《1 前言》
1 前言
,在夜视技术、天文学与高能物理学的众多应用中需要高分辨力、高灵敏度的微光电视实时成像。在科学技术高度发展的今天,实现微光电视实时成像通常采用电荷糊合器件(CCD)的方式。利用CCD作为像敏器件的微光实时摄像主要有下列三种方式。
《1.1 像增强CCD(ICCD)》
1.1 像增强CCD(ICCD)
约15年前,人们就希望利用CCD以代替SIT(硅增强靶管)以解决微光成像的问题,目前有以下二种解决方案。
1) 用光学系统将一代、二代、三代像增强器与读出CCD糊合,这可以解决微光下摄像的问题。通常,若CCD与一代管糊合,则分辨力较好,而光增益稍低;若CCD与二代管或三代管糊合,则光增益高,分辨力稍差。此外,这一方案还存在着系统不够紧凑的问题。
2) 通过纤维光学面板或纤维光锥将像增强器与CCD阵列糊合。在此方案中,低照度景物的图像被投射在像增强器输入窗上,自光阴极逸出的光电子,通过电子光学系统,聚焦到荧光屏上(一代管),或通过电子光学系统聚焦或近贴聚焦到微通道板(MCP)上,使电子信号倍增输出到荧光屏上(二代管、三代管),形成光学图像;纤维光学元件通过与纤维光学输出窗耦合把增强的图像传递到CCD芯片上,把光学信号再次转换为电信号,然后“读出“进行显示或图像处理。
由上可见,成像过程表现为传统的光一光电子一(电子倍增)一光一电子链,即光转换为光电子,光电子又转换为光或经过电子倍增再转换为光,最后光又转换为CCD中的电子,显然成像环节越多,成像质量经多次传递而下降。MCP的增益过程使噪声引入囹像,使信噪比与调制传递函数(MTF)都下降。莫尔条纹、疲点以及纤维阵列的不均匀性积累在电光学路程中并作为“固定图案“噪声成像在CCD上。此外,光学界面和纤维光学内的敬射使像敏器件的MTF性能进一步下降。这一切的积累影响了ICCD的性能。
应该指出,以一代管糊合的ICCD具有很好的空间分辨力(信噪比S/N=1,阀值照度可达到4X10-5lx),但是其增益不足以探测单个光子,若用多个像增强器级联,则将导致分辨力下降;而基于MCP的二代管或三代管耦合的ICCD可提供足够的光增益使CCD能探测单个光子,但是所提高的灵敏度是以牺牲分辨力为代价的。通常带有MCP的像增强器,相对来说分辨力稍低。
《1.2 电子转击CCD(EBCCD）》
1.2 电子转击CCD(EBCCD）[1,2]
EBCCD成像使传统的成像链的环节减小到最小的程度,即光-光电子-电子链。在EBCCD像管中,1个特殊的对电子灵敏背照明CCD装在管内以代替通常的荧光屏,这样便不需要微通道板、荧光屏和纤维光学耦合器。当CCD基片被减薄到8一12pm,并装到管内时,使其背面接受由光阴极射出并受到加速的光电子,如同二代近贴管与倒像管一样,它也具有近贴式与倒像式。当电子进入背照明、减薄CCD的背面时,硅使人射光电子能量散逸,产生电子一空穴对,得到电子轰击半导体(EBS)增益。EBS过程的噪声大大低于微通道板为得到电子增盐所产生的噪声。从这个意义上来说,这是一种“理想“器件,它能提供几乎无噪声的增益,EBS增益在管电压10kV时为2000,足以削弱或抵消系统的噪声源。图1给出了倒像式EBCCD的结构简图,图2为利用倒像式EBCCD构成的成像系统框图。
《图1》
图1 倒像式EBCCD的结构简图
Fig.1 A schematic diagram illustrating the structure of inverter type EBCCD
EBCCD是当今微光摄像技术的新进展。在中等微光和所有的光照条件下,EBCCD的几乎无噪声的增益与极佳的MTF使其性能全面超过通常的ICCD;且其高增益足以探测单个光电子[4]。
《图2》
图2 利用倒像式EBCCD构成的成像系统框图
Fig.2 A block diagram for the imaging system constructed by using inverter type EBCCD
背照明、减薄的EBCCD已被研制了很长时间,其难度在于很难获得很均匀的灵敏度。20世纪90年代以来,俄罗斯与欧美等国家在技术与工艺上都取得突破,取得了很好的结果。例如,俄罗斯圣彼得堡的“Electron“公司与莫斯科的“Geo-sphera“公司合作建成了EBCCD像管的生产线已有532x290,780x290,1024X1024线元数的静电耿焦倒像管作为商品出售。美国“ScientificImagingTechnologies(SITe)“公司研制了型号为SITeSIS02A512X512线元数CCD,用于构成BC-CD和近贴聚焦型EBCCD。这些器件成功地应用于夜视中的电视摄像、皮秒条纹相机吊以及高能物理中的光纤探测器[3]。
