光电探测器的应用实例有哪些?

光电探测器是当今使用*普遍的技术之一。它们的应用范围从自动打开超市门的简单设备，到电视和录像机遥控器上的接收器，到光纤连接中的光电二极管，到摄像机中的 CCD，再到天文学家用来检测来自地球另一侧的辐射的巨大阵列。光电探测器广泛应用于商业、工业、娱乐和研究领域的各种设备中。事实上，光电探测器设计和使用领域已经发展到很少有从业者能够全 面了解的程度。

就我们的目的而言，光电探测器包括任何用于记录频率高于无线电波(从远红外到伽马射线)的光子的设备。在本文中，我们调查了使用光电探测器的主要应用类型。从广义上讲，这些应用分为两大类——通信和遥感。在通信中，辐射只是编码信号的载体，而在各种形式的遥感中，辐射就是信号，传达有关物体或场景的信息。

也许*普遍的通信市场是光纤通信系统，其中光电探测器通常在红外 (IR) 下工作，拾取高速信号。这些探测器不需要高灵敏度，因为激光驱动器向光纤提供大量辐射，但它们必须具有极快的响应，表现出高可靠性，并且成本低。光电二极管，特别是基于砷化镓 (InGaAs) 的光电二极管是光通信的主力。

虽然光纤通信中使用的探测器对于电话用户来说是不可见的，但普通远程控制设备中使用的探测器却是显而易见的，几乎每个美国家庭都可以找到。同样，对红外波长敏感的光电二极管是标准，但要求比光纤设备宽松得多，因为数据传输速率低，并且通常只传送少量信息-更改频道或切换 VCR 的简单命令或电视打开或关闭。然而，即使是遥控器也越来越复杂——例如，PC 的无绳鼠标设备使用检测器来测量信号的相对强度来确定鼠标的方向和位置。

一、安 全保障

*简单类型的遥感应用仅涉及检测物体是否存在或安 全监控的状况。此类应用通常使用光电导体，这是*便宜且*坚固的检测器技术。此类应用中*常见的是用于家庭安 全系统的红外敏感运动探测器。*近开发的例子包括汽车用途的碰撞检测器，以监测驾驶员“盲点”中的物体，以及确定何时激活安 全气囊的乘客检测器。在工厂中，对可见光或紫外线 (UV) 波长敏感的安 全探测器执行电弧检测等任务，自动切断发生电弧的电流。

二、过程控制

复杂性的下一步是过程控制应用，这是光电探测器的另一个大批量消费应用。在许多情况下，这些设备可能像位置传感器一样简单，用于检查工件是否位于正确的位置或为机器人系统提供反馈。但其他系统需要准确比较不同波长下的辐射强度，通常需要精 确可重复的检测器，例如光电二极管或光电晶体管。例如，在回收厂中，某些塑料的天然荧光可以与光学过滤检测器一起使用来对不同的材料进行分类，而其他光谱测试可以区分不同类型的玻璃。

高温测量中使用两个或多个红外波长的辐射强度比较来远程测量和控制高温过程。类似的紫外线技术也用于监测和控制火焰。在其中一些辐射强烈的应用中，通常首 选坚固耐用的测辐射热计(通过传热而不是通过单个光子的量子检测来测量辐射) 。在生产过程结束时，探测器被用作无损检测单元的一部分，使用热扫描来检查物理缺陷或表面成分和光洁度。成像系统(尤其是 CCD)越来越多地用于机器视觉系统，这些系统被整合到更灵活的机器人中，不仅在工厂中，而且在有限程度上也用于医院等服务机构使用的移动设备中。

工厂中的过程控制应用通常需要能够承受极端环境条件的探测器系统。例如，在食品行业中，消 毒苛性碱溶液在高温和高达 1200 psi 的压力下喷出，因此需要极其耐用的光电探测器包装。在金属加工厂中，探测器可能需要聚四氟乙烯外壳，以便于去除点焊时的熔融金属飞溅。这种环境也对能够承受大范围温度条件以减少绝缘需求的探测器材料提出了更高的要求。

第三种大容量检测器应用是各种形式的摄像机，从广播和有线电视演播室使用的大型摄像机到掌上型摄像机。虽然这是一个相对成熟的领域，但主导视频摄像机业务的基本 CCD 技术仍在不断改进光灵敏度、响应时间和分辨率。该领域的*新发展涉及将大规模生产的摄像机技术扩展到红外夜视应用，而这些应用以前主要限于国防用途。

