新型微光成像器件及應(yīng)用

劉智超，樊桂花，郭惠超，范有臣

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新型微光成像器件及應(yīng)用

劉智超1，樊桂花2，郭惠超2，范有臣1

（1. 裝備學(xué)院研究生院，北京 101416；2. 裝備學(xué)院光電裝備系，北京 101416）

采用全固態(tài)微光成像器件是未來微光成像的發(fā)展趨勢。介紹了2種全固態(tài)微光器件EMCCD、InGa1－As，分析了其成像性能，描述了其研究現(xiàn)狀，對比了傳統(tǒng)的真空光電成像與全固態(tài)微光成像性能指標(biāo)，闡明了微光成像器件向著高靈敏度、低噪聲、寬光譜響應(yīng)和強(qiáng)適應(yīng)能力方向發(fā)展。

微光成像；全固態(tài)微光成像器件；EMCCD；InGa1－As

0 引言

微光成像技術(shù)在軍事應(yīng)用[1]、天文觀測、醫(yī)用治療等方面具有重要前景。微光器件是微光成像技術(shù)的關(guān)鍵，其發(fā)展經(jīng)歷了以S20（Sb-K-Na-Cs）多堿光陰極與電子倍增微通道板（MCP）為核心的第一、二代器件[2-3]，以砷化鎵負(fù)電子親和勢光陰極和MCP為核心的第三代器件，和以非鍍膜電子倍增多通道板、門控高壓電源、砷化鎵光陰極為關(guān)鍵部件的第四代器件[4]，它們屬于真空光電器件，工藝難度較大，高壓強(qiáng)光下容易損毀，適用光譜范圍較小。

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，全固態(tài)微光器件問世，其具有量子效率高、響應(yīng)速度快、噪聲低、光譜響應(yīng)寬等特點(diǎn)，優(yōu)勢顯著。其中電子倍增CCD（EMCCD）微光器件和InGa1－xAs全固態(tài)微光器件具有代表性。

1 EMCCD微光成像器件

EMCCD由成像區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、讀出寄存器、倍增寄存器[5]和讀出放大器5部分構(gòu)成，如圖1所示。與傳統(tǒng)CCD相比，EMCCD在電荷輸出之前經(jīng)過了電子倍增寄存器，使得微小信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中得到倍增放大，實(shí)現(xiàn)“片上增益”。其工作過程為：①積分時(shí)間內(nèi)，光子入射到成像區(qū)，完成光電轉(zhuǎn)換，光子轉(zhuǎn)換為信號電荷，并暫存在勢阱中等待轉(zhuǎn)移；②積分時(shí)間結(jié)束，成像區(qū)電極加載驅(qū)動(dòng)電壓，信號電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)；③存儲(chǔ)區(qū)電極加載驅(qū)動(dòng)電壓，信號電荷按行垂直轉(zhuǎn)移至讀出寄存器；④同時(shí)，行轉(zhuǎn)移信號電荷受到讀出寄存器驅(qū)動(dòng)電壓作用，水平轉(zhuǎn)移至倍增寄存器；⑤在倍增寄存器中，信號電荷經(jīng)過強(qiáng)電場加速轉(zhuǎn)移、電荷離子化撞擊，產(chǎn)生新電荷而倍增；⑥信號電荷最終由低噪聲輸出放大器以電壓信號的形式輸出。在⑤過程中，倍增單元增益一般為0.010～0.015，但倍增寄存器中倍增單元有幾百甚至上千個(gè)，因而得到的增益相當(dāng)可觀，并且其量子效率較高，高增益下讀出噪聲低，制冷工藝使得暗電流噪聲低等，使得微光條件下可以獲得較高的圖像信噪比，因此，在空間應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)、夜視偵查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1 EMCCD結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 EMCCD structure

1.1 EMCCD成像性能

影響EMCCD成像性能的因素主要有器件噪聲、增益、量子效率等，而在微光下，評價(jià)其性能的主要指標(biāo)是成像信噪比。

通過以上分析得知，光子散粒噪聲、暗電流噪聲和時(shí)鐘感生電荷噪聲等進(jìn)入倍增寄存器的噪聲都會(huì)隨信號電荷一同倍增放大，且需要用噪聲因子進(jìn)行修正，通過降溫、改變時(shí)鐘頻率等來減小或抑制；而讀出噪聲則通過調(diào)節(jié)增益大小來抑制。

