光電探測(cè)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(dòng)打開(kāi)超市門(mén)的簡(jiǎn)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(lái)檢測(cè)來(lái)自地球另一側(cè)的輻射的巨大陣列。光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、娛樂(lè)和研究領(lǐng)域的各種設(shè)備中。事實(shí)上，光電探測(cè)器設(shè)計(jì)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(cè)器包括任何用于記錄頻率高于無(wú)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(cè)器的主要應(yīng)用類(lèi)型。從廣義上講，這些應(yīng)用分為兩大類(lèi)——通信和遙感。在通信中，輻射只是編碼信號(hào)的載體，而在各種形式的遙感中，輻射就是信號(hào)，傳達(dá)有關(guān)物體或場(chǎng)景的信息。

也許*普遍的通信市場(chǎng)是光纖通信系統(tǒng)，其中光電探測(cè)器通常在紅外 (IR) 下工作，拾取高速信號(hào)。這些探測(cè)器不需要高靈敏度，因?yàn)榧す怛?qū)動(dòng)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(cè)器對(duì)于電話用戶來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，但普通遠(yuǎn)程控制設(shè)備中使用的探測(cè)器卻是顯而易見(jiàn)的，幾乎每個(gè)美國(guó)家庭都可以找到。同樣，對(duì)紅外波長(zhǎng)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(jiǎn)單命令或電視打開(kāi)或關(guān)閉。然而，即使是遙控器也越來(lái)越復(fù)雜——例如，PC 的無(wú)繩鼠標(biāo)設(shè)備使用檢測(cè)器來(lái)測(cè)量信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度來(lái)確定鼠標(biāo)的方向和位置。

一、安 全保障

*簡(jiǎn)單類(lèi)型的遙感應(yīng)用僅涉及檢測(cè)物體是否存在或安 全監(jiān)控的狀況。此類(lèi)應(yīng)用通常使用光電導(dǎo)體，這是*便宜且*堅(jiān)固的檢測(cè)器技術(shù)。此類(lèi)應(yīng)用中*常見(jiàn)的是用于家庭安 全系統(tǒng)的紅外敏感運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。*近開(kāi)發(fā)的例子包括汽車(chē)用途的碰撞檢測(cè)器，以監(jiān)測(cè)駕駛員“盲點(diǎn)”中的物體，以及確定何時(shí)激活安 全氣囊的乘客檢測(cè)器。在工廠中，對(duì)可見(jiàn)光或紫外線 (UV) 波長(zhǎng)敏感的安 全探測(cè)器執(zhí)行電弧檢測(cè)等任務(wù)，自動(dòng)切斷發(fā)生電弧的電流。

二、過(guò)程控制

復(fù)雜性的下一步是過(guò)程控制應(yīng)用，這是光電探測(cè)器的另一個(gè)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(jiǎn)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(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度，通常需要精 確可重復(fù)的檢測(cè)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(guò)濾檢測(cè)器一起使用來(lái)對(duì)不同的材料進(jìn)行分類(lèi)，而其他光譜測(cè)試可以區(qū)分不同類(lèi)型的玻璃。

高溫測(cè)量中使用兩個(gè)或多個(gè)紅外波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度比較來(lái)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制高溫過(guò)程。類(lèi)似的紫外線技術(shù)也用于監(jiān)測(cè)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(jiān)固耐用的測(cè)輻射熱計(jì)(通過(guò)傳熱而不是通過(guò)單個(gè)光子的量子檢測(cè)來(lái)測(cè)量輻射) 。在生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束時(shí)，探測(cè)器被用作無(wú)損檢測(cè)單元的一部分，使用熱掃描來(lái)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(lái)越多地用于機(jī)器視覺(jué)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(dòng)設(shè)備中。

工廠中的過(guò)程控制應(yīng)用通常需要能夠承受極端環(huán)境條件的探測(cè)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(cè)器包裝。在金屬加工廠中，探測(cè)器可能需要聚四氟乙烯外殼，以便于去除點(diǎn)焊時(shí)的熔融金屬飛濺。這種環(huán)境也對(duì)能夠承受大范圍溫度條件以減少絕緣需求的探測(cè)器材料提出了更高的要求。

