3.2 传感器¶

光电传感器（Photodetector / Sensor）是光电成像系统的核心器件，负责将光信号转换为电信号。本文从系统视角介绍光电传感器的通用概念、核心性能指标、主要类型及选型思路，为后续可见光探测器（3.3）和红外探测器（3.4）的专题学习提供框架基础。

一、传感器在成像链路中的位置¶

目标辐射 → 大气传输 → 光学系统 → [传感器] → 电子学 → 图像
                                      ↑
                        光电转换的核心环节
                  （光子 → 电荷 → 电压 → 数字信号）

传感器的性能直接决定系统的探测灵敏度、动态范围和噪声水平。

二、核心性能指标¶

2.1 响应度（Responsivity）¶

单位入射光功率产生的输出电流（或电压）：

$$\mathcal{R} = \frac{I_{out}}{P_{in}} \quad [\text{A/W}]$$

响应度与量子效率的关系：

$$\mathcal{R} = \frac{\text{QE} \cdot e \cdot \lambda}{hc} \approx \frac{\text{QE} \cdot \lambda\ (\mu\text{m})}{1.24}\ [\text{A/W}]$$

2.2 噪声等效功率（NEP）¶

产生与噪声电流相等信号所需的最小入射光功率，是探测器灵敏度的下限：

$$\text{NEP} = \frac{I_n}{\mathcal{R}} \quad [\text{W/Hz}^{1/2}]$$

NEP 越小，探测器越灵敏。

2.3 探测率（D*，D-Star）¶

归一化到单位面积、单位带宽的探测灵敏度，用于公平比较不同面积探测器：

$$D^* = \frac{\sqrt{A \cdot \Delta f}}{\text{NEP}} \quad [\text{cm·Hz}^{1/2}/\text{W}]$$

$D^*$ 是红外探测器最常用的性能指标，典型值在 $10^{10}$–$10^{12}\ \text{cm·Hz}^{1/2}/\text{W}$ 之间。

2.4 动态范围¶

探测器能线性响应的最大信号与最小可检测信号之比：

$$\text{DR} = \frac{I_{max}}{I_{min}} = \frac{\text{满阱容量}}{\text{噪声底}}$$

通常以 dB 或位数（bits）表示。高动态范围对强弱目标同时存在的场景（如日盲紫外、强背景红外）至关重要。

2.5 光谱响应范围¶

探测器有效响应的波长范围，由材料禁带宽度决定（见 3.1 光电效应）。超出范围的光子无法产生载流子。

2.6 响应速度（带宽）¶

探测器对快速变化光信号的跟随能力，用截止频率或上升时间表示。光电二极管和 APD 可达 GHz 量级；CCD 通常在 MHz 以下。

2.7 噪声类型汇总¶

噪声类型	来源	特点
散粒噪声	光子/载流子到达的统计涨落	$\propto \sqrt{I}$，基本物理限制
暗电流噪声	无光照时热激发产生的载流子	温度越高越大，制冷可抑制
读出噪声	电荷转移和放大电路引入	固定值，限制弱光探测
1/f 噪声	低频闪烁噪声	频率越低越大，在直流附近明显
kTC 噪声	复位开关引入的热噪声	CDS（相关双采样）电路可消除

三、主要传感器类型概览¶

类型	全称	工作原理	输出
光电二极管（PD）	Photodiode	pn 结光生伏特效应	电流
雪崩光电二极管（APD）	Avalanche Photodiode	光生载流子雪崩倍增	放大电流
光电倍增管（PMT）	Photomultiplier Tube	外光电效应 + 二次发射倍增	极大增益电流
CCD	Charge-Coupled Device	势阱存储电荷，逐行转移读出	电荷包→电压
CMOS	Complementary MOS	每像元独立放大器，并行读出	电压
光导探测器（PC）	Photoconductive Detector	光照改变材料电导率	电阻变化
热探测器	Thermal Detector	光→热→电（热电堆/测辐射热计）	温度变化→电信号

四、面阵与线阵¶

格式	特点	典型应用
面阵（2D Array）	单次曝光获取二维图像	相机、热成像仪
线阵（Linear Array）	逐行扫描，需相对运动	推扫式遥感、工业检测流水线
单点探测器	点扫描，速度慢但灵敏度高	光谱仪、激光测距

高光谱成像常采用推扫式（线阵传感器 + 平台运动）或凝视式（面阵传感器 + 色散/滤光）两种模式（详见 8.1 高光谱成像原理）。

五、选型决策路径¶

1. 确定工作波段 → 缩小材料范围
2. 确定成像模式（面阵/线阵）→ 确定传感器格式
3. 确定灵敏度需求（NEP/D*）→ 是否需要制冷
4. 确定速度需求（帧率/带宽）→ 读出架构选择
5. 确定动态范围需求 → 满阱容量与位深
6. 综合成本、功耗、体积约束 → 最终选型

参考资料¶

Holst & Lomheim, CMOS/CCD Sensors and Camera Systems (2nd Edition), SPIE
Rogalski, Infrared Detectors (3rd Edition), CRC Press
Teledyne FLIR, Hamamatsu 等主流探测器厂商技术文档

更新时间¶

2026-03-03