光电探测器 

作为光电仪器，信息获取是最基本最重要的功能之一。为了实现这一功能，信息获取单元必须包含能提取光波中有用信号的部分。在经典的目视光学仪器中，人眼这一精密的探测器承担了信息获取的工作，并结合人类大脑完成部分信息处理工作。不过，操作者目视测量或人工记录存在个体差异性、滞后性、不准确性，无法满足仪器高精度、高速度的发展趋势和要求。因此，现代光电仪器通常以人眼观察为辅助手段，利用光电探测器实现准确、可靠、高效的信息获取，并结合微处理器、处理电路等完成信息的记录和传递。 

光电探测器原理各异、功能不一，即使同类探测器，工作参数涵盖的范围也很广，因此，正确选择光电探测原理及器件是实现光电仪器信息获取功能的关键。 

为了准确描述光电探测器的性能，比较不同光电探测器之间的差异，人们从实用的角度出发建立起一套性能参数，作为光电探测器选型的参照标准。有了一套衡量工作性能的指标，才能对光电探测器分门别类，确定其应用场合。由于光电探测器的功能是实现信息从被测光波到信号传递电路的转换，因此其性能参数应从光学、电学、光电转换等方面加以考虑。 

光电探测器的选型以光电转换原理的选择为基础。除了某些特定波长、能量或其他特定参数的探测只能选用某类特殊的光电探测器之外，常规探测可选择的光电探测器种类很多。光电探测器的选型主要从性能参数和价格、体积等方面加以考虑。 

本章首先从光电探测器性能参数出发，建立性能评价的框架，之后介绍各类光电探测器的物理原理和典型性能参数，最后列举几类常用光电探测器的应用实例，说明光电探测器选型和使用的基本方法。 

▲光电探测器的性能参数 

光电仪器的功能总由一定单元实现，同时对应一定的性能指标。以数码照相机为例，变焦和调焦的功能主要由镜头和相应的调节机构、电路完成，对应指标是变焦比和调焦范围； 成像分辨率和感光范围则主要由光电探测器决定，前者用像素数衡量，后者在商品中没有明确指标，一般涵盖自然光和人工照明的发光强度范围。如果考虑拍摄视频的数码录像机，其拍摄的帧频同样由探测器决定，即这一参数与探测器的响应时间有密切关系。由此可以看出，光电探测器的部分性能参数直接决定光电仪器的功能或者精度指标，这部分参数多为光学指标，且容易为使用者熟悉。 

如果深入光电仪器内部，研究不同单元之间的关系和信息的转化、传递，则光电探测器的另一部分性能参数将发挥重要作用。这一部分参数涉及探测器的光电转换参数，如转换效率、速度，或者静态电学参数，如电容、电阻等。了解这一部分参数通常是仪器设计和制作人员的工作，因为这些参数关系到后续处理电路能否将探测器收集到的信息高效地提取、处理或者保存，是设计光电仪器信息处理和显示部分的依据之一。 

以下从光学、光电转换和电学三个方面介绍光电探测器的特性参数。这三类特性参数并 无严格界限，如果是商品化的器件，这些特性参数在产品目录中一般都有说明，对于新开发 的探测器，则需要对其进行测试。 

一、光学特性参数 

1. 光敏面积及空间分辨率 

光敏面积又称感光面积，是指光电探测器上对光波信号有响应的面积大小，是各种光电探测器最基本也是最重要的参数。点探测器的光敏区域边长一般低于毫米量级，线阵或面阵探测器由大量小探测单元组成，光敏区域边长从毫米到分米量级不等。 

空间分辨率是指线阵或者面阵探测器能够分辨的临界空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率，一般由小探测单元（像素）的尺寸决定。CCD (电荷耦合器件）芯片常见空间分辨率为5μm、13μm等。空间分辨率是成像器件的一项重要指标。 

2. 光谱范围 

光谱范围是能够引起光电探测器响应的光波所在的光谱区域大小。电磁波涵盖的波长范围从无线电波的几千米到射线的，而一般意义上的光波包括红外光、可见光和紫外光，覆盖波段范围。各种波段的光引发的物理效应不同，使得单个光电探测器的响应范围也有限。根据光谱范围可以把光电探测器划分为红外、可见、紫外器件，具体的波段分布和响应曲线则由光电转换的特性参数描述。 

3. 动态范围 

动态范围，最早是信号系统的概念，是指一个信号系统的最大不失真电平和噪声电平的差，多用对数和比值表示。对于光电探测器来说，其动态范围包括两个部分：光学动态范围和输出动态范围。前者是指饱和曝光量与噪声曝光量（即暗电流对应曝光量）之比，主要由光电探测器件决定；后者主要与光电探测器中的电路有关。动态范围越大的探测器能反映的层次越丰富。 

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