光電探測器是當(dāng)今使用*普遍的技術(shù)之一。它們的應(yīng)用范圍從自動打開超市門的簡單設(shè)備，到電視和錄像機(jī)遙控器上的接收器，到光纖連接中的光電二極管，到攝像機(jī)中的 CCD，再到天文學(xué)家用來檢測來自地球另一側(cè)的輻射的巨大陣列。光電探測器廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、娛樂和研究領(lǐng)域的各種設(shè)備中。事實(shí)上，光電探測器設(shè)計和使用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到很少有從業(yè)者能夠全 面了解的程度。

就我們的目的而言，光電探測器包括任何用于記錄頻率高于無線電波(從遠(yuǎn)紅外到伽馬射線)的光子的設(shè)備。在本文中，我們調(diào)查了使用光電探測器的主要應(yīng)用類型。從廣義上講，這些應(yīng)用分為兩大類——通信和遙感。在通信中，輻射只是編碼信號的載體，而在各種形式的遙感中，輻射就是信號，傳達(dá)有關(guān)物體或場景的信息。

也許*普遍的通信市場是光纖通信系統(tǒng)，其中光電探測器通常在紅外 (IR) 下工作，拾取高速信號。這些探測器不需要高靈敏度，因?yàn)榧す怛?qū)動器向光纖提供大量輻射，但它們必須具有極快的響應(yīng)，表現(xiàn)出高可靠性，并且成本低。光電二極管，特別是基于砷化鎵 (InGaAs) 的光電二極管是光通信的主力。

雖然光纖通信中使用的探測器對于電話用戶來說是不可見的，但普通遠(yuǎn)程控制設(shè)備中使用的探測器卻是顯而易見的，幾乎每個美國家庭都可以找到。同樣，對紅外波長敏感的光電二極管是標(biāo)準(zhǔn)，但要求比光纖設(shè)備寬松得多，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率低，并且通常只傳送少量信息-更改頻道或切換 VCR 的簡單命令或電視打開或關(guān)閉。然而，即使是遙控器也越來越復(fù)雜——例如，PC 的無繩鼠標(biāo)設(shè)備使用檢測器來測量信號的相對強(qiáng)度來確定鼠標(biāo)的方向和位置。

一、安 全保障

*簡單類型的遙感應(yīng)用僅涉及檢測物體是否存在或安 全監(jiān)控的狀況。此類應(yīng)用通常使用光電導(dǎo)體，這是*便宜且*堅固的檢測器技術(shù)。此類應(yīng)用中*常見的是用于家庭安 全系統(tǒng)的紅外敏感運(yùn)動探測器。*近開發(fā)的例子包括汽車用途的碰撞檢測器，以監(jiān)測駕駛員“盲點(diǎn)”中的物體，以及確定何時激活安 全氣囊的乘客檢測器。在工廠中，對可見光或紫外線 (UV) 波長敏感的安 全探測器執(zhí)行電弧檢測等任務(wù)，自動切斷發(fā)生電弧的電流。

二、過程控制

復(fù)雜性的下一步是過程控制應(yīng)用，這是光電探測器的另一個大批量消費(fèi)應(yīng)用。在許多情況下，這些設(shè)備可能像位置傳感器一樣簡單，用于檢查工件是否位于正確的位置或?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)提供反饋。但其他系統(tǒng)需要準(zhǔn)確比較不同波長下的輻射強(qiáng)度，通常需要精 確可重復(fù)的檢測器，例如光電二極管或光電晶體管。例如，在回收廠中，某些塑料的天然熒光可以與光學(xué)過濾檢測器一起使用來對不同的材料進(jìn)行分類，而其他光譜測試可以區(qū)分不同類型的玻璃。

