电荷耦合器件(CCD)中的光学台架

在现代科学级CCD探测器领域，背光CCD和电子倍增emccd的出现为光子信号极低的应用领域提供了关键的使能技术。万博电脑网页版登录这些应用包万博电脑网页版登录括低光细胞显微镜和快速化学绘图。本文档介绍了与使用背光ccd进行近红外(NIR)检测相关的关键挑战之一，即光学基准化，并特别概述了称为“条纹抑制”的制造过程。

简介

的能力CCD相机捕获光子并“检测”产生的相关“光电子”通常是根据信噪比(SNR)来测量的。信噪比可表示为:

在哪里量化宽松政策(量子效率是入射光子在传感器的光敏区被吸收的概率，N_RN传感器的读出噪声，N_DN黑暗的噪音，N_中投公司噪声与时钟诱导电荷(CIC)和N_SN与入射光子信号[1]相关的发射噪声。P表示信号入射到像素上的光子通量，G是增益或乘因子应该使用EMCCD，和F为噪音因子。噪声因子考虑到这样一个事实:在将增益应用于原始信号以对其进行放大的情况下，到放大级的输入噪声也被放大。

很明显，实现高信噪比不仅依赖于对不同传感器噪声源的谨慎最小化(对暗噪声的冷却，较慢的读出速度和/或对读出噪声使用电子乘法增益，对CIC使用快速垂直时钟)，而且还依赖于高的传感器QE。

ccd的背光-可见光和近红外区高量子效率的吸引力

CCD的量子定量是由它在光敏硅(也称为损耗区)中吸收入射光子的能力决定的。只有在这个区域，光子被转换成电子-空穴对，然后被电场限制成一个“像素”。这些像素中的电荷可以被读出。

图1:300K时硅的吸收深度随入射光子波长的变化关系

波长较短的光子(蓝光)在更靠近硅表面的地方被吸收，而波长较长的光子在被吸收之前可以深入硅基体。波长在1.1 μm以上的光子没有足够的能量来形成电子-空穴对，因此无法被探测到:在这些较长的波长下，硅CCD是有效透明的。

图1显示了晶体硅中光子的吸收深度与波长的函数关系。

在正面照明的ccd中，入射光子必须首先穿过多晶硅电极结构和氧化硅(SiO)绝缘层(见图2)。电极结构可以在入射光子通量到达光敏区之前吸收和反射部分光子通量。这个区域也被称为耗竭区(在移动载流子中是耗竭区)，具有捕获和存储由光子信号产生的电子的能力。

图2:典型的正面照明CCD(横截面)

在正面照明的ccd中，入射光子必须首先穿过多晶硅电极结构和氧化硅(SiO)绝缘层(见图2)。电极结构可以在入射光子通量到达光敏区之前吸收和反射部分光子通量。这个区域也被称为耗竭区(在移动载流子中是耗竭区)，具有捕获和存储由光子信号产生的电子的能力。

这种在表层的吸收在紫外线(<350 nm)中非常明显，导致紫外光子的探测接近零。这种设计结构也限制了字体照明设备在可见部分的量化宽松~50%。

图3:典型背光CCD(横截面)

为了消除在前表面产生的损失，可以采用背光(BI)配置。背光过程包括通过机械研磨和化学蚀刻去除大块硅衬底，使有源光敏区域直接暴露于入射光子，如图3所示。使用适当的防反射(AR)涂层，这些器件的峰值QE可达95%。标准背光ccd的近红外量化可以通过使用更厚的光敏区(也称为深耗损区)进一步增强。在这些装置中使用高电阻率的材料。

较厚的光敏区域为波长较长的光子提供了更大的吸收路径，随后降低了这些光子穿过整个活性区域的概率(参见图1)。

电阻率较高的材料允许通过向电极施加电压而产生的电场穿透现在更厚的光敏区域的整个深度，从而更好地收集和限制像素内的光电子

这些设备被称为背光源，深度损耗(BI-DD) ccd。

背光ccd的一个经常被忽视的特性是，当被相干光子照射时，它们倾向于产生建设性和破坏性的光干扰。这种行为在近红外中尤其明显，可以导致高达40%的信号调制。这种极不理想的效应可能对基于近红外拉曼、近红外光致发光或玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)研究的应用造成极大破坏。万博电脑网页版登录

然而，正面照明的ccd不受光学台架的影响。在这些器件中，吸收长度较长的入射光子(波长较长)在到达光敏区后不会遇到任何折射率高度不匹配的界面。因此，这些光子在损耗区来回反射并产生干涉的机会非常低。在此区域未被吸收的光子在光学死体硅衬底中丢失。

