光電探測器的性能參數及應用

　　光電探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用於射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等; 在紅外波段主要用於飛彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。

        表徵光電探測器性能參數主要有：量子效率、響應度、頻率響應、噪聲和探測度等。其中量子效率和響應度表徵了光電探測器將入射光轉換成光電流本領的大小，頻率響應表徵了光電探測器工作速度的快慢，噪聲和探測度表徵了光電探測器所能探測到最小的入射光能量。
       

        一、有關響應方面的性能參數

　　1. 響應率（Responsivity）RV或RI

　　表徵探測器將入射光信號轉換成電信號的能力

　　電流的響應率RI：探測器將入射光信號轉換成電流信號Ie的能力。

　　電壓響應率RV：探測器將入射光信號轉換成電壓信號Ve的能力。

　　2.單色靈敏度Rλ --- 波長為l的單色輻射源

　　單色靈敏度：輸出的光電流iλ與波長為λ的入射到探測器的單色輻射光通量Pλ（或照度）之比

　　3.積分靈敏度 --- 複色輻射源

　　表示探測器對連續入射光輻射的反應靈敏程度

　　4. 響應時間

　　描述光電器件對入射輻射響應快慢的參數

　　5. 頻率響應度

　　二、有關噪聲方面的參數

　　1、 信噪比

　　信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數。它是在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率之比，（S――Signal N――Noise）

　　2. 噪聲等效功率（NEP）

　　3. 探測率與比探測率

　　三、其它參數

　　1. 量子效率

　　描述光電轉換器件光電轉換能力的一個重要參數

　　2.線性度

　　線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關係的程度。

　　工作參數

　　為了提高傳輸效率並且無畸變地變換光電信號，就要使相互連接的各器件都處於最佳的工作狀態，所以光電探測器要與被測信號、光學系統以及後續的電子線路在特性和工作參數上相匹配。

　　1、靈敏度（或稱響應度）

　　靈敏度RV （或RI ） 的定義為：探測器輸出電壓VS（或輸出電流IS）與輸入光功率P之比。

　　由於靈敏度與入射光波長關係密切。入射波長不同，探測器的靈敏度也不同，所以一般還須給出靈敏度的光譜響應特性。在光譜響應特性曲線中，探測器的光譜響應範圍是峰值靈敏度下降一半時的波長範圍。但對具體器件的光譜響應範圍的定義可能不同，例如對光電倍增管的定義為下降到峰值靈敏度的1% 或 0.1%的波長範圍。

　　量子效率是從光的量子特性出發來定義靈敏度，表示單位時間內流出探測器件的電子流與入射光子流之比。

　

　　2、噪聲等效功率 （NEP）

　　NEP定義為：探測信噪比S/N＝1時（信噪比是指信號的峰峰值和噪聲的有效值之比），入射到探測器上的信號光功率。它表示探測器的噪聲電平和探測器對微弱光信號的探測能力。由於噪聲電平與測量帶寬的根號成正比，所以NEP規定在1Hz帶寬條件下的測量結果。NEP越小，則探測器的探測靈敏度越高。

　　3、探測率D

　　探測率D定義為NEP的倒數，這樣D越大表明探測器的靈敏度越高。它表示單位入射輻射功率所產生的信噪比，當然，D值越大，表示器件的探測性能越好。 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測不出來。產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。

　　除此之外，還有一些重要的指標，如反映探測器噪聲電平的暗電流Id，探測器的接收截面Ad（會影響靈敏度和時間響應），探測器隨溫度的變化特性，半導體光電探測器的結電容（決定了時間響應），以及最大反偏電壓、光照功率允許範圍等，在使用時都必須注意的。

　　主要應用：

　　單光子探測技術。通過記錄逐個單光子產生的脈衝數目來檢測及其微弱的光信號。

　　正電子發射掃描儀。光電倍增管與閃爍體組合七射線，確定患者體內碎滅電子的位置，而得到CT像。

　　光電導探測：利用了光電導效應，即由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象（是內光電效應的一種）。

　　光伏探測器：利用半導體PN結光伏效應製成的器件。

　　pn結中電子向P區，空穴向n區擴散，使p區帶負電，n區帶正電，形成由不能移動離子組成的空間電荷區（耗盡區），同時出現由耗盡層引起的內建電場，使少子漂移，並阻止電子和空穴繼續擴散，達到平衡。在熱平衡下，由於pn結中漂移電流等於擴散電流，淨電流為零。

　　如果有外加電壓時結內平衡被破壞，這時流過pn結的電流方程為：

　　

　　典型產品與應用。

　　光電探測器是一種能夠將光輻射轉換成電量的一個器件，它利用這個特性可以進行顯示及控制的功能。光電探測器種類繁多，不勝枚舉。原則上講，只要受到光照射後其物理性質會發生變化的任何材料都可以用來製作光電探測器。現在廣泛使用的光電探測器是利用光電效應工作的，光電效應分為兩類：內光電效應和外光電效應。它的用途比較廣泛，主要應用在軍事及國名經濟的各個領域上。

　　

　　1，軍事方面：由於現代軍事對精確作戰情報的需要，光電探測器在此發揮了它極大的優勢，期中有： 雷射雷達：

　　是雷射技術與現代光電探測技術相結合的一種探測方式。在軍事方面廣泛應用。由發射器、天線 、接收器 、跟蹤架、信息處理等構成。其中發射器是雷射器，如半導體雷射器等。天線是望遠鏡。接收器則是光電探測器，如雪崩光電二極體等。

