近紅外光電探測器的發(fā)展與應(yīng)用
1982 年 4 月— 6 月，英國和阿根廷之間爆發(fā)了馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭。4 月 13 日夜間，英國攻擊阿根廷據(jù)守的最大據(jù)點(diǎn)斯坦利港。當(dāng)時(shí)3000名英軍的所有槍支、火炮都配備有紅外夜視儀，能夠在黑夜中清楚地發(fā)現(xiàn)阿根廷軍目標(biāo)。而阿根廷軍隊(duì)缺乏夜視裝備，不能有效地發(fā)現(xiàn)英軍目標(biāo)，處境十分被動(dòng)。最終，英國軍隊(duì)在夜視裝備的引導(dǎo)下，成功地攻下了斯坦利港據(jù)點(diǎn)，14000名阿根廷軍士不得不向英軍投降。這是一場由于夜視裝備優(yōu)勢贏得的兵力懸殊的戰(zhàn)斗。紅外夜視儀是紅外光電探測器的一種具體應(yīng)用，可以分為主動(dòng)紅外夜視儀和被動(dòng)紅外夜視儀兩大類，但兩者的基本原理都是光電探測。圖 1(a)，(b)分別是紅外夜視儀的實(shí)物圖和實(shí)際效果圖，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛裝備于各國軍隊(duì)，是軍隊(duì)夜間作戰(zhàn)的有力工具。
光是電磁波的一種表現(xiàn)形式，根據(jù)電磁波波長和頻率的不同，電磁波可以分為無線短波、紅外線、可見光、紫外線、X射線以及γ射線等波段，如圖 2所示。其中，紅外線是介于可見光和無線電波之間的波段。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO20473)分類，紅外線又可以分為近紅外(波長范圍780 nm—3 μm)、中紅外(波長范圍3—50 μm)以及遠(yuǎn)紅外(波長范圍50—1000 μm)。近紅外作為電磁波譜的重要組成部分，應(yīng)用范圍十分廣泛，包括軍事上的航海、夜視、航空航天、武器探測以及民用的光通信、醫(yī)療成像、大氣探測、污染檢測以及氣象學(xué)等。
2 近紅外光電探測的發(fā)展歷史
1982 年 4 月— 6 月，英國和阿根廷之間爆發(fā)了馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭。4 月 13 日夜間，英國攻擊阿根廷據(jù)守的最大據(jù)點(diǎn)斯坦利港。當(dāng)時(shí)3000名英軍的所有槍支、火炮都配備有紅外夜視儀，能夠在黑夜中清楚地發(fā)現(xiàn)阿根廷軍目標(biāo)。而阿根廷軍隊(duì)缺乏夜視裝備，不能有效地發(fā)現(xiàn)英軍目標(biāo)，處境十分被動(dòng)。最終，英國軍隊(duì)在夜視裝備的引導(dǎo)下，成功地攻下了斯坦利港據(jù)點(diǎn)，14000名阿根廷軍士不得不向英軍投降。這是一場由于夜視裝備優(yōu)勢贏得的兵力懸殊的戰(zhàn)斗。紅外夜視儀是紅外光電探測器的一種具體應(yīng)用，可以分為主動(dòng)紅外夜視儀和被動(dòng)紅外夜視儀兩大類，但兩者的基本原理都是光電探測。圖 1(a)，(b)分別是紅外夜視儀的實(shí)物圖和實(shí)際效果圖，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛裝備于各國軍隊(duì)，是軍隊(duì)夜間作戰(zhàn)的有力工具。
光是電磁波的一種表現(xiàn)形式，根據(jù)電磁波波長和頻率的不同，電磁波可以分為無線短波、紅外線、可見光、紫外線、X射線以及γ射線等波段，如圖 2所示。其中，紅外線是介于可見光和無線電波之間的波段。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO20473)分類，紅外線又可以分為近紅外(波長范圍780 nm—3 μm)、中紅外(波長范圍3—50 μm)以及遠(yuǎn)紅外(波長范圍50—1000 μm)。近紅外作為電磁波譜的重要組成部分，應(yīng)用范圍十分廣泛，包括軍事上的航海、夜視、航空航天、武器探測以及民用的光通信、醫(yī)療成像、大氣探測、污染檢測以及氣象學(xué)等。
2 近紅外光電探測的發(fā)展歷史
1800年，英國科學(xué)家赫胥爾利用三棱鏡將太陽光分解為不同顏色的光，并使其照射在不同的水銀溫度計(jì)上測試加熱效果，發(fā)現(xiàn)位于紅光外側(cè)的那支溫度計(jì)升溫最快，由此發(fā)現(xiàn)了紅外線。1917年，美國科學(xué)家蓋斯首次利用光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)成功研制出了亞硫酸鉈紅外光子探測器。20世紀(jì)70年代，制冷型焦平面器件成為研究的熱點(diǎn)。制冷型焦平面探測器上排列著陣列化的感光元件，從遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在感光元件陣列上，感光元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號并加工處理，最終傳送到終端形成圖像。