电荷耦合器件(CCD)中的光学参数化

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。bob综合app官网登录这些应用包bob综合app官网登录括微光细胞显微镜和快速化学制图。本文件介绍了与使用背光式近红外(NIR)检测ccd相关的主要挑战之一，即光学校正，并特别介绍了一种称为“条纹抑制”的制造工艺。

简介

CCD相机捕捉光子并“检测”产生的相关“光电子”的能力通常是根据信噪比(SNR)来衡量的。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感光区域被吸收的概率，N_RN传感器的读出噪声，N_DN它那黑暗的声音，N_中投公司与时钟诱导电荷(CIC)相关的噪声N_SN与入射光子信号[1]相关的抛射噪声。P表示信号入射到像素上的光子通量，G应使用EMCCD的增益或倍增因子，以及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，对放大级的输入噪声也会被放大。

很明显，实现高信噪比不仅依赖于仔细最小化不同传感器噪声源(冷却暗噪声，较慢的读出速度和/或使用电子倍增增益读出噪声，快速垂直时钟的CIC)，而且还依赖于高传感器QE。

ccd的背光-高量子效率在可见光和近红外区的吸引力

CCD的QE是由它在光敏硅(也称为损耗区)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，然后通过电场的方式被限制成一个“像素”。这些像素中的电荷可以被读出。

图1:300K时硅吸收深度与入射光子波长的关系

波长较短的光子(蓝光)被吸收到离硅表面更近的地方，而波长较长的光子在被吸收之前可以进入硅基质更深的地方。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:硅CCD在这些较长的波长下是有效透明的。

图1显示了光子的吸收深度作为晶体硅波长的函数。

在正面发光的ccd中，入射光子必须首先横过多晶硅电极结构和硅氧化物(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入射光子通量。这个区域也被称为耗尽区域(它在移动载流子中耗尽)，并具有捕获和存储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硅氧化物(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入射光子通量。这个区域也被称为耗尽区域(它在移动载流子中耗尽)，并具有捕获和存储光子信号产生的电子的能力。

这种在表面层的吸收在紫外线(<350 nm)非常明显，导致对紫外光子的检测接近零。这种设计结构还将字体照明设备的QE限制在可见的~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。背照过程包括通过机械研磨和化学蚀刻去除大块硅衬底，允许将有源光敏区域直接暴露于入射光子，如图3所示。通过适当的抗反射(AR)涂层，这些器件可以表现出高达95%的峰值QE。标准背光ccd的近红外QE可以通过使用更厚的光敏区(也称为深损耗区)进一步增强。这些器件采用了电阻率较高的材料。

较厚的光敏区为较长波长的光子提供了更大的吸收路径，随后降低了这些光子穿越整个活动区域的概率(参见图1)。

更高的电阻率材料允许通过向电极施加电压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光电子在像素内

这些设备被称为反向照明，深度耗尽(BI-DD) ccd。

背光式ccd的一个经常被忽视的特性是，当用相干光子照射时，它们倾向于产生建设性和破坏性的光学干涉。这种行为在近红外中尤其明显，并可能导致信号调制高达40%。这种极不理想的效应对基于近红外拉曼、近红外光致发光或玻色爱因斯坦凝聚(BEC)研究的应用具有极大的破坏性。bob综合app官网登录

然而，前置照明的ccd不受光学等距化的影响。在这些器件中，具有较长吸收长度(较长的波长)的入射光子在到达光敏区后不会遇到任何具有高度不匹配折射率的界面。因此，这些光子在损耗区来回反射并产生干涉的几率非常低。在这个区域没有被吸收的光子在光学死体硅衬底中丢失。

以下部分描述了背光ccd干涉仪行为的起源，通过比较它们的结构与一种称为Fabry-Pérot étalon的特定类型的干涉仪。

由损耗区形成的超薄空腔，具有平行和高反射表面，类似于Fabry-Pérot étalon结构。

背光式ccd与Fabry-Pérot étalon的类比

图5:典型的Fabry-Pérot étalon配置

一个典型的Fabry-Pérot étalon由一个薄的，透明的光学介质与两个平坦，平行和高反射表面组成。背光CCD类似于这种结构，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，从而产生高反射界面。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依塔隆结构的厚度或“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(改编自[iii])决定:

在哪里T为étalon的透射率函数，F是衡量étalon的质量的标准，即Finesse，R是工作台表面的反射率(假设为相同的简化)，φ光子信号的往返相位变化，n空腔介质的折射率，détalon曲面与θ入射光相对于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，因此高精细度)的标准尺显示出更锐利的透射峰，而具有低反射表面(低R，因此低精细度)的标准尺导致条纹越来越模糊。

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

图7:背光、传感器和étalon腔体结构类比(n为折射率)

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

背光ccd的光谱和空间参数化

背光ccd中损耗区的厚度通常可以在10-50µm之间变化(取决于类型)。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在这些波长是半透明的。CCD损耗区折射率为~3.5，而氧化硅(绝缘层)折射率为~1.5。这种显著的不匹配意味着该界面具有极强的反射性，因此进入损耗区并到达绝缘层而未被吸收的近红外光子将被反射回损耗区前表面。这些反射的光子可以依次到达活性区域的前表面。这种前表面通常是ar涂层，以尽量减少在硅-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域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，并在由腔体特性决定的条件下产生破坏性和建设性干涉。这些多次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QE。与étalon的波长选择性有关的干涉图样被称为光谱条纹。由于耗尽区域的表面不是完全平行或平坦的，耗尽区域厚度的几微米的局部变化可以改变干涉条件并改变光谱条纹模式。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。图8为可见光区域优化的背光传感器(BV)说明了光谱和空间条纹的组合效应。