以下部分通过与一种称为Fabry-Pérot étalon的特殊类型的干涉仪的结构比较，描述背光ccd干涉仪行为的起源。

由损耗区形成的超薄腔体，具有平行和高度反射的表面，类似于Fabry-Pérot étalon结构。

背光ccd与Fabry-Pérot étalon的类比

图5:典型的Fabry-Pérot étalon配置

典型的Fabry-Pérot étalon由一个薄的、透明的光学介质和两个平坦的、平行的和高度反射的表面组成。背光CCD类似于这种配置，损耗区夹在氧化硅绝缘层和折射率高度不匹配的空气/真空之间，从而产生高度反射的界面。进入腔体的相干光可以经历多次反射，这可能导致破坏性和建设性干涉的产生，这在很大程度上取决于Etalong结构的厚度或“光学长度”，以及其中材料的介电特性。如图7所示。

信号的调制特性由以下公式控制(改编自[iii]):

在哪里T为透射率函数étalon，F是对被称为Finesse的étalon的质量的衡量，R为台爪表面的反射率(为简化假设相同)，φ光子信号的往返相位变化，n腔介质的折射率，détalon表面和θ入射光相对étalon表面的角度。图6显示了腔体Finesse对étalon质量的影响。

具有高反射表面(高R，因此高Finesse)的台爪显示出更尖锐的透射峰，而具有较低反射表面(低R，因此低Finesse)的台爪导致条纹越来越模糊。

一个Fabry-Pérot étalon的两个连续透射光强最大值之间的波长间距由自由光谱范围(FSR)．背光ccd的典型FSR值如下所示:

图7:背光、传感器与étalon空腔结构类比(n为折射率)

• 背光可见优化ccd:对于700 - 1100 nm区域的光子，FSR为~5 - 10 nm，
• 背光深损耗ccd:对于700 - 1100 nm区域的光子，FSR为~2 - 4 nm

背光ccd的光谱和空间标定

背光ccd中损耗区厚度通常在10-50 μ m之间变化(类型相关)。近红外光子在硅中的吸收长度可以是这个厚度的几倍(见图1)，这实际上意味着CCD在这些波长下是半透明的。CCD损耗区折射率为~3.5，而氧化硅(绝缘层)的折射率为~1.5。这种显著的不匹配意味着该界面具有很强的反射性，因此进入损耗区并到达绝缘层而不被吸收的近红外光子将被反射回损耗区的前表面。这些被反射的光子可以依次到达活性区域的前表面。这个前表面通常是ar涂层，以减少硅-空气界面的折射率不匹配。这增加了光子通过该界面的传输，从而限制了活性硅区进一步潜在的内部反射。

然而，由于AR涂层并不完美，波长较长的光子可以在损耗区进行多次来回反射，并在由空腔特性决定的条件下产生破坏性和建设性干涉。这些多重反射增加了近红外光子被吸收的机会，因此增加了近红外传感器的量化宽松。与étalon的波长选择性有关的干涉图样被称为光谱条纹。由于损耗区表面不是完全平行或平坦的，损耗区厚度的几个μ m的局部变化可以改变干涉条件并改变谱条纹图。这种效应被称为空间边缘。CCD上检测到的条纹图案是光谱和空间贡献的组合。光谱和空间条纹的综合效应在图8为可见光区域优化的背光传感器(BV)中得到了说明。

对于光谱学应用，多个波长分散在CC万博电脑网页版登录D传感器宽度上:叠加在“正常”信号上的后续条纹图案将显示每个干扰波长的贡献。应用于损耗区前表面的AR涂层是特定于特定波长范围的。在最大效率范围之外，腔体的Finesse受到影响，导致条纹的锐度和强度逐渐降低。注:应用于背光深损耗ccd的单一近红外涂层通常在800 nm左右优化，使峰值QE在该波长达到~95%。

冷却温度的影响

冷却用于减少热产生的“暗噪声”贡献，以最大化信噪比。最新一代基于热电(TE)的科学相机可以使传感器温度降至-100°C。

冷却还会影响晶体硅中的光子吸收深度，改变活性区域[2]的折射率，同时也会引起活性硅结构的微小力学变化。这意味着étalon特征也会随着温度的变化而变化，从而产生与温度相关的建设性和破坏性干涉模式，如图9所示。

图9:在不同的传感器冷却温度下，用背光可见增强Newton DU971-BV EMCCD捕获的宽带钨源未分箱图像。摄像机与三叶草750摄谱仪相连。条纹用一个数字来标识，以方便显示随温度的变化。

因此，在处理相对或绝对强度数据校正时，强烈建议保持稳定的冷却温度，在这些情况下，传感器特性和干扰模式的变化将对使用标准校准源采集的基线数据产生影响。

尽量减少背光ccd的台形排列

背光ccd中的干扰模式永远无法被完全抑制，但可以通过这里强调的一系列技术来减少。

前面照明的ccd不受光学台架的影响。在这些器件中，吸收长度较长的入射光子(波长较长)在到达光敏区后不会遇到折射率高度不匹配的接口。因此，这些光子在损耗区来回反射并产生干涉的机会非常低。在此区域未被吸收的光子在光学死体硅衬底中丢失。