　

　　如美國的彈道飛彈防禦雷射雷達，經研究表明，當被動紅外系統、雷射雷達相結合時，根據連續的紅外方位和俯仰測量結果與雷射雷達的精確距離測量數據，可使目標彈道估算迅速收斂，使彈道估算誤差成數量級地下降。障礙迴避雷射雷達。

　　雷射雷達的優點是可以精確目標的位置、運動狀態、形狀等特徵，進而進行探測、識別、跟蹤。此外，該項技術反應時間短，能部分穿過水體等特點，為它在各領域的應用，開闊了路徑。

　　各種光電探測器的性能比較和功能提升帶

　　1、各種光電探測器的性能比較

　　在動態特性（即頻率響應與時間響應）方面，以光電倍增管和光電 二極體（尤其是PIN管與雪崩管）為最好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、 光電二極體和光 電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極體、光敏 電阻和光電 三極體為最好。值得指出的是， 靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、 光敏電阻、雪崩光電二極體和光電三極體；外加偏置電壓最低的是光電二極體、光電三極體，光電池不需外加偏置；在暗電流方面，光電倍增管和光電二極體最小，光電池不加偏置時無暗電流，加反向偏置後暗電流也比光電倍增管和光電二極體大；長期工作的穩定性方面，以光電二極體、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極體；在光譜響應方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應偏紫外方向，而光敏電阻響應偏紅外方向。

　　2、光電探測器功能上的提升

　　現下的金屬探測器除了基本的探測警報功能外，一般都會提供許多各廠商精心研發的 特殊功能，如：

　　地表平衡的功能：以利機器正確比對是否發現金屬物而非幹擾；

　　選取功能：利用不同金屬物體對磁場反應差異特性來遴選或排除不同類別之金屬物件且 警報提示 深度的標示，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-提供燈光以利於夜間運作。

　　3、各種金屬探測器的實際用途

　　按功能市場分析：

　　全金屬探測器：能檢測到所有不同材質的金屬雜質，所以這款產品目前在全球市場來說，佔有率是最高的，也比較受到各種用戶的喜愛。而且這款產品用途很廣，主要用於專門用於肉類、菌類、糖果、飲料、糧食、果蔬、乳製品、水產品、保健品、添加劑和調味品等食品中的鐵金屬以及非鐵金屬雜質的檢測；用於化工原料、橡膠、塑膠、紡織品、皮革、化纖、玩具中的金屬雜質檢測用於醫藥、保健品、生物製品、化妝品、禮品、包裝、紙品中的金屬雜質；鐵金屬探測器，又叫「檢針機」「驗針機」「過針機」這類產品只能用於檢測鐵金屬雜質，主要用於服裝，紡織等縫製品行業，用於檢測縫製品生產過程中遺留中產品中的斷針。特別提醒：檢針機不能應用於食品行業，因為檢針機主要靠物理磁場和電磁場磁力檢測，（檢針機的探測頭裡面是磁鐵），檢針機的靈敏度會隨著磁鐵的磁性減弱而降低，所以這款設備使用壽命較短，再加上檢針機只能檢測鐵金屬，現在市場上面臨淘汰的局面；鋁箔金屬探測器：主要用於檢測鋁膜或者鋁鉑包裝的產品。工來生產中的很多藥品，食品都用鋁膜或者鋁鉑包裝，只能用這類設備來檢測。目前這款產品技術水平比較高，價格比較昂貴。一般價格在三十萬以上。

　　按用途來劃分：

　　手持金屬探測器： 最早應用於機場，車間，碼頭，傳揚，場館的公共安檢；工業上主要用於防止企業含量有金屬萬分的產品流失；最近幾年在 中國市場也應用在各種考試當要，防止考生作弊。比如高考，研究生考試，公務員考試等。

　　地下金屬探測器： 最早應用在軍事中的掃雷；考古中探測文物，探險中的探寶；現在地下金屬探測器主要用於金屬材料的探測，目前全國擁有一支使用地下金屬探測器探測，挖掘廢舊金屬的探測大軍。

　　輸送式金屬探測器：主要用於檢測體積比較小的產品，以及小型袋裝，箱裝工業產品，可以連接生產線，並實現聯動。是目前國內應用最多的一類產品。4）下落式金屬探測器：主要用於檢測粉狀，小顆粒顆粒狀產品。主要用於塑料，橡膠行業 。

　　管道式金屬探測器：主要用於檢測糊狀，密封管道的流水線上。方便檢測剔除管道中的金屬雜質，主要用於如藥片、膠囊及顆粒狀（塑料粒子等）、粉末狀物品的檢測。

　　真空輸送式金屬探測器：生產要求比較高的真空生產線上。這類產品對使用環境要求比較高。主要用於化工行業。

　　壓力輸送式金屬探測器：主要用於壓力輸送流水線，對汙染要求比較高的產品。比如醬油，食用油的生產企業。液態或粘稠狀物品在罐裝或封裝前檢測，可以有效提高檢測精度。

　　平板式金屬探測器：用於檢測片狀，絲狀等比較薄的產品，價格比較便宜，合適小型企業使用 。

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