下面对倒像式EBCCD的制作工艺、设计与性能作一综述,并与ICCD比较,最后对我国发展EBCCD提出一些建议。
《2 倒像式EBCCD的设计与制作》
2 倒像式EBCCD的设计与制作[2]
《2.1 减薄CCD设计的考虑》
2.1 减薄CCD设计的考虑
CCD的制作是用二层门电介质(SiO,+SiN4)层的三相、三级多晁硅门技术,它具有n型埋沟结构,器件由4一20Q.em电阻率的p型硅制成。
以1024 * 1024 CCD为例。它的成像部分含有分为二个512行x1024列区域的作用面积。通过58中国工程二个合适的输出寄存器,此成像区域可以独立地移上或移下。这二个面积的每一个平行时钟都有独立的控制,故它们的电荷量可以转移到相反的方向,通过二个串联寄存器和在每一个寄存器的一端的二个相应的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)的输出放大器可以平行地读出图像,或者通过二个寄存器中的一个逐次地读出图像。输出放大器是被埋沟MOSFET联接于浮动分布的节点,信号电荷被堆积于该处。CCD中还引入多针相MPP(Multi-PinnedPhase)技术使暗电流显著下降。
EBCCD像敏器的制作过程中最重要的步骤是基底减薄和背面处理。至于减薄CCD的设计,一方面取决于初始材料(硅薄片)和所具有的工艺手段,另一方面取决于未来在真空像管中EBCCD的处理和工作条件。
EBCCD及其倒像管的制作步骤如下,初始(未况薄)CCD的制作;CCD基片测试;切成薄片;单片CCD基底减薄;CCD背面处理(形成电场与光敏面钝化);减薄CCD的最后测试;减薄CCD安装或粘结到特殊的金属-陶盗支座或热电致冷器上;支座用激光焊接到像管壳体;除气及光阴极制作。
《2.2 CCD片减薄》
2.2 CCD片减薄[6]
CCD片况薄可采取二种方式。〇CCD片中仅是光敏区面积况薄,其他面积不减薄。这一结构适用于单片工艺,并能进行各种背面处理,而不会引起CCD像敏器的锗金属化的衰况。@把CCD片的整个面积都况薄并糊合在合适的基底上。但只有途续的“冷“或高温脉冲的背面处理才适用于此方案。CCD减薄结构与相应的制作工艺取决于许多因素,其中起主导作用是晶体尺寸。
下面主要介绍第一种方式。首先对单个CCD基片进行测试与挑选,然后把它们用抗酸的环氧树脂粘贴到聚四氟乙烯(Teflon)盘上。片子的边缘用同样的环氧树脂防护,但留出与CCD成像面相同的没有防护的工作面积矩形窗口。经48h干燧后,将带有基片的盘装到具有刻蚀液的旋转聚四氰乙烯的腔室内。减薄是采用化学蚀刻法,用的是各向同性的硅刻蚀溶液,虽刻是在旋转圆盘系统RDS(Rotating 一Disk - System)上完成，运动的方式是三维的,所以在膜的边缘处通过刻代溶液流与膜层的交互作用而形成三维流体(扩散)边界层。利用这种工艺,可以得到厚度由300μm减薄到8μm,整个光敏面(9.9mmx13.8mm或13.8mmX13.8mm)上的非均匀性小于10%的背照明凑薄CCD。
《2.3 减薄的CCD背面处理》
2.3 减薄的CCD背面处理
在CCD基片减薄后,下一步是背面处理。这一制作步骤的主要目的是在CCD基片中建立一个不小于5x107一10V/em的电场,以减少由于表面复合而引起的信号电子的损失。这一处理可以有多种的有效方法:如背面放电(backsidecharg-ing),闪电选通(flashgate),加偏压的闪电选通(biasedflashgate)以及带有脉冲激光退火的离子注入等其它方法。按目前的试验结果,硼离子注入以及随后的退火是一种最适宜的技术;而且从长期稳定性的观点来看,它也是制作工作状态处在连绩的电子辗击EBCCD的最合适的技术。用这一技术,恰当地选择离子注入剂量和能量,可以得到一个小于0.1um的稳定的“死层“(deadlayer)。其主要目的是达到增益控制范围内的EBCCD增益有尽可能的最高值。
设计一个完美的EBCCD,有二个任务必须解决:在容许的最大加途电压值下所达到的EBCCD增益值要尽可能高;在容许的最小加速电压下所提供的EBCCD增益要尽可能低。满足这些要求便能同时提供高的管子灵敏度和高的增益控制范围。对于这种近于“完美“的器件,可以得到EBCCD增益值约为2400(U=10kV),增益控制范围值直到2000(Un从2kV到10kV变化)。