第三種大容量檢測(cè)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(gè)相對(duì)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(shí)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(guó)防用途。

三、先進(jìn)的

*先進(jìn)的探測(cè)器往往是為小批量的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域制造的，例如實(shí)驗(yàn)室研究、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)和天文學(xué)。熱成像技術(shù)測(cè)量人體輻射的熱量，長(zhǎng)期以來(lái)一直是一種常規(guī)診斷測(cè)試，需要紅外探測(cè)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(gè)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(gè)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(cè)器的主力。

毫無(wú)疑問(wèn)，高科技探測(cè)器(尤其是紅外探測(cè)器)的*大推動(dòng)力是國(guó)防應(yīng)用。幾十年來(lái)，部 隊(duì)一直在熱尋導(dǎo)彈上使用紅外探測(cè)器，從而引發(fā)了長(zhǎng)期的軍備競(jìng)賽，因?yàn)殒V耀斑等誘餌混淆了這些探測(cè)器，促使開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的設(shè)備來(lái)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(cè)器的發(fā)展，該探測(cè)器可以識(shí)別噴氣廢氣光譜，星載凝視陣列探測(cè)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(jì)劃，即戰(zhàn)略防御計(jì)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(zhǎng)超過(guò) 5 μm 的靈敏遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的開(kāi)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(jì)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(cè)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(chē)頭燈的范圍。雪崩光電二極管等低光探測(cè)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(cè)使用從紫外線到紅外線的各種光電探測(cè)器。通常，信號(hào)強(qiáng)度較低，因此主要探測(cè)器是 PMT 和雪崩光電二極管(固態(tài)光電倍增管)。污染檢測(cè)通常依賴于紫外光譜，檢測(cè)器測(cè)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(cè)極少量的污染物，例如苯、甲苯、二甲苯和硫氧化物，其測(cè)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(guò)程中產(chǎn)生微弱的發(fā)光。此類(lèi)應(yīng)用中的探測(cè)器需要大的活動(dòng)區(qū)域和低噪聲水平。

更直接的技術(shù)用于監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)間。

為了監(jiān)測(cè)大面積的污染，越來(lái)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(huì)驅(qū)散空氣中的污染物。靈敏的探測(cè)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(shí)間。這樣就可以測(cè)量到污染物的距離。當(dāng)激光雷達(dá)掃描整個(gè)區(qū)域時(shí)，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(cè)對(duì)探測(cè)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(cè)量太空中的臭氧濃度，有時(shí)使用熱釋電探測(cè)器將熱量轉(zhuǎn)化為電脈沖。用于溫度監(jiān)測(cè)的天基紅外探測(cè)器通常是碲化汞鎘紅外陣列，*初是為國(guó)防目的而開(kāi)發(fā)的。

五、天文學(xué)

毫無(wú)疑問(wèn)，光電探測(cè)器*具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用來(lái)自天文學(xué)領(lǐng)域，其中研究的波長(zhǎng)范圍從數(shù)百微米的遠(yuǎn)紅外延伸到能量為 1020 eV、波長(zhǎng)為 10-20 μm 的宇宙射線光子，范圍達(dá)22個(gè)數(shù)量級(jí)。在近紅外波長(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)處，必須從太空觀察，因?yàn)榇髿鈱?duì)于紫外光來(lái)說(shuō)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(tái)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(guò)程打開(kāi)新的窗口。 X射線探測(cè)器通?；谂c用于較長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射的方法不同的方法。在充氣探測(cè)器中，電子被 X 射線擊出，當(dāng)電子雪崩地射向高壓線時(shí)，氣體中會(huì)發(fā)生電子倍增。然而，X 射線探測(cè)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(duì)于低于 10 keV 的軟 X 射線，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的 CCD 得到了更廣泛的應(yīng)用。較高能量的探測(cè)器通常使用熱量計(jì)，測(cè)量 X 射線被吸收時(shí)釋放的總熱量。目前的研究正在開(kāi)發(fā)基于超導(dǎo)隧道結(jié)的新型探測(cè)器。

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