紫外摄像机的介绍及其应用

紫外摄像机的介绍及其应用

[热点技术] 阅读数：585 录入人：admin 日期：2008-6-5 14:35:43

新型紫外技术是继激光探测技术和红外探测技术之后发展起来的又一新型探测技术。因此，紫外摄像机的开发研究对于现代国防和人民生活都有着极其重要的意义。早在50年代，人们即开始了对紫外探测技术的研究，因为它在医学、生物学等领域有着广泛地应用。但是，由于电子器件的灵敏度低，一直未能很好地发展。直到90年代，日本开发出雪崩倍增靶（HARP）摄像管、使得紫外摄像器件获得了较高的灵敏度和较合适的光谱范围，因此而获得广泛地应用。但HARP靶摄像管本身体积大、功耗大、工作电压高，所以由它组装的紫外成像系统的体积也较大，而且功耗和成本高，因此限制了紫外成像系统的应用。基于这种情况，在紫外探测技术领域，人们一直在开发和研究能满足应用需要的固体紫外摄像器件，现已取得了成功，目前已应用有紫外CCD摄像机与GaN基紫外摄像机。

近几年，固体紫外摄像器件在皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。如在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，并可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、白血球、红血球、细胞核等，其检测不但迅速、准确，而且直观、清楚。在军事上，它主要用于紫外告警、紫外通讯、紫外/红外复合制导和导弹跟踪以及监视天空、研究远距离星体等方面。

由于紫外光的波长比可见光短，因而它又叫做“黑光”，因为它可以引起某些材料在黑暗中发光。因此，这种紫外摄像机除在军事与医学领域很有用外，它还在公安刑侦、纸币与证件等防伪检测等方面均有很好地应用（研究曾在纸币防伪中应用)。下面就介绍一下目前已应用的两种紫外摄像机，它们的工作原理、特点及应用，以及紫外探测与成像应注意研究的几个关键技术问题等。

一、紫外CCD摄像机

1、紫外CCD

一般紫外辐射的波长范围为100nm～380nm，而常用的硅衬底的CCD是接收不到的，因为它的波长范围为400nm～1100nm。由于CCD是MOS型结构器件，SiO2栅介质和多晶硅（Poly－Si）栅对紫外（UV）光子均有较高的吸收系数。因此，CCD用于UV光子的探测是非常困难的，因为UV光子几乎不能到达硅衬底。为了避免UV光子在CCD表面多层结构中被吸收，目前采用以下的方法:

在CCD表面淀积一层对UV光子敏感的磷光物质，并通过适当选择磷光物质，将紫外信息转换成与CCD光谱响应相对应的波长。这种磷光物质可以选择晕苯。当用波长小于380nm的紫外辐射激发时，晕苯即发出荧光，其波长在可见光谱的绿光波段，峰值接近500nm。因此，CCD可以接收，它在覆盖晕苯(即在CCD表面淀积一层磷光体)前后的光谱响应如图1所示。

采用深耗尽CCD方法。即采用轻掺杂、高电阻率衬底，使CCD栅下的耗尽区扩展至硅片背面，由背面入射的

UV光子产生的电子被耗尽区中的电场扫进正面。这种深耗尽CCD方法不仅避免了多晶栅的吸收，而且避免了常规掺杂浓度背照CCD必须的减薄。

这种耗尽方法的另一优点是硅片后的高温工序可以进行，并可获得各种各样的钝化结构。

图1 CCD光谱响应图

图2给出深耗尽CCD的剖面结构。背面注入的P＋层可通过降低器件暗电流和增加量子效率来改善CCD背面的特性。这种深耗尽CCD衬底的厚度大约为150μm。

深耗尽CCD方法的缺点是暗电流大，暗电流随空间电荷区的体积线性增加。在室温时暗电流较大，但暗电流将随温度的降低显著下降。对大多数学科的UV应用来说，都很容易实现致冷，因而暗电流不再是一个问题。

图2 亮电阻率衬底深耗尽CCD的剖面图

由于硅在200～400nm波段内的吸收深度小，因此在紫外波段内进行成像比较困难，但现在人们已经找到能够达到良好紫外响应的许多方法。因此，紫外CCD是将硅CCD减薄后涂荧光物质把紫外光耦合进器件，它可使

器件具有在波长从真空紫外到近红外波段摄像力。

而Photometrics公司采用在正面照射的CCD上加一层薄薄的发光转换涂料的方法，这层涂料能把紫外辐射转换成普通CCD能够响应的中等波长的可见光，而不需要对硅本身作专门的处理。在这种情况下，正面照射的CCD在200～400nm的波段内可到20％的量子效率。如再经过适当背面注入处理，涂有特制抗反射涂料并且具有深耗尽层的背面照射CCD，在200～400nm波段内可达到50％以上的量子效率。在喷气推进实验中，首次推出的金属闪光栅可用来代替背照射CCD的注入后经退火的背面。

另一种方法是在薄型CCD背面放置一发光层，这同正面照射方法相似，但量子效率却比较高。

2、紫外BTCCD

日本滨松公司在1998年，开发成功了新型紫外固体摄像器件——薄型背照式电荷耦合器件（即Back Thinned Charge Coupled Device，简称BTCCD），由于采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术，该BTCCD不仅具有固体

摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。

BTCCD是一种薄型背照式摄像器件，它主要由垂直CCD移位寄存器，水平CCD移位寄存器和锁相（定）放大器等三部分组成。其工作原理是，在时钟脉冲驱动下，信号电荷由垂直CCD移位寄存器一步一步地输送到水平CCD 移位寄存器，然后再由锁相（定）放大器变换成电压信号输出。其原理图如图3所示。

BTCCD中的锁相放大器作用比较重要，它有很高的电荷／电压变换灵敏度和很低的噪声，因而该摄像器件的信噪比和灵敏度都很高。

BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率如图4所示。由图4可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部分超过80％，甚至可以达到90％左右。由此可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光。因此，利用BTCCD可作成一种很优秀的宽波段摄像机。

图3 BTCCD概图

图4 固体摄像器的量子效率

BTCCD之所以有很高的灵敏度的原因，这主要是由其结构特点决定的。首先，与FI－CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下; 其次，它采用背照射结构，因此紫外光就不必再穿越钝化层了。

此外，滨松公司还开发出了MOS（Metal Oxide Semiconductor）摄像器件，这种紫外线MOS摄像器件的结构比较简单，制造也相对容易，其量子效率如图5所示。由图5可知，紫外线MOS摄像器件在紫外区的量子效率可达30％，并且也有较高的紫外光灵敏度。

图5 紫外MOS摄像器量子效率

3、紫外摄像用PtSi－SBIRFPA技术

麻省理工学院林肯实验室，在1990年研制成功了160×244元硅化铂肖特基势垒红外CCD（Ptsi－SBIRCCD），它的像元尺寸为40×80μm2; 填充系数为39％; 探测器的有效面积为25×50μm2。紫外、可见光和红外光子产生的电子在PtSi电极积累后转移到埋沟CCD沟道。电荷转移控制由施加到CCD转移栅上的三电平时钟信号控制。