光電探測器及應(yīng)用

1、要正確選擇光電探測器，首先要對探測器的原理和參數(shù)有所了解。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)殡娦盘柕墓怆妭鞲衅骷Ｆ胀ǘO管在反向電壓工作時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使 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，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增加到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，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

2、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、 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。因為有這三個窗口，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，視頻運動檢測報警器，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

4、，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。點源是探測元是一個點。用于測試溫度，氣體分析和光譜分析等線陣是幾個點排成一條線。用于光譜分析等面陣是把很多個點源放在儀器上形成一個面。主要用于成像。四象限是把一個點源分成四個象限。用于定位和跟蹤。按照制冷方式可以分為：制冷和非制冷。（后面有詳細(xì)介紹）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

5、譜分布、入射光的方向和偏振性、入射光的強度、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，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 無關(guān)。曲線 2 表示響應(yīng)率 R 與波長 有一定關(guān)系， 在測量范圍內(nèi) p處出現(xiàn)一個響應(yīng)率的最大值， 在 p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c叫做“截止波長”，或者叫響應(yīng)的“長波限”。響應(yīng)時間：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

6、的值所需的時間。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可測量的量。NEP=Pmin= Un/R=P/Us/U nP 入射輻射功率U s輸出信號電壓U n 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際上檢

7、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，使用時間可為1 至 3 年或更長。2

8、）、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)換溫度并通過一個很小的節(jié)流孔時，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦- 湯制冷器，特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、無振動、無運動部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時間通常只需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

9、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，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

10、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，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，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)點是：全固態(tài)化器件、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長；無運動部件，不產(chǎn)生噪音；不受環(huán)境影響；可靠性

11、高。缺點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。 它的顯著特點是無運動部件、 長壽命、功耗小、無振動干擾。缺點是對軌道和衛(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。脈管實際上是斯特林的變體，膨脹機(jī)內(nèi)無需運動部件，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

12、索中，未來將成為斯特林機(jī)強有力的競爭對手，特別是在長壽命機(jī)型中更是如此。目前實驗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：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除

13、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際物體，必須引入一個與材料性質(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；雙色測溫儀與兩個波段的輻射

14、量之比成比例。紅外測溫儀由以下四個部分組成，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，選擇波長短、光譜帶寬很窄的波

15、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 1.0 m。其他溫區(qū)可選用 1.6 m,2.2 m 和 3.9 m。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1.0 m，2.2 m和 3

16、.9 m（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0 m；測低溫區(qū)選用 814m 為宜。如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43 m，聚酯類選用4.3 m 或7.9 m，厚度超過 0.4mm 的選用 8- 14m。如測火焰中的 CO用窄帶4.64 m，測火焰中的NO2用 4.47 m。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（二）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氣 體 類紅外吸收帶中心波長/ 單位：微米型

17、CO21.41.62.02.74.264.85.29.410.415O34.78.99.614N2O3.94.054.57.78.617.1CO2.34.65CH41.653.356.57.65SO24.007.348.68NO5.35NO23.446.18二、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

18、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 2.7 m、 4.33 m和 14.5 m 紅外光吸收相當(dāng)強烈， 并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶挘?即存在吸收帶。 根據(jù)實驗分析， 只有 4.33 m吸收帶不受大氣中其他成分影響， 因此可以利用這個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，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

19、以通過中心波長為4.33 m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4.33 m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、 InGaAs5.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

20、，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 0.5-1.8umInGaAs 探測器 0.7-2.6umInAs 探測器 1.0-3.8umPbS 探測器 1.0-3.5umPbSe 探測器 2.0-6.0umInSb 探測器 1.0-5.5umHgCdTe 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