背照明CCD微光成像技术

CCD微光技术

第 2 2卷

第 1期

红

外

技

术

V0 . No 1 22 J n a 20 00

20 0 0年 1月

I r rd nfa e Tec no o h lgy

(纪念《外技术》刊 2红创 0周年专文)

背照明 CC微光成像技术 D3一

竖

旦皇王春，稚允7仲高光电工程系京 10 8 )北 00 1

(北京理工大学

摘要：背照明 C D ( C D)以及电子轰击 C D( B C是当今微光实时摄像技术的最 C B C C E C D)新进展之一，中等微光条件下， C D的性能优于目前的[C和 ST文中对 B C 在 BC CD I C D、 E C D以及 I C的性能进行 7比较， B C CD并讨论 7在我国开展 B C C D和 E C D技术研究和 BC应用的有关问题。

关词光像 c,B D E C键：微盛，c C, B D D C C中图分类号： N 8 . T 365 l前言文献标识码： A

哩胡

文章编号：0 18 9 ( 0 0) 10 0—5 1 0 .8 1 2 0 0 .0 80

在夜视技术、文学与高能物理学等众多应用中需要高分辨率、灵敏度的实时微光电视成天高像在科学技术及半导体工艺高度发展的今天，们研制出了全新的实时微光电视成像器件.照人背明 C D ( C D) C D及以 B C为基础发展起来的电子轰击 C D( B C是当今微光摄像技 C B C。B C CD C E C D)术的最新进展之一，中等微光条件下， C D的性能优于目前的 IC和 ST,所有的光照条件在 B C CD I在下， B C以几乎无噪声的增益以及极佳的 MT ECD F性能使其全面超过通常的 IC C D。 BC C D通过减薄方法去除 C D基片的大部分硅材料，保留含有电路器件结构的硅薄层， C仅使成像光子从 C D背面无需通过多晶硅门电极，可进人 C D进行光电转换和电荷积累，量子效 C即 C其率可达 9%,服了通常前照明 C D的性能限制除在可见光谱区域有极高的量子效率外， C D 0克 C B C也能接受景物在紫外和软 x射线波段辐射，有紫外抗反射涂层的 B C带 C D在 2O 0 mn波长处具有接近 5%的量子效率。而通常前照明 C D的多晶硅

电极将吸收几乎所有的紫外光。 0 C

E C D是在像增强器内用对电子灵敏的 B C代替通常的荧光屏而构成，不需要微通道板 BC CD它 Mc、光屏和纤维光学耦台器，而使成像链的环节减小到最小程度。当减薄到 8~l m的 C D P荧从 2Ⅱ C基片被装到像管内时，背面接受由光阴极射出并经加速的光电子 (其同样也具有近贴式与倒像式电子成像 )当电子进人 B C时，使人射光电子能量散逸，生电子空穴对，, CD硅产得到电子轰击半导体 ( B E S)增益，过程的噪声大大低于 MC该 P电子增益的噪声，是一种“想”件，提供几乎无噪声的增这理器能

益。在管电压为 l v时，B Ok E S增益可达 20,至高达 30,以克服系统的噪声源。 00甚 00足本文将通过 B C E C D以及 f C C D、 B C C D的性能比较，绍 B C介 C D的特点和进展。

2 CCD与近贴 EB D的研究进展 B CCB C与 E C D的研制已经过很长时间，困难在于很难获得均匀的灵敏度。9 CD BC其 0年代以来， 俄罗斯与欧美等国家在技术和工艺上都取得进展，如，兰 P ip公司研制成功高性能静电聚例荷 hl s i焦、/率的 E C D像管， C D具有 6 2×2 8像元数，还未达到商品水平。俄罗斯圣彼得 13倍 B C其 C 0 8但堡的“ l t n公司与莫斯科的“ op ea公司合作建成了 E C D像管的生产线，有 5 2× Ee r” co Ges h r” BC已 3 九五国防预研基金项目编号： 9 7;稿 1期：9 9 46 G6 6收 3 19￣9 J 8

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刘广荣等：照明 C D微光成像技术背 C

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20 8 9 .70×2 0 0 4×12 9,12 0 4像元数的静电聚焦倒像管的商品出售。美国 S i ti h aigT c— ce ic n gn eh nfn lge ST )司已研制成功型号 sr I0 A, l×5 2线元数的 C D,于构成 B C和近贴 0 is( Ie公 o IeS 5 2 5 2 1 r C用 CD聚焦型 E C D。 B C

美国在 B C C D与近贴型 ( A Ga s光阴极 ) B C上，别是在 B C的性能上

取得了令人震惊 E CD特 CD的成就，其报道几乎未提及有关工艺。图 l给出了美国 ST但 Ie公司 S5 2型 B C和美国 It— I0 A CD ne v c公司制作蓝延伸 G A光阴极的量子效率曲线。可以看出： a as C D的量子效率约为 G A B C a s光阴极的 5倍；

在可见区内， C D的量子效率达 9% . BC 0即它能几乎“想”理地将每一个人射光子都转换为在

电荷收集阱中的信号； C D在 8 0 m至 1 0 1区域内 (一光谱区域与夜天空的辐照相匹配 )有很好的响 BC 5n 01 0 m这也应

当光照等级下降到信号电子低于噪声源之和的量级时，C D就需要增益级。 E C D雪崩过 BC BC程的增益随加速电压上升而上升， 2中示出了用 S5 2图 I0 A型 B C C D制作的 E C D的加速电压一 BC增益曲线。对于近贴 E C D,然高的加速电压对 MT BC虽 F有利，当加速电压高于 1 k时，产但 8 V将生 x射线并增大 C D的暗电流， C因此，常近贴 E C D都工作在 1 8k以下。通 BC . V

