光電探測器的原理是由輻射引起被照射材料電導率發生改變。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于射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導體的另一應用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴散引起圖像模糊，連續薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個靶面由約10萬個單獨探測器組成。

光電探測器分類

光電探測器能把光信號轉換為電信號。根據器件對輻射響應的方式不同或者說器件工作的機理不同，光電探測器可分為兩大類：一類是光子探測器；另一類是熱探測器。

光電探測器功能

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干擾；

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-提供燈光以利于夜間運作。

光電探測器及應用

1.光電探測器

光電二極管和普通二極管一樣，也是由PN結構成的半導體，也具有單方向導電性，但是在電路中它不作為整流元件，而是把光信號轉變為電信號的光電傳感器件。

普通二極管在反向電壓工作時處于截止狀態，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相較大，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換為電信號，稱為光電傳感器件。

2.紅外探測器

光電探測器的應用大多集中在紅外波段，關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年代激光的出現極大地影響了紅外技術的發展，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中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數量級。另外，由于這類應用的需要，促使出現新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術向更先進的方向發展。

紅外線根據波長可以分為近紅外，中紅外和遠紅外。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，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，磁控開關紅外探測器，開關紅外探測器，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人體自身或外界發出的紅外線的。主動式紅外探測器一般為對射，紅外柵欄等，是探測器本身發射紅外線。

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。

3.紅外探測器的參數與特性

響應率：

所謂紅外探測器的響應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 — 響應率（V/W）；Us — 輸出電壓（V）；P — 紅外輻射功率（W）。響應率與光源的相對光譜分布、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。因此，在標記響應率時，需要注明測試條件。 響應波長范圍：

紅外探測器的響應率與入射輻射的波長有一定的關系，如上圖所示：

曲線1表示在測量范圍內，響應率R與波長λ無關。曲線2表示響應率R與波長λ有一定關系，在測量范圍內λp處出現一個響應率的最大值，在λp的短波方面，響應率緩慢下降，而在其長波方面，則響應率快速的下降為零。我們把下降到峰值的一半所在的波長λc叫做“截止波長”，或者叫響應的“長波限”。

響應時間：

當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定值或下降到照射前的值所需的時間。

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/Un

P—入射輻射功率 Us—輸出信號電壓 Un—輸出噪聲電壓均方根 R—響應率

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。是衡量探測器探測能力的參數。

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。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。

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相變吸熱效應，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷； 有液態致冷和固態致冷兩種。液態循環致冷目前廣泛用于試驗室測量和民用紅外系統。固態致冷系統主要用于航天工業，儲存的固態冷卻劑根據質量和體積，使用時間可為1至3年或更長。

2）、利用焦耳-湯姆遜效應制冷

即當高壓氣體的溫度低于本身的轉換溫度并通過一個很小的節流孔時，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點是結構簡單、可靠性高、質量輕、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-湯致冷技術又稱節流式致冷技術，是1950年代發明的，絕大多數情況下使用開環式致冷

器，但仍有采用高壓壓縮機的閉式節流制冷器。早期系統由逆流式熱交換機、節流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節流制冷器作了些改進，設計了自調式制冷器。現在國外生產的焦-湯系統幾乎都配備了這種自調機構。國外多將該技術用于紅外制導、手持式熱像儀、車載熱像儀、反坦克導彈熱瞄具等。

3）、利用氣體的等熵（shang）膨脹制冷

即氣體在等熵膨脹時，借膨脹機的活塞向外輸出機械功，膨脹后氣體的內位能要增加，從而要消耗氣體本身的內功能來補償，致使膨脹后溫度顯著降低。如斯特林閉循環制冷器，其特點是功耗低、尺寸小、質量輕。

斯特林致冷技術已經有50年發展歷史，在軍事上應用最廣泛。首先出現的是整體式結構，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機械方式連為一體。整體式結構容易產生熱和振動影響制冷部分。針對系統存在的不足，國外也作了些改進。首先，自1972年以來，有了顯著發展，由美國休斯飛機公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結構不僅克服了早期整體式制冷器的缺點，還保持了原有系統結構緊湊、效率高、啟動快等優點，因此頗受國外用戶重視，發展較快。其次，為了克服原有電機/曲軸這種動態結構產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驅動線性諧振壓縮機的斯特林機。迄今為止，線性諧振斯特林機的發展已經經歷了三代