三、先进的

*先进的探测器往往是为小批量的专业领域制造的，例如实验室研究、生物医学、国防、环境监测和天文学。热成像技术测量人体辐射的热量，长期以来一直是一种常规诊断测试，需要红外探测器。*近的发展使得研究生物学家能够利用超高速 CCD 观察快速生化反应。例如，用于追踪单个细胞中化学扩散的相机通常具有几兆赫兹的读出速率和高达每秒 10,000 个帧的速率。在光谱应用中，光电倍增管 (PMT) 的高灵敏度使其成为实验室探测器的主力。

毫无疑问，高科技探测器(尤其是红外探测器)的*大推动力是国防应用。几十年来，部 队一直在热寻导弹上使用红外探测器，从而引发了长期的军备竞赛，因为镁耀斑等诱饵混淆了这些探测器，促使开发更复杂的设备来区分诱饵和真实目标。这导致了可调谐红外探测器的发展，该探测器可以识别喷气废气光谱，星载凝视阵列探测器可以在温暖的背景下隔离温暖的目标，以及用于夜视的红外摄像机的不断改进。飞机的红外扫描揭示了地雷的位置，这些地雷显示为较温暖的土壤区域。*终徒劳的导弹防御计划，即战略防御计划 (SDI)，虽然从未找到击落洲际弹道导弹的实用方法，但确实导致了波长超过 5 µm 的灵敏远红外探测器的开发，并随后得到了应用在天文学等领域。

随着战略防御计划的缩减和冷战的结束，许多军 事技术正在转向民用。军 用夜视红外探测器系统的改造工作已取得很大进展，以提高驾驶员的视野，使其超出车头灯的范围。雪崩光电二极管等低光探测的主力首先出现在五角大楼资助的研究中。

四、环境传感

如今的环境监测使用从紫外线到红外线的各种光电探测器。通常，信号强度较低，因此主要探测器是 PMT 和雪崩光电二极管(固态光电倍增管)。污染检测通常依赖于紫外光谱，检测器测量二氧化硫、一氧化二氮和臭氧等污染物的吸收线强度。荧光光谱法可以检测极少量的污染物，例如苯、甲苯、二甲苯和硫氧化物，其测量精度可达十亿分之几。另一种敏感技术是化学发光，其中引入一种反应物，选择性地与污染物结合，在此过程中产生微弱的发光。此类应用中的探测器需要大的活动区域和低噪声水平。

更直接的技术用于监测空气和水中的固体颗粒。在这里，颗粒散射的光量可以很好地连续测量污染水平。通常有充足的光线，因此可以使用光电二极管，充分利用其稳健性和快速响应时间。

为了监测大面积的污染，越来越多地使用激光雷达散射技术。在这种方法中，激光器以大约 50 Hz 的重复频率发出光脉冲;这些脉冲会驱散空气中的污染物。灵敏的探测器(通常是光电倍增管)记录散射光的量和散射光到达的时间。这样就可以测量到污染物的距离。当激光雷达扫描整个区域时，可以绘制给定污染物的分布图。

用于跟踪污染物以及天气和气候分析的天基环境监测对探测器的灵敏度和紧凑性提出了更高的要求。安装在卫星上的红外光谱仪可以测量太空中的臭氧浓度，有时使用热释电探测器将热量转化为电脉冲。用于温度监测的天基红外探测器通常是碲化汞镉红外阵列，*初是为国防目的而开发的。

五、天文学

毫无疑问，光电探测器*具挑战性的应用来自天文学领域，其中研究的波长范围从数百微米的远红外延伸到能量为 1020 eV、波长为 10-20 µm 的宇宙射线光子，范围达22个数量级。在近红外波长处，锑化铟、碲化汞镉和硅化铂的焦平面阵列*初都是为军 事开发的，现在正在成为地面和天基望远镜的路由配件。

在紫外波长处，必须从太空观察，因为大气对于紫外光来说大多是不透明的，微通道板光电倍增管的进步导致了灵敏度的重大提高，这在航天飞机上的 ASTRO 平台中使用的仪器中很明显。在更高的能量下，欧洲航天局发射的 ROSAT 等 X 射线望远镜正在为观察宇宙中*具能量的过程打开新的窗口。 X射线探测器通常基于与用于较长波长辐射的方法不同的方法。在充气探测器中，电子被 X 射线击出，当电子雪崩地射向高压线时，气体中会发生电子倍增。然而，X 射线探测器也可以使用从光谱其他部分借用的技术，例如用于电子倍增的微通道板。对于低于 10 keV 的软 X 射线，专门设计的 CCD 得到了更广泛的应用。较高能量的探测器通常使用热量计，测量 X 射线被吸收时释放的总热量。目前的研究正在开发基于超导隧道结的新型探测器。

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