高溫測量中使用兩個或多個紅外波長的輻射強(qiáng)度比較來遠(yuǎn)程測量和控制高溫過程。類似的紫外線技術(shù)也用于監(jiān)測和控制火焰。在其中一些輻射強(qiáng)烈的應(yīng)用中，通常首 選堅固耐用的測輻射熱計(通過傳熱而不是通過單個光子的量子檢測來測量輻射) 。在生產(chǎn)過程結(jié)束時，探測器被用作無損檢測單元的一部分，使用熱掃描來檢查物理缺陷或表面成分和光潔度。成像系統(tǒng)(尤其是 CCD)越來越多地用于機(jī)器視覺系統(tǒng)，這些系統(tǒng)被整合到更靈活的機(jī)器人中，不僅在工廠中，而且在有限程度上也用于醫(yī)院等服務(wù)機(jī)構(gòu)使用的移動設(shè)備中。

工廠中的過程控制應(yīng)用通常需要能夠承受極端環(huán)境條件的探測器系統(tǒng)。例如，在食品行業(yè)中，消 毒苛性堿溶液在高溫和高達(dá) 1200 psi 的壓力下噴出，因此需要極其耐用的光電探測器包裝。在金屬加工廠中，探測器可能需要聚四氟乙烯外殼，以便于去除點(diǎn)焊時的熔融金屬飛濺。這種環(huán)境也對能夠承受大范圍溫度條件以減少絕緣需求的探測器材料提出了更高的要求。

第三種大容量檢測器應(yīng)用是各種形式的攝像機(jī)，從廣播和有線電視演播室使用的大型攝像機(jī)到掌上型攝像機(jī)。雖然這是一個相對成熟的領(lǐng)域，但主導(dǎo)視頻攝像機(jī)業(yè)務(wù)的基本 CCD 技術(shù)仍在不斷改進(jìn)光靈敏度、響應(yīng)時間和分辨率。該領(lǐng)域的*新發(fā)展涉及將大規(guī)模生產(chǎn)的攝像機(jī)技術(shù)擴(kuò)展到紅外夜視應(yīng)用，而這些應(yīng)用以前主要限于國防用途。

三、先進(jìn)的

*先進(jìn)的探測器往往是為小批量的專業(yè)領(lǐng)域制造的，例如實(shí)驗(yàn)室研究、生物醫(yī)學(xué)、國防、環(huán)境監(jiān)測和天文學(xué)。熱成像技術(shù)測量人體輻射的熱量，長期以來一直是一種常規(guī)診斷測試，需要紅外探測器。*近的發(fā)展使得研究生物學(xué)家能夠利用超高速 CCD 觀察快速生化反應(yīng)。例如，用于追蹤單個細(xì)胞中化學(xué)擴(kuò)散的相機(jī)通常具有幾兆赫茲的讀出速率和高達(dá)每秒 10,000 個幀的速率。在光譜應(yīng)用中，光電倍增管 (PMT) 的高靈敏度使其成為實(shí)驗(yàn)室探測器的主力。

毫無疑問，高科技探測器(尤其是紅外探測器)的*大推動力是國防應(yīng)用。幾十年來，部 隊(duì)一直在熱尋導(dǎo)彈上使用紅外探測器，從而引發(fā)了長期的軍備競賽，因?yàn)殒V耀斑等誘餌混淆了這些探測器，促使開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)備來區(qū)分誘餌和真實(shí)目標(biāo)。這導(dǎo)致了可調(diào)諧紅外探測器的發(fā)展，該探測器可以識別噴氣廢氣光譜，星載凝視陣列探測器可以在溫暖的背景下隔離溫暖的目標(biāo)，以及用于夜視的紅外攝像機(jī)的不斷改進(jìn)。飛機(jī)的紅外掃描揭示了地雷的位置，這些地雷顯示為較溫暖的土壤區(qū)域。*終徒勞的導(dǎo)彈防御計劃，即戰(zhàn)略防御計劃 (SDI)，雖然從未找到擊落洲際彈道導(dǎo)彈的實(shí)用方法，但確實(shí)導(dǎo)致了波長超過 5 μm 的靈敏遠(yuǎn)紅外探測器的開發(fā)，并隨后得到了應(yīng)用在天文學(xué)等領(lǐng)域。

隨著戰(zhàn)略防御計劃的縮減和冷戰(zhàn)的結(jié)束，許多軍 事技術(shù)正在轉(zhuǎn)向民用。軍 用夜視紅外探測器系統(tǒng)的改造工作已取得很大進(jìn)展，以提高駕駛員的視野，使其超出車頭燈的范圍。雪崩光電二極管等低光探測的主力首先出現(xiàn)在五角大樓資助的研究中。