4）、利用帕爾帖效應制冷

即用N型半導體和P型半導體作用偶對，當有直流電通過時電偶對一端發熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱為半導體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優點是：全固態化器件、結構緊湊、壽命長；無運動部件，不產生噪音；不受環境影響；可靠性高。缺點是制冷器的性能系數（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。

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。缺點是對軌道和衛星的構形有要求，對環境要求嚴格，入軌后需經過一段時間的加熱放氣后才能工作。

6）、脈管致冷技術

1963年由美國低溫專家發明，直到1984年前蘇聯米庫林教授對基本型脈管做了重大改進后，使其向實用邁進關鍵性一步。脈管實際上是斯特林的變體，膨脹機內無需運動部件，結構更簡單可靠，且易于裝配和控制振動。目前其機理仍在探索中，未來將成為斯特林機強有力的競爭對手，特別是在長壽命機型中更是如此。

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用

（一）在測溫方面的應用

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系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

物體發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依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。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及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數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的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

影響發射率的主要因素在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。

當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。

紅外測溫儀由以下四個部分組成，即光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理和顯示輸出。光學系統收集目標的輻射能，并將它聚焦在探測器上（探測器置于光學系統的象平面上），視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

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。選擇工作波段的原則是：在所選工作波段內目標輻射功率大、發射率較高、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、光譜帶寬很窄的波段范圍，這就是亮度測溫儀，低于800℃的目標，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

目標材料的發射率和表面特性決定紅外測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。在高溫區，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區可選用1.6μm，2.2μm和3.9μm。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，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區選用8～14μm為宜。如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超過0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm。

玻璃行業專用：溫度段：150℃-1800℃； 波段：5um

薄膜塑料行業：溫度段：10℃-800℃； 波段：7.9um

其他行業：溫度段：600℃-3000℃； 波段：1um

溫度段：200℃-1800℃ 波段：1.6um

在氣體分析方面的應用

一、常見大氣污染氣體的紅外吸收帶

二、工作原理

紅外線氣體分析儀，是利用紅外線進行氣體分析“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

根據紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進行分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7μm、4.33μm和14.5μm紅外光吸收相當強烈，并且吸收譜相當的寬，即存在吸收帶。根據實驗分析，只有4.33μm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）、斬光調制器、反

射鏡系統、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）。紅外光源發射的紅外光分成兩束光經反射鏡反射到樣品室和參比室，經反射鏡系統，這兩束光可以通過中心波長為4.33μm的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調制器的作用，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，交流選頻放大器輸出為零。 若進入樣品室的氣體中含有CO2氣體，對4.33μm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。經過標定后，就可以從輸出信號的大小來推測CO2的含量。

三、典型產品

PbS、PbSe、InGaAs

5.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，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0.5-1.8um

? InGaAs探測器0.7-2.6um

? InAs探測器1.0-3.8um

? PbS探測器1.0-3.5um

? PbSe探測器2.0-6.0um

? InSb探測器1.0-5.5um

? HgCdTe探測器1.0-26um

材料選定后，我們就要根據需要我們紅外光的一些參數來選擇相應的探測器了（一般選購的時候，探測器的銷售工程師會問你的應用，根據應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對于光敏面的尺寸要求比較嚴格，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，比如并聯電阻，節電容，暗電流等。在微弱光探測中，需要權衡這些參數來選擇，一般鍺探測器的光敏面直徑有從1毫米到13毫米可供選擇。銦鎵砷探測器的從0.1毫米到5毫米可供選擇，其余材料光敏面請大家查看附件中的參數。同時對光敏面要求不是很嚴格，而對探測器的價格和貨期比較注重的時候，最好能根據供應商的推薦來選擇合適的光敏面，顯然，生產商用庫存的半導體材料來生產比起重新讓半導體材料來生長切割更快，成本也會更低。

選擇了合適的光敏面，就要來選擇其余的參數了，如下圖所示：

上圖是某廠家普通銦鎵砷材料以及擴展型銦鎵砷材料的參數表（去掉了產品型號）， 第一項是光敏面，其余參數的一目了然，在這里請注意一下最后兩個參數，歸一化探測率和NEP（噪聲等效功率）值，一般使用者選擇探測器的時候最注重的就是兩個參數了。請選擇的時候根據實際的需要來選擇。