最終得到總信噪比模型為：

式中：S是輸入信號；是總倍增增益；是噪聲因子；shot為光子散粒噪聲；dark為暗電流噪聲；e為時(shí)鐘感生電荷噪聲；read為讀出噪聲。

與傳統(tǒng)微光成像器件ICCD、EBCCD相比，EMCCD制作工藝先進(jìn)，性能優(yōu)越，其峰值量子效率可達(dá)90%以上[8]，現(xiàn)有技術(shù)增益可達(dá)到5000倍，讀出噪聲低于0.1個(gè)電子，并且當(dāng)入射光子數(shù)目處于較低水平（約1～100個(gè)光子）時(shí)，EMCCD的性能優(yōu)勢明顯，成像信噪比相對更好，而ICCD和EBCCD會(huì)受光陰極探測極限和自身噪聲影響而導(dǎo)致信噪比降低。表1是ICCD、EBCCD和EMCCD性能參數(shù)對比。國外將EMCCD與ICCD在極低光子輸入下的細(xì)胞成像性能進(jìn)行了比較[9]，所使用的EMCCD是Andor Technoloy iXon DV887 512×512背照式EMCCD，像元面積為16mm2，讀出幀頻為34fps；ICCD是Stanford Photonics XR Mega 10 ICCD，內(nèi)部含有Gen-Ⅲ像增強(qiáng)器和分辨率為1280×1024的CCD傳感器，讀出幀頻為15fps，有效像元面積為10mm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

另外，ICCD動(dòng)態(tài)范圍大約3000:1，無CCD模式，強(qiáng)閃光下易飽和損傷，工作噪聲較大；EBCCD的二次激發(fā)電子使寄生噪聲較高，并易損壞，無CCD模式；EMCCD動(dòng)態(tài)范圍為8500:1，工作方式靈活，可工作于EMCCD或CCD模式，適合全天時(shí)應(yīng)用。但是，EMCCD在超高速曝光成像方面無法超越ICCD，ICCD門控技術(shù)可達(dá)皮秒級的高時(shí)間分辨率，在高時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)測量方面仍是最佳手段。

1.2 EMCCD發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

EMCCD微光成像器件的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了微光成像技術(shù)的發(fā)展，是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

在1983年，S. K Madan發(fā)現(xiàn)Si-CCD器件內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程發(fā)生電荷碰撞電離現(xiàn)象，通過提高轉(zhuǎn)移電極的偏置電壓會(huì)放大電荷信號[10]。隨后，美國J. Hyneeek博士提出了基于倍增特性的微弱信號放大的觀點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對于實(shí)驗(yàn)條件的精確控制能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎零噪聲的信號倍增[11]，這開啟了EMCCD的研究熱潮。

表1 ICCD、EBCCD和EMCCD性能參數(shù)比較

圖2 EMCCD和ICCD細(xì)胞成像圖

20世紀(jì)90年代俄羅斯圣彼得堡ELECTRON公司與莫斯科Geo2sphera公司合作建成“片上增益”CCD生產(chǎn)線，已有532×290、780×290、1024×1024像素分辨率的產(chǎn)品；美國Scientific Imaging Technologies公司研制的SITeSI502A 512×512像素分辨率的CCD，應(yīng)用于構(gòu)成近貼聚焦式“片上增益”CCD[12]。

目前，國際上生產(chǎn)的EMCCD的核心技術(shù)一直被英國E2V公司和美國TI公司壟斷，E2V公司制造的CCD65芯片和TI公司制造的TC253 SPD-30EMCCD器件最為著名，他們都研制出更適用于高幀頻成像技術(shù)、低照度下近乎零讀出噪音的CCD，但是兩家公司的芯片各有所長，TI的器件處理速度更好，E2V則在噪聲控制技術(shù)方面突出。

在整機(jī)研制方面，英國Andor公司在21世紀(jì)初首次將EMCCD技術(shù)用于其iXon系列超高靈敏度相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低噪聲的微光成像[13-15]，隨后，法國First Light Advanced Imaging公司、加拿大NuVu公司、英國Raptor Photonics公司相繼推出自主研發(fā)的產(chǎn)品。樣機(jī)見圖3，依次是iXon、OCam2、NuVu、Raptor EMCCD相機(jī)，具體參數(shù)見表2。

圖3 iXon、OCam2、NuVu和Raptor EMCCD相機(jī)圖

Fig.3 iXon, OCam2, NuVu and Raptor EMCCD camera

EMCCD憑借其優(yōu)良的微光成像性能，廣泛用于軍事夜視、偵查監(jiān)控、生物科學(xué)研究、光譜成像、星光探測，近年來，EMCCD的空間應(yīng)用成為熱門[16-21]。E2V公司探索了EMCCD增益老化的原因，進(jìn)行了EMCCD受到空間輻射、伽馬射線輻射和質(zhì)子放射時(shí)連續(xù)工作的穩(wěn)定性研究，表明空間輻射對EMCCD的倍增機(jī)制無明顯影響；自2010年，美國宇航局（NASA）在發(fā)射的“快速經(jīng)濟(jì)可負(fù)擔(dān)科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星”（FASTSat），采用EMCCD作為遙感成像器件，對地球大氣熱層進(jìn)行觀測；國際空間站的AMS-02設(shè)備采用EMCCD作為星敏感器；高能X射線太空望遠(yuǎn)鏡NuSTAR衛(wèi)星借助EMCCD觀測宇宙中最高等級的X射線；歐洲航天局（ESA）發(fā)射的Gaia衛(wèi)星由106塊EMCCD組成規(guī)模最大的空間相機(jī)，以測繪銀河系星體亮度，光譜特征、三維位置[22]及運(yùn)動(dòng)情況。