对于CCD的背面处理,离子注入和随后退火工艺的技术参数经过优化后,最好的EBCCD样品的增益和增益控制范围值非常接近于它们的理论极限。典型的EBCCD增益值在10keV光电子能量下为2000一2200。
《3 倒像式EBCCD像管及其设计》
3 倒像式EBCCD像管及其设计[2]
倒像式EBCCD像管制作工艺是,通过一个真空法兰用激光焊接方式将替代荧光屏的BCCD及其封装体与像管主体相联接。制造EBCCD管时,其工艺与通常一代管略有不同,特别是管体本身外壳的烘烤处理以及退火处理都应小于320C。在此以后,进行多碱光阴极的制作。
有二条途径来提高EBCCD的灵敏度。一是提高光电子入射到CCD的能量,另一是将光阴极入射图像的尼寸缩小成像到CCD像面上。对于缩小倍率的情况,可以看出,其信噪比提高了,532x290 EBCCD的S/N由8(M=1)提高到18(M=0.63),闻值灵敏度由10-5lx(M=1)提高到3X10-6lx(M=0.63)。当照度大于10-4Ix时,空间分辨力约为400TVL,即使在很低的照度5x10-6lx下仍有100TVL的分辨力。
单级EBCCD像管的闻值照度值约为5x10-5lx,它蛮能在5x10-4lx照度以下工作。为了使它能与带MCP的二代管的ICCD竞争,必须提供最小工作照度级,至少要小一个数量级。最好的方法是在EBCCD像管前糊合一个一代管,变成像增强EBCCD,它将输入照度降到(5一10)x10-5lx范围内。像增强EBCCD作为一种高质量微光摄像系统具有广泛的应用前景。
《4 倒像式EBCCD的性能》
4 倒像式EBCCD的性能
《4.1 倒像式EBBCCD的成像特性》
4.1 倒像式EBBCCD的成像特性
俄国Electron与Geosphera公司最早研制的倒像式EBCCD像管为单级一代管与32x290EBC-CD的结合,输入光纤面板窗有效直径为18mm,S-20光阴极灵敏度为(120一180)kA/Im,放大率为1,总的光增益(每一人射光子的电子数)约为200一300,管子为金属-陶瓷结构。管子的输入窗有带有与不带有防护玻璃二种类型。不带防护玻璃的可与其它像增强器耦合。在532x290EBC-CD的基础上,又研制成功780x290(M=1),532X290(M=1/3),532X290变借(M=0.62一1.3),1024X1024变倚(M=0.62一1.3)E-BCCD。表1上给出Electron和Geosphera公司制作的几种典型倒像式EBCCD的性能。
应该指出的是,1024x1024EBCCD,即兆线元数EBCCD变倍管是目前倒像式EBCCD像管中的最高水平。管子放大率(变倍)由0.62一1.3,输入光阴极窗直径为40mm,其平均量子效率在500nm处为10%,输出最大电压为20kV,中心分辨力当M=1.3时为21lp/mm,M=0.62时为43lp/mm,暗计数在15kKV下小于75/s。cmz,畸变小于3%。
《4.2 光阴极的量子效率与均匀性》
4.2 光阴极的量子效率与均匀性
兆线元数EBCCD变倍管的光阴极光谱响应
《表1》
表1 各类倒像式EBBCCD的性能参数
Table1 Performance parameters for various kinds of inverter type EBCCD
见图3。由图3可见,在=500nm处,最大量子效率Q.E.=11%(45mA/W)。看来要达到20%左右的Q.E.是很围难的。由于管子工艺与除气退火需要相对较低的温度(不大于320C),故采用时间延长的工艺过程。
《4.3 EBS增益》
4.3 EBS增益
当1个光电子撞击硅时,便产生若干个电子空穴对,增益G=E/Eu,Eu=3.6eV,E一电子能(eV)。由于“死层(dead layer)中的能量损失,所产生的电子也许不会全部收集到CCD电位降中。图4表示了增益G与入射电子能量的关系曲线,曲线在能量高于4kV处以斜率1/(3.6eV)上升。俄罗斯EBCCD管的一个显著特点是其低能阙值,这是由于电子在基底中的极小损失,于是在15kV能量下获得了增益G=4000。在半导体中倍增的过程产生了增益,但亦伴随着很低的起伏。
4.4 调制传递函数与信噪比
《图3》
图3 倒像式EBCCD的多碱光阴极光谱响应曲线
Fig.3 Multi-basic photo-cathodere sponse curve
《图4》
图4 倒像式EBBCCD的EBS增益随人射光电子能量变化曲线
Fig.4 Curve showing the variation of EBS gains with the energy of incident photoelectrons in inverter type EBCCD