為了提高探測目標(biāo)溫度和背景溫度之間的對比度，此類探測器需要制冷處理，稱之為第二代紅外探測技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代，紅外技術(shù)正在經(jīng)歷第三次革命，以微測輻射熱計(jì)和熱釋電探測器為代表的非致冷紅外成像技術(shù)取得了重大突破。微測輻射熱計(jì)通常由惠斯通電橋組成，電橋的兩個(gè)臂是兩條相同的薄鉑條或者其他半導(dǎo)體材料。當(dāng)其中的一條鉑條或者半導(dǎo)體材料受到微弱輻射的照射時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生微小的變化，通過檢測電阻的變化就可以計(jì)算出輻射量的大小。熱釋電探測器指的是能將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號的一類器件，由于紅外線的熱效應(yīng)現(xiàn)象明顯，所以該類器件的光—熱—電轉(zhuǎn)化效率很高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段對近紅外光電探測器性能的要求更加嚴(yán)格，低功耗、高靈敏度、易于集成和多元陣列化成為衡量光電器件的關(guān)鍵參數(shù)。
3 近紅外光電探測的分類及原理
近紅外光電探測器根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為很多類型，常見的分類有：(1)按照探測的物理機(jī)制不同可以分為兩大類：基于各種光電效應(yīng)的光子探測器和利用溫度變化實(shí)現(xiàn)探測的熱探測器；(2)按照探測器的空間分辨率不同，分為非成像型光電探測器和成像型光電探測器；(3)按照探測材料尺寸的不同，分為體材料探測器、薄膜材料探測器和納米材料探測器；(4)按照器件結(jié)構(gòu)的不同，分為真空光電器件、光電導(dǎo)探測器、PN結(jié)探測器、PIN結(jié)光電探測器、雪崩二極管探測器、肖特基結(jié)探測器以及金屬—半導(dǎo)體—金屬結(jié)構(gòu)探測器等。
光電效應(yīng)又可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程式，當(dāng)特定波長的光輻射到金屬表面時(shí)，金屬會(huì)吸收光子并發(fā)射電子，稱之為外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)指的是，當(dāng)特定波長的光輻射與半導(dǎo)體相互作用時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部受束縛的電子受到激發(fā)，從而改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的物理現(xiàn)象。熱電效應(yīng)指的是受熱物體中的電子隨著溫度梯度的變化由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電荷或者電流堆積的一種現(xiàn)象。
基于外光電效應(yīng)的近紅外光電探測器件一般多為真空光電器件，比如真空光電管、充氣光電管、光電倍增管、像增強(qiáng)管以及攝像管等。此類器件的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的探測靈敏度和很快的響應(yīng)速度，非常適合探測微弱光信號以及快速脈沖弱光信號。但是缺點(diǎn)也很明顯，比如需要真空工作環(huán)境以及高壓系統(tǒng)，這使得器件體積較大、使用起來不夠靈活。另外，真空光電器件的性能還受到光陰極材料的限制?；跓犭娦?yīng)的近紅外光電探測器利用近紅外線的熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光—熱—電的轉(zhuǎn)換，所以該類光電探測器對波長的選擇性較差。另外近紅外線使得物體溫度變化需要一定的時(shí)間，因此該類探測器的響應(yīng)速度較慢。相比于前兩種物理機(jī)制的光電探測器，基于內(nèi)光電效應(yīng)的近紅外光電探測器種類繁多，例如光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管、光電晶體管等。此類器件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、探測靈敏度高、光譜選擇性好以及響應(yīng)速度快。