2 InxGa1－xAs高性能全固態(tài)微光成像器件

EMCCD與InGa1－xAs微光器件同屬于全固態(tài)微光成像器件，EMCCD的工作特點(diǎn)主要是輸出電子通過片上倍增寄存器放大獲得高信噪比成像；InGa1－xAs微光器件則是以其對夜天光譜高響應(yīng)和探測器自身極高的響應(yīng)靈敏度達(dá)到優(yōu)良微光成像性能。

表2 iXon、OCam2、NuVu和Raptor EMCCD相機(jī)成像系統(tǒng)性能參數(shù)表

InGa1－xAs微光器件通過調(diào)節(jié)In組分值，可以響應(yīng)夜天輻射的主要波段，典型InGa1－xAs微光成像器件的主要光譜響應(yīng)如圖4所示，其響應(yīng)的波段為0.87～3.5mm，對夜天光輻射的能量利用率高，且覆蓋兩個(gè)重要的軍事應(yīng)用激光波段1.06mm與1.5mm（1.54mm和1.55mm），在高性能夜視應(yīng)用、紅外天文探測、高光譜成像、激光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[23-25]，采用InGa1－xAs器件的微光成像系統(tǒng)具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，為高精度的軍事探測提供了保障[26-28]。

圖4 InxGa1－xAs器件響應(yīng)波長曲線圖

2.1 InxGa1－xAs微光成像器件性能分析

InGa1－xAs器件與常用的傳統(tǒng)真空光電器件相比，在制造工藝、響應(yīng)機(jī)制、光譜范圍、等方面優(yōu)勢明顯：

1）工藝難度小。InGa1－xAs全固態(tài)微光器件在制備方面采用常規(guī)半導(dǎo)體器件工藝，通過將探測器芯片和讀出電路銦柱互連可完大面陣小像元間距器件的制備或采用側(cè)引互連的方法完成長線列焦平面探測器的制備，器件封裝采用半導(dǎo)體非制冷封裝，勿需封裝在超高真空環(huán)境。

2）光譜范圍覆蓋夜天輻射，能量利用率高[29]。InGa1－xAs器件通過調(diào)節(jié)In組分含量以調(diào)節(jié)響應(yīng)光譜范圍，常用響應(yīng)范圍為0.5～1.7mm、1.0～2.2mm、如圖5所示，夜天光譜范圍大致是從0.5～2.0mm，主要能量集中在1.0～2.0mm內(nèi)，第三代微光器件最大只能夠響應(yīng)0.9mm的波長，對夜天輻射能量利用率低，InGa1－xAs器件能夠響應(yīng)夜天光譜全部波長，充分利用夜天輻射能量，成像細(xì)節(jié)分辨力[30]、對比度和亮度比較高，增強(qiáng)了成像信噪比以及探測距離。

圖5 夜天光譜分布以及第三代微光成像器件、InxGa1－xAs微光器件的響應(yīng)光譜范圍和量子效率分布

3）暗電流小。器件工藝技術(shù)優(yōu)化，使得InGa1－xAs得到低至10－9量級的暗電流，低壓或高溫工作過程中，擴(kuò)散電流能夠抑制暗電流。

4）響應(yīng)速度快。InGa1－xAs屬于PIN器件，響應(yīng)快，且室溫下遷移率13800cm2/V×s，用于APD陣列探測器中，響應(yīng)時(shí)間達(dá)飛秒級。

5）工作溫度要求低。InGa1－xAs具有很好地高溫工作特性，器件穩(wěn)定性高，室溫工作探測率達(dá)1014cmHz1/2W－1，這是目前室溫工作器件最佳水平，無需制冷。

