高靈敏度電子擴增ccd的發(fā)展

高靈敏度電子擴增ccd的發(fā)展

商業(yè)樣機與芯片夜間成像檢測技術(shù)一直是各國軍事探測的中心，包括英國的電子兩倍技術(shù)（即ecd）。20世紀(jì)90年代,國外軍方在第三代微光像增強技術(shù)成熟后紛紛開展全固態(tài)電子倍增技術(shù)的研究。美國德克薩斯儀器(TexasInstruments簡稱為TI)于1990-3-27和1994-8-9申請了美國專利,英國ANDOR-TECH于1998-9-23申請了歐洲專利。經(jīng)過將近十年的探索,ANDOR推出商業(yè)樣機系列CCD60,CCD65等,商標(biāo)名為L3Vision;TI也推出商業(yè)樣機系列TC237,TC253等,商標(biāo)名為Impactron。其性能已經(jīng)被證實優(yōu)于現(xiàn)有微光像增強技術(shù)。該技術(shù)的特點是高量子效率、高靈敏度、高信噪比、高空間分辨率、高讀出速率、高幀速工作和可變的增益控制,可用于制造單光子檢測的科學(xué)CCD照相機。2001年,英國E2V公司通過商業(yè)渠道獲得EMCCD技術(shù),其中CCD65(其結(jié)點電容為65fF)是首批使用L3C技術(shù)的商業(yè)器件,在50Hz高增益模式下能有效控制讀出噪聲減小到1個電子rms以下。不久,美國TI公司推出Impactron?技術(shù),其中TC253系列采用幀轉(zhuǎn)移、黑白圖像,適用于高靈敏、低噪聲、小尺寸的應(yīng)用場合。對于極微弱光信號的探測,長期以來一直采用ICCD設(shè)備,但其背景噪聲較大在使用當(dāng)中產(chǎn)生諸多不便?，F(xiàn)在,EMCCD技術(shù)的出現(xiàn)克服了這些問題,尤其是在對極微弱光信號的實時快速動態(tài)探測方面具有先天的優(yōu)勢,其探測靈敏度可達到真正單光子事件的檢測。1組成、結(jié)構(gòu)和工作原則無論是E2V公司的L3C還是TI公司的TC系列都在器件中合并了基于碰撞電離現(xiàn)象的固態(tài)電子倍增結(jié)構(gòu)(CCM)。1.1高壓電場轉(zhuǎn)移載荷1992年,Hynecek提出一種新穎的電荷探測概念,對小像素CCD成像探測器很有用。他建議:信號電荷在時鐘驅(qū)動下逐個讀出到輸出寄存器的轉(zhuǎn)移過程中,對CCD成像區(qū)域中的電荷載流子進行倍增。這個建議涉及到在半導(dǎo)體材料中控制電極對建立高壓電場的問題。傳統(tǒng)的操作包括控制、收集、轉(zhuǎn)移信號電荷,而在EMCCD元件中轉(zhuǎn)移過程所需的高壓電場是通過控制相鄰電極間保持巨大電壓差實現(xiàn)的。信號電荷載流子就這樣被加速成為“熱載流子”,在受控電極之間進行轉(zhuǎn)移時發(fā)生碰撞電離得到更多的載流子。盡管每次轉(zhuǎn)移的電荷倍增值很低,一般為1%,但由于實際設(shè)備讀出信號時要求有多次轉(zhuǎn)移,所以信號的總增益量通常是較大的。這里使用的僅僅是雪崩過程的初始階段,即碰撞電離階段,因此稱之為“線性雪崩”。由于伴隨“線性雪崩”倍增過程的附加噪聲很低,所以倍增的信號等級使探測器整體的信噪比大有改觀。這種四相CCM結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖2所示,實際的EMCCD成像器件是由以下幾部分組成的:產(chǎn)生信號電荷的成像區(qū),從成像區(qū)接收信號電荷的輸出寄存器,再從輸出寄存器轉(zhuǎn)移到獨立的倍增寄存器,以及在倍增寄存器元件中通過高壓電場轉(zhuǎn)移電荷時獲得倍增的方法。實際的EMCCD結(jié)構(gòu)與Hynecek所提建議并不完全相同。實際的CCM結(jié)構(gòu)獨立于傳統(tǒng)CCD結(jié)構(gòu),這就好比成像區(qū)與存儲區(qū),倍增區(qū)順理成章地成為CCD輸出寄存器的擴展區(qū)。這樣,倍增寄存器本身及其運行就可以不考慮傳統(tǒng)CCD成像器件運行所要求的參數(shù)及其結(jié)構(gòu),而且傳統(tǒng)CCD也無須為載流子倍增加以改進。1.2輸出工藝測試如圖3所示,實現(xiàn)雪崩倍增所需的高壓電場是在倍增寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的。Ф3加上30~40V的高幅值時鐘脈沖,而Фdc保持低直流偏壓,一般取作2V。其余兩個電極都有典型幅值為10伏的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖。Ф3的高電平與直流偏壓之間的電位差決定了高壓電場的強度,從而調(diào)控倍增因子。為了調(diào)整倍增因子,可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平或直流偏壓。但一般來講,由于Фdc的值不能過小以免過剩電荷溢出,所以調(diào)節(jié)倍增因子主要依靠調(diào)整Ф3的高電平。對于某些應(yīng)用,各級倍增寄存器元件,為實現(xiàn)信號電荷倍增而產(chǎn)生的高壓電場可以隨時間或依賴于元件位置在數(shù)量級上有所變化。但一般來講,要求產(chǎn)生同樣的電場。信號電荷從輸出寄存器通過每個倍增元件串行轉(zhuǎn)移,這樣就避免了列與列之間可能出現(xiàn)的增益偏差,即避免了固定模式噪聲,從而使積聚在成像區(qū)中的每一個像素得到同等程度的倍增。對于倍增寄存器中元件的數(shù)目并沒有嚴(yán)格的規(guī)定,而是根據(jù)實際的信噪比加以改進。如果元件數(shù)目充分多就可以實現(xiàn)光子計數(shù),也就是說,可以實現(xiàn)充分低噪倍增以至于清清楚楚地探測到在各像素中產(chǎn)生電子空穴對的光子。一般要求,倍增寄存器中元件的數(shù)目是輸出寄存器元件數(shù)目的整倍數(shù)。這個整倍數(shù)可以是一倍或多倍,以便兩者能以同樣速率讀出。這樣才能使設(shè)備操作起來與標(biāo)準(zhǔn)行正程同步。從CCD相鄰存儲區(qū)到輸出寄存器的任一行信號電荷是在行消隱期間并行傳送的。然后這些電荷在標(biāo)準(zhǔn)TV行正程期間,從輸出寄存器串行轉(zhuǎn)移到倍增寄存器,與此同時,已經(jīng)轉(zhuǎn)移到倍增寄存器的前一行電荷在行消隱期間暫時保留,此時被轉(zhuǎn)移到電荷探測電路給出一個信號輸出。需要說明的是,任一個倍增寄存器元件的電荷容量都要比輸出寄存器大。這樣,倍增寄存器才可以容納倍增產(chǎn)生的更多的信號電荷。每個倍增寄存器元件都具有同樣的電荷容量,或者越靠近電荷探測電路的倍增寄存器元件的電荷容量越大。當(dāng)倍增產(chǎn)生的信號電荷總量超過倍增寄存器的電荷容量時,為阻止過剩信號電荷溢出到相鄰寄存器元件中,提供一種與成像區(qū)抗光暈結(jié)構(gòu)相似的信號抑制手段。圖4(a)顯示了倍增寄存器的一部分,其中包括了限制信號電荷最大值的方法;圖4(b)(i)顯示了圖4(a)中A-B橫截面上典型的勢阱形狀,圖4(b)(ii)顯示了圖4(a)中C-D縱截面上的勢阱形狀。其中屏障電壓Vb要小于Ф3高電平形成的勢阱深度VФ,這樣任何過剩的信號電荷就被收集到排溝區(qū)中,方向如箭頭所示。Hynecek在不同照度下,對TC253的輸出響應(yīng)進行實驗測試,結(jié)果如圖5所示。它表明對于給定的增益倍數(shù),倍增寄存器的輸出(即通道1ch)隨著光強增大先是迅速增加,而此時溢出寄存器收集到的電荷基本為零;當(dāng)光強超過一定強度時,倍增寄存器的輸出會達到飽和,而溢出寄存器的輸出(即通道2ch)則開始迅速增大,表明排溝區(qū)收集到越來越多的過剩電荷,直到自身也達到飽和。1.3增強gaas光電導(dǎo)光單因素試驗以CCD65為例,前照明方式、背照明方式的CCD與MCP增強GaAs光電陰極進行比較,其中背照明CCD分別裝有紅色與藍色增透膜,它們的量子效率如圖6所示。從圖中可看出背照明CCD明顯優(yōu)于前照明以及MCP增強光電陰極的量子效率。2cd成像技術(shù)EMCCD的應(yīng)用起始于微光監(jiān)視和超靈敏探測的科學(xué)儀器。Pool等人指出太空中充滿危險的電離輻射,但研究表明太空中大多數(shù)的電離輻射對EMCCD的倍增機制沒有明顯的影響,因此EMCCD成為一類其它技術(shù)不可替代的太空科學(xué)儀器。如激光雷達LIDAR、徑向速度分光儀RVS等。D.J.Denvir等人提出利用EMCCD可以對生物分子進行超靈敏探測?；铙w熒光成像系統(tǒng)就是利用高靈敏度的致冷EMCCD進行實時檢測,可拍攝人的肉眼不可見熒光信號。例如生命科學(xué)中的DNA標(biāo)記、藥物發(fā)明、單分子檢測和顯微成像等。Andor’sLuca是一種最新型的EMCCD相機,圖7(a)和7(b)是用Luca相機在晚間拍攝的微光照片,左圖增益11倍,右圖增益110倍。通過對比可以發(fā)現(xiàn)倍增增益110倍時的照片更清析,能顯示出更多細節(jié)。3景噪聲和圖像失真的影響由于EMCCD對信號電荷進行電荷級別的放大