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CCD相机和EMCCD中的光学标准具效应
发布时间:2018-04-18   点击次数:1913次

评价一台CCDEMCCD相机级别高低或质量优劣的一个重要指标是信噪比(SNR)。科学客观的信噪比定义为:

其中,QECCD芯片的量子效率,N**为各种噪声,P为信号入射到像素上的光子通量,GEMCCD的放大倍率(对CCD而言,G=1),F为噪声因子。由上式可以清楚看到,信噪比若想获得提升,不仅要尽量降低各种噪声,更要努力提高芯片的量子效率。

量子效率主要由芯片的光敏硅层吸收光电子的能力所决定,而这层光敏层,亦称扩散区。仅在该区域中,光子转化成电子-空穴对,并由电场禁锢在像素中,然后电荷再依序被读出。

光子可以进入光敏硅层的深度与入射光的波长有关。波长越短,光子进入的行程越短;波长越长,进入的行程越长。前者更靠近硅层表面,吸收深度越小;而后者可以进入硅层较深的内部,吸收深度越大。但波长大于1.1μm的光子,无力创造出一对电子-空穴对,所以不能被硅基CCD芯片所探测。因此,对任何波长大于此的入射光而言,硅基CCD此时均是“透明”的。

下图为入射光波长与吸收深度的关系,可以非常容易地得出如上的结论。

从吸收光子的结构方式来讲,CCD芯片分前感光芯片和背感光芯片两类。前者的典型结构如下图所示:

可见入射光子必须先穿越电结构,才能到达光敏层;在部分入射光子通量到达光敏层之前,又不可避免地被电结构所吸收和反射。在此种结构下,可以被转化成电子-空穴对的光子,其波长下限值大约在350nm,波长更短的光子,由于其对应的吸收区只能存在于光敏层表面,而不能产生电子-空穴对。即便在可见光区,由于入射光通量的结构性损失,QE也仅仅可以达到大约50%。

背感光芯片采取了翻转式工作模式,其光敏层经过特定工艺处理后,直接接收入射的光子。其典型结构如下图所示:

更厚的光敏层为波长更长的光子提供了更大更长的吸收路径,从而提升了芯片在相对较长波长区间的量子效率。背感光芯片通常由于在全波段具有更高的量子效率而在弱信号测量和近红外测量领域中得到广泛应用。

但与背感光芯片提供较高量子效率伴生的一个不利效应,就是其在特定波长范围内产生的光学标准具效应。背感光芯片前后两个彼此平行的表面,构成了类F-B干涉仪的两个镜片,在满足两个表面间距与入射相干光波长匹配条件的情况下,对特定波长范围内的光,形成了干涉条纹。这种干涉条纹,对本真的待测信号,可以施加高达40%的有害周期调制因子,严重削弱了数据的可信性,给科研工作者的工作,带来了大的负面影响。

F-B干涉仪的基本原理,如下图所示:

背感光CCD芯片基于光学标准具效应所产生的典型干涉条纹如下图所示:

如此严重的调制影响,到底是否可以彻底消除?若不能,怎样才能zui大限度地降低其负面作用?我们将在下篇中予以说明,敬请关注。

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