四、環(huán)境傳感

如今的環(huán)境監(jiān)測使用從紫外線到紅外線的各種光電探測器。通常，信號強(qiáng)度較低，因此主要探測器是 PMT 和雪崩光電二極管(固態(tài)光電倍增管)。污染檢測通常依賴于紫外光譜，檢測器測量二氧化硫、一氧化二氮和臭氧等污染物的吸收線強(qiáng)度。熒光光譜法可以檢測極少量的污染物，例如苯、甲苯、二甲苯和硫氧化物，其測量精度可達(dá)十億分之幾。另一種敏感技術(shù)是化學(xué)發(fā)光，其中引入一種反應(yīng)物，選擇性地與污染物結(jié)合，在此過程中產(chǎn)生微弱的發(fā)光。此類應(yīng)用中的探測器需要大的活動區(qū)域和低噪聲水平。

更直接的技術(shù)用于監(jiān)測空氣和水中的固體顆粒。在這里，顆粒散射的光量可以很好地連續(xù)測量污染水平。通常有充足的光線，因此可以使用光電二極管，充分利用其穩(wěn)健性和快速響應(yīng)時間。

為了監(jiān)測大面積的污染，越來越多地使用激光雷達(dá)散射技術(shù)。在這種方法中，激光器以大約 50 Hz 的重復(fù)頻率發(fā)出光脈沖;這些脈沖會驅(qū)散空氣中的污染物。靈敏的探測器(通常是光電倍增管)記錄散射光的量和散射光到達(dá)的時間。這樣就可以測量到污染物的距離。當(dāng)激光雷達(dá)掃描整個區(qū)域時，可以繪制給定污染物的分布圖。

用于跟蹤污染物以及天氣和氣候分析的天基環(huán)境監(jiān)測對探測器的靈敏度和緊湊性提出了更高的要求。安裝在衛(wèi)星上的紅外光譜儀可以測量太空中的臭氧濃度，有時使用熱釋電探測器將熱量轉(zhuǎn)化為電脈沖。用于溫度監(jiān)測的天基紅外探測器通常是碲化汞鎘紅外陣列，*初是為國防目的而開發(fā)的。

五、天文學(xué)

毫無疑問，光電探測??*具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用來自天文學(xué)領(lǐng)域，其中研究的波長范圍從數(shù)百微米的遠(yuǎn)紅外延伸到能量為 1020 eV、波長為 10-20 μm 的宇宙射線光子，范圍達(dá)22個數(shù)量級。在近紅外波長處，銻化銦、碲化汞鎘和硅化鉑的焦平面陣列*初都是為軍 事開發(fā)的，現(xiàn)在正在成為地面和天基望遠(yuǎn)鏡的路由配件。

在紫外波長處，必須從太空觀察，因?yàn)榇髿鈱τ谧贤夤鈦碚f大多是不透明的，微通道板光電倍增管的進(jìn)步導(dǎo)致了靈敏度的重大提高，這在航天飛機(jī)上的 ASTRO 平臺中使用的儀器中很明顯。在更高的能量下，歐洲航天局發(fā)射的 ROSAT 等 X 射線望遠(yuǎn)鏡正在為觀察宇宙中*具能量的過程打開新的窗口。 X射線探測器通常基于與用于較長波長輻射的方法不同的方法。在充氣探測器中，電子被 X 射線擊出，當(dāng)電子雪崩地射向高壓線時，氣體中會發(fā)生電子倍增。然而，X 射線探測器也可以使用從光譜其他部分借用的技術(shù)，例如用于電子倍增的微通道板。對于低于 10 keV 的軟 X 射線，專門設(shè)計的 CCD 得到了更廣泛的應(yīng)用。較高能量的探測器通常使用熱量計，測量 X 射線被吸收時釋放的總熱量。目前的研究正在開發(fā)基于超導(dǎo)隧道結(jié)的新型探測器。

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