目前，近紅外光電探測器的研究熱點(diǎn)主要是半導(dǎo)體納米材料光電探測器。所謂納米材料，指的是尺寸大小在 1—100 nm之間的材料。1 nm是10 億分之一米(10-9 m)，大約是人的頭發(fā)絲直徑(取值100 μm)的10萬分之一。納米材料的主要特點(diǎn)是尺寸小、表面能高、表面原子所占比例很大以及比表面積很大，因此具有和宏觀材料迥然不同的物理性質(zhì)，包括表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)。與基于體材料和薄膜材料的近紅外光電探測器相比，納米材料光電探測器的優(yōu)勢表現(xiàn)在：(1)納米材料尺寸很小，符合光電子器件小型化、集成化的發(fā)展趨勢；(2)當(dāng)納米材料的尺寸和與其相互作用的近紅外光的波長相比擬時(shí)，會(huì)引發(fā)一些很奇特的光電現(xiàn)象；(3)納米材料巨大的比表面積能夠吸收更多的近紅外輻射，這是將近紅外光轉(zhuǎn)化為電信號的基礎(chǔ)；(4)納米材料由于尺寸小使得探測器件中的電荷傳輸時(shí)間大大減少，這將在很大程度上提高探測器的響應(yīng)速度；(5)納米材料的電阻大，其光電器件的暗電流一般能控制在納安級別甚至更小。
4 近紅外光電探測器的商品化產(chǎn)品
目前商業(yè)化的近紅外光電探測器主要以 Si基、Ge 基以及 InGaAs 基產(chǎn)品為主。根據(jù)近紅外光電探測器應(yīng)用領(lǐng)域的不同，各類探測器性能的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，大致分為高靈敏度探測器、快速響應(yīng)探測器以及高探測率探測器等幾大類。北京敏光科技有限公司產(chǎn)品型號為LSSFPD-2.5的Si基近紅外光電探測器3 dB帶寬高達(dá)2.5 GHz，上升時(shí)間為 150 ps，十分適合高速探測領(lǐng)域。美國Thorlabs公司的Ge基近紅外光電探測器在10 V偏壓下，暗電流低至 0.3 nA，對應(yīng) 1550 nm 波段的響應(yīng)度為 0.85 A/W。該款探測器的噪聲等效功率低至 0.5 pW/Hz1/2，十分適合弱光的探測。德國First Sensor 公司的InGaAs基近紅外光電探測器在5 V 偏壓下的暗電流為 1 nA，對應(yīng) 1550 nm 波段的響應(yīng)度為 0.95 A/W。在 5 V 偏壓下，上升時(shí)間為15 ns，噪聲等效功率為0.2 pW/Hz1/2，結(jié)電容值為70 pF，該探測器的綜合性能十分優(yōu)異。圖3是上述三家公司光電探測器的產(chǎn)品實(shí)物圖，分別為Si 基、Ge 基以及 InGaAs 基近紅外光電探測器。表1為各種近紅外光電探測器的性能參數(shù)對比。
5 近紅外光電探測器的應(yīng)用領(lǐng)域
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們對光纖通信的速度和容量的要求越來越高。相比于傳統(tǒng)的電纜通信，光纖通信具有信息容量大、傳播距離遠(yuǎn)、信號質(zhì)量高、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及成本低等優(yōu)勢。理論和實(shí)驗(yàn)表明，波長為 850 nm、1310 nm以及1550 nm的近紅外光在光纖中傳輸損耗最小，因此這三種近紅外波段又稱為通信波段。光纖通信利用近紅外光在光纖中發(fā)生全發(fā)射的原理進(jìn)行光信號的傳輸，主要由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、中繼器以及調(diào)制解調(diào)器等組成。其中，光接收機(jī)的基本原理就是光電探測。光纖通信系統(tǒng)在工作時(shí)，首先將要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^調(diào)制器加載到高頻的光信號中。高頻光信號在光纖中經(jīng)過長距離的傳輸可能會(huì)發(fā)生衰減，此時(shí)需要中繼器將衰減的高頻光信號重新放大到原先的水平以增加傳輸?shù)木嚯x，最后經(jīng)過光接收機(jī)和解調(diào)器實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換和信號的復(fù)原，就可以得到需要傳輸?shù)脑夹畔?。光纖通信系統(tǒng)要求光接收機(jī)的靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小以及穩(wěn)定可靠。
近些年來，無人駕駛汽車和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速(圖4)。作為無人駕駛和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，測距、紅外成像以及夜視等技術(shù)的發(fā)展十分重要。
傳統(tǒng)的測距手段主要有超聲波測距和射頻電磁波測距等。自從 20 世紀(jì) 60 年代激光器誕生以來，激光測距顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，主要是因?yàn)榧す獾臏?zhǔn)直性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?？紤]到激光波長的穿透能力、抗干擾能力以及對人眼的傷害等方面原因，激光測距儀一般選擇近紅外波段，波長為1500 nm左右最佳。激光測距儀一般由激光發(fā)射部件、激光接收部件以及電源部件三大部分組成，其中激光接收部件就需要近紅外光電探測器來實(shí)現(xiàn)。激光測距儀的工作原理是利用脈沖激光向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或者激光脈沖串，計(jì)數(shù)器測量激光到達(dá)目標(biāo)并從目標(biāo)反射回來的時(shí)間，由于激光在空氣中傳播的速度一定，所以就能計(jì)算出距離的大小。
