光电探测器原理

光电探测器功能及应用

表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。

一、有关响应方面的性能参数

1. 响应率（Responsivity）RV或RI

表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力

电流的响应率RI：探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力。

电压响应率RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的能力。

2.单色灵敏度Rλ --- 波长为l的单色辐射源

单色灵敏度：输出的光电流iλ与波长为λ的入射到探测器的单色辐射光通量Pλ（或照度）之比

3.积分灵敏度--- 复色辐射源

表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度

4. 响应时间

描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数

5. 频率响应度

二、有关噪声方面的参数

1、信噪比

信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，（S――Signal N――Noise）

2. 噪声等效功率（NEP）

3. 探测率与比探测率

三、其它参数

1. 量子效率

描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数

2.线性度

线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。

工作参数

为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，就要使相互连接的各器件都处于最佳的工作状态，所以光电探测器要与被测信号、光学系统以及后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配。

1、灵敏度（或称响应度）

灵敏度RV （或RI ）的定义为：探测器输出电压VS（或输出电流IS）与输入光功率P之比。

由于灵敏度与入射光波长关系密切。入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应特性。在光谱响应特性曲线中，探测器的光谱响应范围是峰值灵敏度下降一半时的波长范围。但对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或0.1%的波长范围。

量子效率是从光的量子特性出发来定义灵敏度，表示单位时间内流出探测器件的电子流与入射光子流之比。

2、噪声等效功率（NEP）

NEP定义为：探测信噪比S/N＝1时（信噪比是指信号的峰峰值和噪声的有效值之比），入射到探测器上的信号光功率。它表示探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力。由于噪声电平与测量带宽的根号成正比，所以NEP规定在1Hz带宽条件下的测量结果。NEP越小，则探测器的探测灵敏度越高。

3、探测率D

探测率D定义为NEP的倒数，这样D越大表明探测器的灵敏度越高。它表示单位入射辐射功率所产生的信噪比，当然，D值越大，表示器件的探测性能越好。任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。

除此之外，还有一些重要的指标，如反映探测器噪声电平的暗电流Id，探测器的接收截面Ad（会影响灵敏度和时间响应），探测器随温度的变化特性，半导体光电探测器的结电容（决定了时间响应），以及最大反偏电压、光照功率允许范围等，在使用时都必须注意的。

主要应用：

单光子探测技术。通过记录逐个单光子产生的脉冲数目来检测及其微弱的光信号。

正电子发射扫描仪。光电倍增管与闪烁体组合七射线，确定患者体内碎灭电子的位置，而得到CT像。

光电导探测：利用了光电导效应，即由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象（是内光电效应的一种）。

光伏探测器：利用半导体PN结光伏效应制成的器件。

pn结中电子向P区，空穴向n区扩散，使p区带负电，n区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区（耗尽区），同时出现由耗尽层引起的内建电场，使少子漂移，并阻止电子和空穴继续扩散，达到平衡。在热平衡下，由于pn结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。

如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过pn结的电流方程为：

典型产品与应用。

光电探测器是一种能够将光辐射转换成电量的一个器件，它利用这个特性可以进行显示及控制的功能。光电探测器种类繁多，不胜枚举。原则上讲，只要受到光照射后其物理性质会发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，光电效应分为两类：内光电效应和外光电效应。它的用途比较广泛，主要应用在军事及国名经济的各个领域上。

1，军事方面：由于现代军事对精确作战情报的需要，光电探测器在此发挥了它极大的优势，期中有：激光雷达：

是激光技术与现代光电探测技术相结合的一种探测方式。在军事方面广泛应用。由发射器、天线、接收器、跟踪架、信息处理等构成。其中发射器是激光器，如半导体激光器等。天线是望远镜。接收器则是光电探测器，如雪崩光电二极管等。

如美国的弹道导弹防御激光雷达，经研究表明，当被动红外系统、激光雷达相结合时，根据连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据，可使目标弹道估算迅速收敛，使弹道估算误差成数量级地下降。障碍回避激光雷达。