图5给出532x290倒像式EBCCD在M=1,10-3lx面板照度下的MTF曲线。图6中给出变倚EBCCD在不同放大率下的信噪比(S/N)随面板照度变化曲线。
由图6可见,在2X10-6lx的极低微光下可获得S/N=2(M=0.63),这结果较之其它类型像增强CCD(ICCD),如一代管光纤糊合到致冷CCD上,或者是将二代管或三代管光纤糊合于CCD上要好得多。
《图5》
图5 532x290倒像式EBCCD的MTF曲线
Fig.5 MTF curve for 532x290 inverter type EBCCD
《图6》
图6 变倍EBCCD在不同放大率下信噪比随面板照度变化曲线
Fig.6 Curves showing the variations of signal-noise ratios with illumination of the faceplates under different magnification in zoom EBCCD
《4.5 寿命》
4.5 寿命
在实际应用中EBCCD的寿命是一个重要参数。图7,8中给出了3个532x290EBCCD像管的样管上测量的灵敏度与暗电流在10“Ix照度下和10KV的标准电压下运行时间的关系曲线,可以看出,此灵敏度与暗电流实际上在2000h运行后并没有变化。
《图7》
图7 532x290倒像式EBCCD样管灵敏度的寿命曲线
Fig.7 Curves showing life time of sensitivities in the samplet ubes of 532X290
《图8》
图8 532x290倒像式EBCCD样管的暗电流寿命曲线
Fig.8 Curves showing the life time of dark currents in sample tubes of 532X290 inverter type EBCCD
《5 EBCCD与ICCD的信嗓比、MTF和分辩力的比较》
5 EBCCD与ICCD的信嗓比、MTF和分辩力的比较
EBCCD与ICCD微光性能的三个重要参数比较。图9给出了各类ICCD与倒像式EBCCD的信噪比特性比较曲线,由图9可见,EBCCD较之各种类型ICCD在低照度下有更好的信噪比特性。图10给出了ICCD与EBCCD等成像器件的实测MTF曲线,由图10可见,EBCCD较之各种类型CCD有更好的图像传递特性。
《图9》
图9 各类ICCD与倒像式EBCCD的信噪比特性比较
Fig.9 Comparisons of signal-noise ratio for various ICCD and inverter type EBCCD
《图10》
图10 ICCD与EBCCD的MTF曲线
Fig.10 MTF curves for ICCD and EBCCD
表2给出了EBCCD与ICCD在不同面板照度工作时间/下的分辨力。由表2可见,在低照度下EBCCD较之ICCD有高得多的分辩力。
《表2》
表2 EBCCD与ICCD在不同面板照度下的分辨力
Table2 Resolution of EBCCD and ICCD underd different faceplate illumination
《6 结束语》
6 结束语
ICCD由于微通道板(MCP)和纤维光学窗以及荧光屏的影响,其MCP噪声及MTF经多个传递环节衰况使像质显著变坏,ICCD的MTF与信噪比远逊于BCCD和EBCCD。
EBCCD由于理想的增益机构以及极好的MTF特性,已能圆满解决1x10-5lx以下的微光成像问题。无论是高光照或低光照条件下，EBCCD的性能已全面超越ICCD。看来，在解决低微光问题时，近贴EBCCD由于结构尺寸变小，重量更轻，在军事上应用较优于倒像式EBCCD。
从发展上来说，若能提高光阴极与CCD之间的电压(倒像式的可能性更大，且可实现变倍)，减小背照明CCD的厚度，则EBCCD的MTF性能便能进一步提高。
电子轰击CCD像敏器的性能已达到理论预期的极限值。这类成像系统在大多数应用中将取代通常的ICCD成像系统是毋庸置疑的。
国外经过近二十年的探索,EBCCD的技术已趋成熟,EBCCD的关键工艺如减薄与背面处理的技术途径与工艺路线已比较清楚,EBCCD在军用和民用上的应用前景良好。我国已具备研究EBCCD的技术条件,对其研究与开发应提上日程。
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