对于光谱学应用，多个波长分散在CCbob综合app官网登录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。应用于耗尽区域前表面的AR涂层特定于特定的波长范围。在效率最大的范围之外，腔体的细度受到影响，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左右进行优化，使峰值QE在该波长达到~95%。

冷却温度的影响

冷却用于最大限度地减少热产生的“暗噪声”在ccd中的贡献，以最大限度地提高信噪比。最新一代基于热电(TE)的科学相机可以将传感器温度降至-100°C。

冷却对晶体硅中的光子吸收深度也有影响，改变了活性区域[2]的折射率，同时也引起了活性硅结构的微小力学变化。这意味着étalon特征也随温度而变化，导致如图9所示的依赖于温度的建设性和破坏性干涉模式。

图9:在不同传感器冷却温度下，由背光可见增强型Newton DU971-BV EMCCD拍摄的宽带钨源非分箱图像。摄像机与三叶草750光谱仪相连。条纹由一个数字来识别，以方便随温度变化的可视化。

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，因为传感器特性和干扰模式的这种变化将对标准校准源所采集的基线数据产生影响。

尽量减少背光式ccd的平置

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

正面照明的ccd不受光学等距化的影响。在这些器件中，具有较长吸收长度(较长的波长)的入射光子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几率非常低。在这个区域没有被吸收的光子在光学死体硅衬底中丢失。

以下几种方法可用于减少背光ccd近红外的电子均衡:

• 损耗区厚度增加-这增加了近红外光子在光敏区域被吸收的概率，然后才能进行多次反射，并且由于更长的光程而导致相干性损失。
• 相对/绝对强度校准-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于描述绝对光谱定标。
• 广泛的分组以增加干涉模式平均(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束(例如“全垂直分束”模式)。这创造了一个更好的机会，有效地平均信号强度调制与交替的建设性(峰值)和破坏性(dip)干涉条纹成像的CCD像素列。
• “Fringe-suppression”过程-这是指CCD制造工艺，包括消耗区域背面的受控“粗糙化”，从而破坏干涉仪腔的平行度。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强调了条纹抑制过程对不同类型背光ccd的有效性。应该注意的是，这个过程在本质上可以有很大的变化。

	没有条纹抑制的BI深度耗尽	带条纹抑制的BI深度耗尽	BI可见增强，无条纹抑制	带条纹抑制的BI可见增强
近红外的峰值调制	> 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种分轨配置下的一些分轨连续宽带光谱:(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)不带条纹抑制(BV)的“标准”背光CCD和(b)带条纹抑制(BVF)的背光:这两个传感器都针对可见区域进行了优化。

图10:宽带钨光源的FVB光谱(红色)和16排高分轨光谱(蓝色)，该光谱由“标准”背光CCD (a)和附在三叶草750光谱仪上的带有“条纹抑制”的背光CCD (b)获得。对应的未分箱图像显示在每个数据集上方。

可以得出以下结论:

• FVB光谱在“标准”或“条纹抑制”CCD类型的校正调制方面显示出很少的差异。这可以通过在CCD上的大量行上有效平均干涉条纹调制来解释。
• 在“成像光谱学”(多轨道光谱学、高光谱成像或超高速光谱采集模式，如裁剪模式)的情况下，有限数量的CCD行一次被分类。条纹调制的平均不是那么有效，如图9所示(16行垂直分箱光谱)。在这种情况下，“条纹抑制”技术显然有很大的好处，显示出比“标准”背光CCD类型少两到三倍的调制幅度。

背光深损耗ccd -高近红外QE和低等值线

BI-DD传感器在近红外中具有高达95%的典型峰值QE(见图4)，这使得这些设备成为弱光近红外检测的首选平台。但这种传感器的另一个巨大优势是在近红外中表现出的极低的电子化。

BI-DD传感器较厚的光敏区为较长波长的光子提供了更大的吸收路径，这最大限度地减少了在étalon-like光敏区结构内发生近红外光子多次反射的机会。因此，这大大降低了近红外检测信号调制。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所述的“条纹抑制”过程。

图11展示了BI-DD ccd中的信号调制。它清楚地显示，与更薄的背光ccd相比，图像和垂直分箱光谱上的条纹模式都大大减少(见图10)。

总结

• 近红外光学等距化是任何背照背薄CCD的一个问题
• 信号调制可达50%
• 近红外光学配位在前端发光ccd上不是问题
• 任何背光式CCD上的光学标配都只能最小化，而不能完全移除
• “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后薄ccd和针对近红外区域优化的深损耗ccd的平衡效应。
• 与更薄的背光型ccd相比，BI-DD型ccd的光学平衡度大大降低。

参考文献

1. CCD相机的灵敏度-一些需要考虑的关键因素。//www.twmerchantservice.com/learning/view/article/sensitivity-of-ccd-cameras
2. 格林，硕士和基弗斯，M.本征硅在300k的光学性质。光电技术进展，第3卷，第3期，p.189-92(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. 低暗电流深耗技术(LDC-DD)https://andor.oxinst.com/learning/view/article/low-dark-current-deep-depletion- (ldc-dd)技术