激光雷达的优点是可以精确目标的位置、运动状态、形状等特征，进而进行探测、识别、跟踪。此外，该项技术反应时间短，能部分穿过水体等特点，为它在各领域的应用，开阔了路径。

各种光电探测器的性能比较和功能提升带

1、各种光电探测器的性能比较

在动态特性（即频率响应与时间响应）方面，以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好；在光电特性（即线性）方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管；外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置；在暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大；长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管；在光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。

2、光电探测器功能上的提升

现下的金属探测器除了基本的探测警报功能外，一般都会提供许多各厂商精心研发的特殊功能，如：

地表平衡的功能：以利机器正确比对是否发现金属物而非干扰；

选取功能：利用不同金属物体对磁场反应差异特性来遴选或排除不同类别之金属物件且警报提示深度的标示，可以告知所探测到的金属物体被埋藏的可能深度；

面积的标示：可以显示探测到的金属物体大小，提供操作人员研判是否符合开挖的需求；

语音的提示：可以立刻以语音提醒操作人员，比如灯光的照明-提供灯光以利于夜间运作。

3、各种金属探测器的实际用途

按功能市场分析：

全金属探测器：能检测到所有不同材质的金属杂质，所以这款产品目前在全球市场来说，占有率是最高的，也比较受到各种用户的喜爱。而且这款产品用途很广，主要用于专门用于肉类、菌类、糖果、饮料、粮食、果蔬、乳制品、水产品、保健品、添加剂和调味品等食品中的铁金属以及

非铁金属杂质的检测；用于化工原料、橡胶、塑胶、纺织品、皮革、化纤、玩具中的金属杂质检测用于医药、保健品、生物制品、化妆品、礼品、包装、纸品中的金属杂质；铁金属探测器，又叫“检针机”“验针机”“过针机”这类产品只能用于检测铁金属杂质，主要用于服装，纺织等缝制品行业，用于检测缝制品生产过程中遗留中产品中的断针。特别提醒：检针机不能应用于食品行业，因为检针机主要靠物理磁场和电磁场磁力检测，（检针机的探测头里面是磁铁），检针机的灵敏度会随着磁铁的磁性减弱而降低，所以这款设备使用寿命较短，再加上检针机只能检测铁金属，现在市场上面临淘汰的局面；铝箔金属探测器：主要用于检测铝膜或者铝铂包装的产品。工来生产中的很多药品，食品都用铝膜或者铝铂包装，只能用这类设备来检测。目前这款产品技术水平比较高，价格比较昂贵。一般价格在三十万以上。

按用途来划分：

手持金属探测器：最早应用于机场，车间，码头，传扬，场馆的公共安检；工业上主要用于防止企业含量有金属万分的产品流失；最近几年在中国市场也应用在各种考试当要，防止考生作弊。比如高考，研究生考试，公务员考试等。

地下金属探测器：最早应用在军事中的扫雷；考古中探测文物，探险中的探宝；现在地下金属探测器主要用于金属材料的探测，目前全国拥有一支使用地下金属探测器探测，挖掘废旧金属的探测大军。

输送式金属探测器：主要用于检测体积比较小的产品，以及小型袋装，箱装工业产品，可以连接生产线，并实现联动。是目前国内应用最多的一类产品。4）下落式金属探测器：主要用于检测粉状，小颗粒颗粒状产品。主要用于塑料，橡胶行业。

管道式金属探测器：主要用于检测糊状，密封管道的流水线上。方便检测剔除管道中的金属杂质，主要用于如药片、胶囊及颗粒状（塑料粒子等）、粉末状物品的检测。

真空输送式金属探测器：生产要求比较高的真空生产线上。这类产品对使用环境要求比较高。主要用于化工行业。

压力输送式金属探测器：主要用于压力输送流水线，对污染要求比较高的产品。比如酱油，食用油的生产企业。液态或粘稠状物品在罐装或封装前检测，可以有效提高检测精度。