光電探測器的選擇

要正確選擇光電探測器，首先要對(duì)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娦裕窃陔娐分兴蛔鳛檎髟?，而是把光信?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電傳感器件。

    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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(jí)。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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)檢測報(bào)警器，聲音探測器等。

按照工作方式可以分為：主動(dòng)式紅外探測器和被動(dòng)式紅外探測器。

被動(dòng)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(dòng)式紅外探測器一般為對(duì)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。

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(duì)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=P_min= U_n/R=P/U_s/U_n  

 P—入射輻射功率  U_s—輸出信號(hào)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(hào)實(shí)際上檢測不出來。產(chǎn)生如噪聲那樣大的信號(hào)所需的輻射功率，稱為探測器能探測的小輻射功率，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(duì)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(chǔ)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(huì)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(dòng)、無運(yùn)動(dòng)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(duì)節(jié)流制冷器作了些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自調(diào)式制冷器。現(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)。

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(dòng)影響制冷部分。針對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)，當(dāng)有直流電通過時(shí)電偶對(duì)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(dòng)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(dòng)部件、長壽命、功耗小、無振動(dòng)干擾。缺點(diǎn)是對(duì)軌道和衛(wèi)星的構(gòu)形有要求，對(duì)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(duì)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(dòng)部件，結(jié)構(gòu)更簡單可靠，且易于裝配和控制振動(dòng)。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(duì)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。