無人駕駛汽車工作時(shí)需要對周圍環(huán)境進(jìn)行判斷，比如對行人車輛的判斷、對紅綠燈的判斷以及對行駛路況的判斷。同樣，無人機(jī)也要對特定空域環(huán)境進(jìn)行判斷。傳統(tǒng)的可見光圖像處理技術(shù)雖然可以解決以上問題，但是由于干擾源較多以及夜間環(huán)境限制等原因，無人駕駛設(shè)備一般采用近紅外成像技術(shù)進(jìn)行工作環(huán)境的成像分析。一般地，無人機(jī)或者無人駕駛汽車都帶有近紅外激光器和近紅外攝像機(jī)，工作時(shí)首先由近紅外激光器向周圍環(huán)境發(fā)射近紅外輻射，再由多個(gè)紅外攝像機(jī)進(jìn)行成像信息采集，最后通過數(shù)據(jù)加工處理得到周圍環(huán)境的形貌圖信息。
夜間行駛以及飛行技術(shù)是無人駕駛技術(shù)的重要組成部分。相比于白天的工作環(huán)境，夜間環(huán)境復(fù)雜多變。為了讓無人機(jī)或者無人駕駛汽車能正常在夜間工作，準(zhǔn)確可靠的夜視技術(shù)必不可少。近紅外夜視儀利用近紅外光電探測原理，將夜間環(huán)境中的近紅外線或物體向外輻射的近紅外線分布情況轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柗植嫉膱D像信息，然后將圖像信息提供給無人駕駛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，就可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛系統(tǒng)全天候工作的能力。
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息安全問題日益引發(fā)人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的信息保護(hù)方式(如數(shù)字密碼、圖案密碼等)由于其可靠性不高以及容易遺忘等特點(diǎn)，逐漸被安全性更好的生物識(shí)別手段所代替。由于每個(gè)人的生物體特征(如指紋、虹膜、聲音以及面部)在一定時(shí)期內(nèi)都十分穩(wěn)定，所以利用生物體特征進(jìn)行身份識(shí)別更加友好、安全、精確和可靠。目前，基于生物模式識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用在電子商務(wù)、門禁系統(tǒng)、金融、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及公安刑偵等各種領(lǐng)域。
近紅外光電探測器在生物識(shí)別系統(tǒng)中主要用于信息采集的部分。首先，近紅外光對生物特征(如指紋、眼睛虹膜以及面部)進(jìn)行掃描，再由近紅外光電探測器陣列進(jìn)行生物特征的成像，然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行特征參數(shù)的提取(包括指紋的紋路圖案、虹膜的內(nèi)外直徑大小以及面部識(shí)別中器官的相對位置等參數(shù))，最后和預(yù)先存檔的特征數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對就可以確認(rèn)生物體的身份(圖5)。
隨擾問題逐漸凸顯。作為光電隔離領(lǐng)域的代表性器件，光電耦合器擁有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、能有效隔離噪聲以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光電耦合器是一種以光為媒介實(shí)現(xiàn)電—光—電信號轉(zhuǎn)換的器件，主要由發(fā)光源和光電探測器組成。發(fā)光源部分主要以電信號驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二級管為主，由于發(fā)光材料的限制，發(fā)光的波長一般為近紅外光。探測器部分則以光敏電阻、光電二極管以及光電三極管為主。整個(gè)光電耦合器將發(fā)光源和光電探測器封裝在一個(gè)密閉的殼體內(nèi)，彼此之間用透明絕緣體隔離形成兩端器件。在電—光—電轉(zhuǎn)換的過程中，輸入端和輸出端互相隔離，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
6 總結(jié)和展望
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焦點(diǎn)事件
