光电探测器及应用

要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。

1.光电探测器光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。

普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。

光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。

光的强度越大，反向电流也越大。

光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。

2.红外探测器光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。

近红外指波长为0.75—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。

但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。

因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。

红外探测器的分类：按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。

按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。

被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。

主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。

按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。

点源是探测元是一个点。

用于测试温度，气体分析和光谱分析等线阵是几个点排成一条线。

用于光谱分析等面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。

主要用于成像。

四象限是把一个点源分成四个象限。

用于定位和跟踪。

按照制冷方式可以分为：制冷和非制冷。

（后面有详细介绍）3.红外探测器的参数与特性响应率：所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。

即：R=Us/P。

式中R —响应率(V/W)；Us —输出电压(V)；P —红外辐射功率(W)。

响应率与光源的相对光谱分布、入射光的方向和偏振性、入射光的强度、辐照的均匀度、器件的温度以及测试线路等有关。

因此，在标记响应率时，需要注明测试条件。

响应波长范围：红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如上图所示：曲线1表示在测量范围内，响应率R与波长λ无关。

曲线2表示响应率R与波长λ有一定关系，在测量范围内λp处出现一个响应率的最大值，在λp的短波方面，响应率缓慢下降，而在其长波方面，则响应率快速的下降为零。

我们把下降到峰值的一半所在的波长λc叫做“截止波长”，或者叫响应的“长波限”。

响应时间：当光入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间。

噪声等效功率(NEP)若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压均方根，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(Noise Equivalence Power)。

噪声等效功率是一个可测量的量。

NEP=P min= U n/R=P/U s/U nP—入射辐射功率 U s—输出信号电压 U n—输出噪声电压均方根 R—响应率探测率(D)探测率就是探测器能探测的最小辐射功率（NEP）的倒数。

是衡量探测器探测能力的参数。

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。

D 的单位是[W-1].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。

归一化探测率(D*)由于D表示的探测率涉及器件的面积和工作带宽两个因素，这样不便于对不同面积和工作带宽的器件进行比较，为此引入归一化探测率D*，其值是式中A为器件接受面积，△f为工作带宽。

制冷方式1）、利用相变制冷即利用制冷工作物质相变吸热效应，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氢等的制冷；有液态致冷和固态致冷两种。

液态循环致冷目前广泛用于试验室测量和民用红外系统。

固态致冷系统主要用于航天工业，储存的固态冷却剂根据质量和体积，使用时间可为1至3年或更长。

2）、利用焦耳-汤姆逊效应制冷即当高压气体的温度低于本身的转换温度并通过一个很小的节流孔时，气体的膨胀会使温度下降。

如焦-汤制冷器，特点是结构简单、可靠性高、质量轻、体积小、无振动、无运动部件、噪声小、成本低、致冷速度快，致冷时间通常只需15～60s（秒）。

焦-汤致冷技术又称节流式致冷技术，是1950年代发明的，绝大多数情况下使用开环式致冷器，但仍有采用高压压缩机的闭式节流制冷器。

早期系统由逆流式热交换机、节流孔和装有高压气体的贮气瓶组成。

为了控制气体消耗量，国外对节流制冷器作了些改进，设计了自调式制冷器。

现在国外生产的焦-汤系统几乎都配备了这种自调机构。

国外多将该技术用于红外制导、手持式热像仪、车载热像仪、反坦克导弹热瞄具等。

3）、利用气体的等熵（shang）膨胀制冷即气体在等熵膨胀时，借膨胀机的活塞向外输出机械功，膨胀后气体的内位能要增加，从而要消耗气体本身的内功能来补偿，致使膨胀后温度显著降低。

如斯特林闭循环制冷器，其特点是功耗低、尺寸小、质量轻。

斯特林致冷技术已经有50年发展历史，在军事上应用最广泛。

首先出现的是整体式结构，即压缩活塞和膨胀活塞用一连杆以机械方式连为一体。

整体式结构容易产生热和振动影响制冷部分。

针对系统存在的不足，国外也作了些改进。

首先，自1972年以来，有了显著发展，由美国休斯飞机公司研制出分置式斯特林制冷器，将压缩机和膨胀器分开安置，中间用一根软管相连。

这种结构不仅克服了早期整体式制冷器的缺点，还保持了原有系统结构紧凑、效率高、启动快等优点，因此颇受国外用户重视，发展较快。

其次，为了克服原有电机/曲轴这种动态结构产生的磨损而影响寿命，荷兰飞利浦研究所于1968年开始研制用线性电机驱动线性谐振压缩机的斯特林机。

迄今为止，线性谐振斯特林机的发展已经经历了三代4）、利用帕尔帖效应制冷即用N型半导体和P型半导体作用偶对，当有直流电通过时电偶对一端发热，另一端变冷，如热电制冷器，又称为半导体或温差电制冷器。

热电探测器的主要优点是：全固态化器件、结构紧凑、寿命长；无运动部件，不产生噪音；不受环境影响；可靠性高。

缺点是制冷器的性能系数（COP）较低，致冷量小，效率低；目前热电制冷器主要用于手持式热像仪，此外还可用于其它一些观瞄系统。

5）、利用物体之间的热辐射交换制冷如在外层空间利用外层宇宙的高真空，深低温来制冷。

它的显著特点是无运动部件、长寿命、功耗小、无振动干扰。

缺点是对轨道和卫星的构形有要求，对环境要求严格，入轨后需经过一段时间的加热放气后才能工作。

6）、脉管致冷技术1963年由美国低温专家发明，直到1984年前苏联米库林教授对基本型脉管做了重大改进后，使其向实用迈进关键性一步。

脉管实际上是斯特林的变体，膨胀机内无需运动部件，结构更简单可靠，且易于装配和控制振动。

目前其机理仍在探索中，未来将成为斯特林机强有力的竞争对手，特别是在长寿命机型中更是如此。

目前实验室常用的是热电制冷和液氮制冷，而外场比较常用的是热电制冷和斯特林制冷，其余制冷方式由于种种原因没有得到广泛使用。

4．红外探测器的主要应用（一）在测温方面的应用一、工作原理一切温度高于绝对零度（-273℃）的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。

物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。

因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。

所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。

因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。

该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。

根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。

影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。

当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。

单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。

红外测温仪由以下四个部分组成，即光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理和显示输出。

光学系统收集目标的辐射能，并将它聚焦在探测器上（探测器置于光学系统的象平面上），视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。

红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

红外测温仪方块图探测器类型的选择与测温仪的工作波段有关。

选择工作波段的原则是：在所选工作波段内目标辐射功率大、发射率较高、大气吸收小、有合适的高灵敏度的探测器等。

一般用于高温测量（800℃以上）时，选择波长短、光谱带宽很窄的波段范围，这就是亮度测温仪，低于800℃的目标，则选波长较长，光谱带宽很宽的工作波段，通常称宽波段的测温仪为部分辐射测温仪。

亮度测温仪可选择光电探测器；部分辐射测温仪和全辐射测温仪可采用热电探测器或光电探测器。

二、确定红外测温仪波长范围目标材料的发射率和表面特性决定红外测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。

在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8～1.0μm。

其他温区可选用1.6μm,2.2μm和3.9μm。

由于有些材料在一定波长上是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。

如测量玻璃内部温度选用 1.0μm，2.2μm和3.9μm（被测玻璃要很厚，否则会透过）波长；测玻璃表面温度选用5.0μm；测低温区选用8～14μm为宜。