交換制冷

如在外層空間利用外層宇宙的高真空，深低溫來制冷。它的顯著特點(diǎn)是無運(yùn)動部件、長壽命、功耗小、無振動干擾。缺點(diǎn)是對軌道和衛(wèi)星的構(gòu)形有要求，對環(huán)境要求嚴(yán)格，入軌后需經(jīng)過一段時(shí)間的加熱放氣后才能工作。

6）、脈管致冷技術(shù)

1963年由美國低溫專家發(fā)明，直到1984年前蘇聯(lián)米庫林教授對基本型脈管做了重大改進(jìn)后，使其向?qū)嵱眠~進(jìn)關(guān)鍵性一步。脈管實(shí)際上是斯特林的變體，膨脹機(jī)內(nèi)無需運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)更簡單可靠，且易于裝配和控制振動。目前其機(jī)理仍在探索中，未來將成為斯特林機(jī)強(qiáng)有力的競爭對手，特別是在長壽命機(jī)型中更是如此。

目前實(shí)驗(yàn)室常用的是熱電制冷和液氮制冷，而外場比較常用的是熱電制冷和斯特林制冷，其余制冷方式由于種種原因沒有得到廣泛使用。

4． 紅外探測器的主要應(yīng)用

（一）在測溫方面的應(yīng)用

一、工作原理

一切溫度高于絕對零度（-273℃）的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

影響發(fā)射率的主要因素在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。

當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計(jì)算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。

紅外測溫儀由以下四個(gè)部分組成，即光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理和顯示輸出。光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)的輻射能，并將它聚焦在探測器上（探測器置于光學(xué)系統(tǒng)的象平面上），視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

紅外測溫儀方塊圖

探測器類型的選擇與測溫儀的工作波段有關(guān)。選擇工作波段的原則是：在所選工作波段內(nèi)目標(biāo)輻射功率大、發(fā)射率較高、大氣吸收小、有合適的高靈敏度的探測器等。一般用于高溫測量（800℃以上）時(shí)，選擇波長短、光譜帶寬很窄的波段范圍，這就是亮度測溫儀，低于800℃的目標(biāo)，則選波長較長，光譜帶寬很寬的工作波段，通常稱寬波段的測溫儀為部分輻射測溫儀。亮度測溫儀可選擇光電探測器；部分輻射測溫儀和全輻射測溫儀可采用熱電探測器或光電探測器。 二、確定紅外測溫儀波長范圍

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定紅外測溫儀的光譜相應(yīng)波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm，2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超過0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm。

玻璃行業(yè)專用：溫度段：150℃-1800℃； 波段：5um

薄膜塑料行業(yè)：溫度段：10℃-800℃； 波段：7.9um

其他行業(yè)：溫度段：600℃-3000℃； 波段：1um

溫度段：200℃-1800℃ 波段：1.6um

在氣體分析方面的應(yīng)用

一、常見大氣污染氣體的紅外吸收帶

二、工作原理

紅外線氣體分析儀，是利用紅外線進(jìn)行氣體分析“它基于待分析組分的濃度不同，吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產(chǎn)生一個(gè)電容檢測器的電信號”這樣，就可間接測量出待分析組分的濃度“

一種氣體分析儀的工作示意圖

根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進(jìn)行分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7μm、4.33μm和14.5μm紅外光吸收相當(dāng)強(qiáng)烈，并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶?，即存在吸收帶。根?jù)實(shí)驗(yàn)分析，只有4.33μm吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以利用這個(gè)吸收帶來判別大氣中的CO2的含量。

二氧化碳紅外氣體分析儀由氣體（含CO2）的樣品室、參比室（無CO2）、斬光調(diào)制器、反

射鏡系統(tǒng)、濾光片、紅外檢測器和選頻放大器等組成。

測量時(shí)，使待測氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含CO2的氣體（或CO2含量已知的氣體）。紅外光源發(fā)射的紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參比室，經(jīng)反射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為4.33μm的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。

若樣品室和參比室均無CO2氣體，只要兩束輻射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一個(gè)通量恒定不變的輻射，因此，敏感元件只有直流響應(yīng)，交流選頻放大器輸出為零。 若進(jìn)入樣品室的氣體中含有CO2氣體，對4.33μm的輻射就有吸收，那么兩束輻射的通量不等，則敏感元件所接收到的就是交變輻射，這時(shí)選頻放大器輸出不為零。經(jīng)過標(biāo)定后，就可以從輸出信號的大小來推測CO2的含量。

三、典型產(chǎn)品

PbS、PbSe、InGaAs

5.紅外探測器的選擇

首先，要選擇正確的紅外探測器需要選擇合適的波段，波段一旦選定，可以說材料基本上就選定了。目前常用的材料有HgCdTe、Ge、InSb、PbS、PbSe、InAs、InGaAs等

? Ge探測器0.5-1.8um

? InGaAs探測器0.7-2.6um

? InAs探測器1.0-3.8um

? PbS探測器1.0-3.5um

? PbSe探測器2.0-6.0um

? InSb探測器1.0-5.5um

? HgCdTe探測器1.0-26um

材料選定后，我們就要根據(jù)需要我們紅外光的一些參數(shù)來選擇相應(yīng)的探測器了（一般選購的時(shí)候，探測器的銷售工程師會問你的應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用向你推薦合適的的材料）， 其次是選擇合適的光敏面，一般情況下在激光光斑測試的時(shí)候?qū)τ诠饷裘娴某叽缫蟊容^嚴(yán)格，光敏面的大小至少要大于激光光斑的直徑。同時(shí)光敏面的大小也影響了探測器的一些參數(shù)，比如并聯(lián)電阻，節(jié)電容，暗電流等。在微弱光探測中，需要權(quán)衡這些參數(shù)來選擇，一般鍺探測器的光敏面直徑有從1毫米到13毫米可供選擇。銦鎵砷探測器的從0.1毫米到5毫米可供選擇，其余材料光敏面請大家查看附件中的參數(shù)。同時(shí)對光敏面要求不是很嚴(yán)格，而對探測器的價(jià)格和貨期比較注重的時(shí)候，最好能根據(jù)供應(yīng)商的推薦來選擇合適的光敏面，顯然，生產(chǎn)商用庫存的半導(dǎo)體材料來生產(chǎn)比起重新讓半導(dǎo)體材料來生長切割更快，成本也會更低。

選擇了合適的光敏面，就要來選擇其余的參數(shù)了，如下圖所示：

上圖是某廠家普通銦鎵砷材料以及擴(kuò)展型銦鎵砷材料的參數(shù)表（去掉了產(chǎn)品型號）， 第一項(xiàng)是光敏面，其余參數(shù)的一目了然，在這里請注意一下最后兩個(gè)參數(shù)，歸一化探測率和NEP（噪聲等效功率）值，一般使用者選擇探測器的時(shí)候最注重的就是兩個(gè)參數(shù)了。請選擇的時(shí)候根據(jù)實(shí)際的需要來選擇。