有几种方法可用于减少背光ccd近红外的台元化:

• 损耗区厚度增加-这增加了近红外光子在光敏区被吸收的概率，在能够进行多次反射之前，以及由于较长的光路长度而导致相干性损失。
• 相对/绝对强度校正-使用具有已知发射率特性的稳定参考灯，可用于校正CCD相机的光学响应，或光学仪器(例如摄谱仪、CCD相机和光耦合光学)的光学传递函数。术语辐射定标通常用来描述绝对光谱定标。
• 大幅度压缩以增加干涉图平均(光谱学)-通过增加耦合到光谱仪输出的背光CCD上的“空间”轴(垂直)信号的色散，可以使用广泛的垂直分组(例如“完全垂直分组”模式)。这就创造了一个更好的机会来有效地平均信号强度调制，该调制与穿过CCD像素列成像的建设性(峰值)和破坏性(下降)干涉条纹的交替相关联。
• “Fringe-suppression”过程-这指的是CCD制造过程，包括对损耗区域的后表面进行受控的“粗糙化”，从而破坏干涉仪腔的平行性。这有助于减少干扰光信号内的相干性。

所有这些方法都对光耦合到CCD上的方式和传感器温度敏感。

表1强调了不同类型背光ccd条纹抑制过程的有效性。应该注意的是，这个过程本身可能有很大的变化。

	BI深度损耗，无条纹抑制	带条纹抑制的BI深度损耗	BI可见增强，无条纹抑制	BI可见增强与条纹抑制
近红外光谱中的峰值调制	> 10%	1 - 5%	20 - 40%	10 - 20%

垂直装箱的影响

调制幅度也取决于传感器上的像素的数量。图10显示了2种分轨配置下的多个分轨连续宽频光谱:(i) 3.2 mm高传感器上的全垂直分轨(FVB)，以及(ii)同一传感器中间的16排高分轨。光谱剖面适用于(a)无条纹抑制(BV)的“标准”背光CCD和(b)带条纹抑制(BVF)的背光CCD:两个传感器都针对可见区域进行了优化。

图10:宽带钨源的FVB光谱(红色)和16行高分组轨道光谱(蓝色)，分别用“标准”背光CCD (a)和附在三叶草750光谱仪上的带“条纹抑制”的背光CCD (b)获得。对应的非分箱图像显示在每个数据集的上方。

可以看出以下几点:

• FVB光谱在“标准”或“条纹抑制”CCD类型的标定调制方面显示出很少的差异。这可以用CCD上大量行的干涉条纹调制的有效平均来解释。
• 在“成像光谱学”(多履带光谱学、高光谱成像或超快速光谱采集模式，如裁剪模式)的情况下，一次将有限数量的CCD行分组。条纹调制的平均并不有效，如图9所示(16行垂直分组光谱)。在这种情况下，“条纹抑制”技术明显有很大的好处，显示出比“标准”背光CCD类型少两到三倍的调制振幅。

背光深损耗ccd -高近红外量化和低阶梯

BI-DD传感器的典型峰值QE在近红外中高达95%(见图4)，这使得这些设备成为微光近红外检测的首选平台。但这类传感器的另一个巨大优势是在近红外中显示的极低的基准化。

BI-DD传感器较厚的光敏区域为较长波长的光子提供了更大的吸收路径，这将发生在étalon-like光敏区域结构内的近红外光子的多次反射的机会最小化。这就大大减少了近红外中检测到的信号调制。为了进一步减少这种信号调制，传感器制造商应用了前一节中描述的“条纹抑制”过程。

图11说明了BI-DD ccd中的信号调制。与更薄的背光ccd相比，它清楚地显示了图像和垂直分组光谱上减少了很多的条纹模式(见图10)。

总结

• 近红外环境下的光学台距是任何背光背薄CCD都需要解决的问题
• 信号调制可达50%
• 在近红外中，光台排列在前端发光的ccd上不是一个问题
• 任何背光CCD上的光学台架只能最小化，不能完全移除
• “条纹抑制”技术是一种有效的方法，可以减少针对可见光优化的背薄ccd和针对近红外区域优化的深损耗ccd的阶梯化效应。
• 与更薄的背光ccd相比，BI-DD ccd显示出大大减少的光学台架。

参考文献

1. CCD相机的灵敏度-一些需要考虑的关键因素。//www.tndongsheng.com/learning/view/article/sensitivity-of-ccd-cameras
2. 格林，M.A.，基弗斯，M.A.。内在硅在300k下的光学性质。光电技术进展，p.189-92, vol.3, no.3(1995)
3. G. Hernandez, Fabry-Pérot干涉仪，剑桥现代光学研究，剑桥大学出版社，ISBN 0-521-32238- 3,1986
4. 低暗电流深损耗(LDC-DD)技术。https://andor.oxinst.com/learning/view/article/low-dark-current-deep-depletion- (ldc-dd)技术