2.2 InxGa1－xAs全固態(tài)微光成像器件發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

在國外，對于InGa1－xAs器件的研究和應(yīng)用比較成熟。美國等西方國家在20世紀(jì)70年代就開始對InGa1－xAs材料進(jìn)行研究，對材料的設(shè)計(jì)、器件的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。目前已形成256×1、512×1、1024×1、6000×1等線列產(chǎn)品，和320×256、640×512、1k×1k等凝視產(chǎn)品，1k×1k的InGa1－xAs器件具有低噪聲，高靈敏度探測，在0.9～1.7mm之間量子效率較高，并且具有高溫工作特性。如今，英國、法國、比利時(shí)、以色列、日本以及臺(tái)灣等具有自主生產(chǎn)能力，產(chǎn)品在空間探測、安防、自動(dòng)化檢測等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。比利時(shí)微電子中心研制出320×256的凝視器件，對于0.9～2.3mm范圍的波長響應(yīng)速度快，量子效率高達(dá)80%；Xencis公司開發(fā)的XS-1.7-640/XS-1.7-320相機(jī)，能夠響應(yīng)0.9～1.7mm波段，像元尺寸為20mm/30mm，幀頻為20～90Hz；FILR公司利用640×480 InGa1－xAs FPA器件研發(fā)的Tau SWIR具有遠(yuǎn)距離透霧清晰成像的能力，可識別弱光下目標(biāo)細(xì)節(jié)，還研制了320×256，640×512的InGa1－xAs FPA，響應(yīng)0.9～1.7mm的波段；密歇根大學(xué)的Matthew Brown利用美國Sensors Unlimited公司制造的1k×1k的InGa1－xAs探測器件展開研究，其像元尺寸為20mm，工作在140K下，其暗電流水平測量為在3e－1/s左右，并且1k×1k的InGa1－xAs器件在溫度低于140K時(shí)，噪聲會(huì)被最大程度地抑制，保證了器件的工作穩(wěn)定性與靈敏度。

InGa1－xAs微光器件主要應(yīng)用在軍事激光探測、遠(yuǎn)距離觀察與監(jiān)視以及空間應(yīng)用等[31-33]，在1.06mm和1.55mm處響應(yīng)靈敏度高，能夠精確定位激光位置，圖6是無月光的低照度下對樓房上的1.55mm和850nm激光光源成像圖，可以清楚看到光源位置點(diǎn)。透霧能力較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，圖7所示為霧天InGa1－xAs微光器件成像與普通相機(jī)對比圖，前者能夠清晰的分辨目標(biāo)物體；由于在1～2.5mm波長的響應(yīng)性能很好，在20～100km處的臨近空間領(lǐng)域的戰(zhàn)略性意義重大，國內(nèi)外正不斷探索其臨近空間應(yīng)用。

InGa1－xAs微光成像器件的發(fā)展趨勢基本以波長擴(kuò)展、縮小像素間距、提高面陣規(guī)模和提高靈敏度為主。器件響應(yīng)波長向可見光方向擴(kuò)展和2.5mm及以外的波長延伸[34-37]。在像素間距方面，像元中心距離進(jìn)一步縮小，單片式器件規(guī)格可進(jìn)一步擴(kuò)大。InGa1－xAs全固態(tài)微光器件以其響應(yīng)波長與夜天光輻射能量匹配、高性能、低成本、可靠性好、可室溫操作等技術(shù)優(yōu)勢，在航天遙感、空間探測、探測與定位等方面已經(jīng)體現(xiàn)出迫切的應(yīng)用需求，也加快了微光成像技術(shù)邁入全固態(tài)時(shí)代的步伐。

圖6 低照度下，對樓房上的1.55mm和850nm激光光源成像圖

圖7 霧霾InxGa1－xAs成像器件與普通CCD相機(jī)成像對比圖

3 結(jié)束語

新型微光成像器件EMCCD、InGa1－xAs器件憑借其高靈敏度、高量子效率、低噪聲、寬光譜響應(yīng)、強(qiáng)適應(yīng)能力和工藝簡單等優(yōu)勢逐漸在微光成像領(lǐng)域占據(jù)重要地位，其應(yīng)用正從傳統(tǒng)的微光監(jiān)視向航天遙感、空間目標(biāo)探測、生物醫(yī)學(xué)、軍事安防等領(lǐng)域拓展。因此，研發(fā)自主創(chuàng)新、高性能的微光成像器件是國內(nèi)微光成像技術(shù)發(fā)展的迫切要求，也是我國國防軍事現(xiàn)代化發(fā)展的重要舉措之一。

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The New Low Light Level Imaging Devices and It’s Applications

LIU Zhi-chao1，F(xiàn)AN Gui-hua2，GUO Hui-chao2，F(xiàn)AN You-chen1

（1.，,101416,;2.,,101416,）

All-solid-state imaging device is the future trend of low light level imaging. The paper introduces two types of all-solid-state imaging devices, provides an analysis of its imaging performance, description of research status, and comparison with conventional vacuum optical imaging device. It shows the new development direction of all-solid-state low light level imaging device will go towards high sensitivity, low noise, broad spectral response and strong adaptability.

low light level imaging，all-solid-state low light level imaging device，EMCCD，InGa1－xAs

TN223

A

1001-8891(2015)08-0701-06

2015-03-06；

2015-04-02.

劉智超（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向空間光電測量。

國家863計(jì)劃，編號：2014AA7031024H。