钎

圈1 B C C D与岫光阴极的量子效率曲线Fg 1 Q atm e c nyfr akiu iae n i. u nu f i c bc -lm ntda d i f e oa ltin d C h n e CD a d a Ga s p o o c t o e n A h t ah d

图 2背照明、薄 C D的增益随加速电压变化曲线减 CFi Cuv fg i s a c lrt g vla efra g2 re o an v c eeai otg o nb c l t i ae n h n e D a k i u n r t d a d t i n d CC l t

3 BCC I D与 B D的性能比较 E D、CC CC为了比较几种成像系统的性能，面对 B C I C和 E C D等三类成像系统的典型性能参下 C D, D C BC

数进行一些比较，中成像系统的构成如下：其 B C ST I0 A型 B C ( 1 C D:I eS 5 2 C D 5 2×5 2像元数 ) l;

ICD: t a司 G A光阴极像管 (别率 4 1/ m) S5 2 FC D耦合； C I e c公 nv as鉴 5

p r与 I0 A C a

# 辟

近贴 E C D: a s阴极与 ST I0 A型 B C B C GA光 IeS 5 2 C D。

3 l增益噪声因数 如所周知，增强器的增益也伴随着噪声，型三代管的噪声因数 ( os i ue约为 4当应用像典 N i gr) ef, MC P时，噪比通常将减小一半。对于 IC当改变 MC信 C D, P的电压时，电子增益在 3 0~7 0间变化， 09

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但 MC P增益过程的噪声将使像管信噪比值约下降一半， MC且 P也使器件 M F下降， I F的衰 T而￣ I T减也将剧烈地降低成像器件的信噪比。对于 E C的 E S倍增过程只产生非常小的信号起伏即 BC D B

Fs ao噪声， B C的噪声因数约为 1O, E C D可得到比标准三代管 IC a ECD 9故 B C C D更高的信噪比。3 2调制传递函数 M F . T 3种系统的 MT F可分别近似表示为： MT Bc= sn口 ) ( )= s e厂 F cD i( / 0厂 i ( ) n () 1

MT Ⅱ= ep{ f 20 1}x[ 2 17e￣ F x一(/ 00.) (J( r ( f)

) xsn ( )] ie口，

() 2

MF c=i( )[4 ) x一 ( )[ 0￣ ) ( T o s。 e一 ( )e[一d 1 fx一 J 3Ⅲ n x c p Jp ]— e ) P其中，空间频率 (/ m)。为 C D像元的线性尺寸 (i; 1一级贝赛尔函数；,为 1 m; p C il J是 l n) y是光纤耦合器的孔间距；为电子发射初电位；为加速电位；为光阴极到 C D的间距；为减薄 C D E L C C的外延层厚度 ( mm)为 C D的耗尽层厚度 ( l;为平均散射能量 E S增益； o为人射电子； d C il G i n) B c能量 EB S增益；为后向散射系数； 2为 B C C D的厚度。

具体的数据计算可知： C D具有最高的传递特性，B C次之，C D最低。 BC ECD IC3 3鉴别率及微光性能 .表 l给出了 C D、 B C倒像 ) B C与 I C的量子效率及其相机的微光性能 C E C D(、C D CD 3 4其它特性的比较

表 2给出了典

型微光摄像机的归一化性能参数比较，中数值均是相对值，噪比 ( N的量表信 S R)度是上述各性能参数的乘积。一般认为：响应度、元数、声因数、阴极暗电流、 C暗电流、线噪光 CD

读出噪声和 MT F等 7个性能参数影响微光摄像机的信噪比，中等光照下，益并不十分影响信在增噪比，它未在信噪比量度中列人。由表可见：故

B C C D的像质优于 IC C D近 2 0倍，于 E C D近 5倍；优 BC B C C D的良好性能得益于高量子效率和高 MT F值 .在微光下，但即使高量子效率和高 MT F也不足以弥补靶面接受的有限光子数。 虽然表中的性能比较方法是非常简化的，不反映所有的光照条件以及所有空间频率下的系且统性能，是对于比较器件的相对性能仍是有效的。但

表 3给出不同面板照度条件下的系统分辨率比较：在低微弱光条件下，E C D较之 B C与 BC CDI C有更好的性能， C D在 l l CD B C O x照度下较 I C C D要略好一些， l l在 O x下 I C比 B C CD C D要好一

些。表 1 C D、C D、 B C B C的量子教率与系统微光性能比较 C IC E C D、 C D

T be1 Q atm e i ec n efn ac nlw l h v lo C al u nu fc nya dp r ns e0 g tee frC D.1C E C D a dB C i o t o i l C D。 B C n C D c D,C D, B C B CD c I C E C D, CC CD

子效率 Q E.( 绿光 )3%~4% 0 0

系统微光性能

1I x

E C D倒像式 ) BC (BC CD

1%一1% 0 5帅%

<1 5x 0 l1 0~ 1 3I 0— x

IC CD(=1 /16

一代管耦台 C D C一代管耦台制冷 C D C

1%~1% O 5

7×1— I 0 5x5×1— l 0 5x

S N=I/ )

二代管耦合 C D C三代管耦台 C D C

1一 x 0 l8x1 5x 0— l

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剂广荣等：照明 C D微光成像技术背 C

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表 2 B C IC C D、C D和倒像式 E C D摄像机的归~化

微光性能比较 BCT b e 2 Re o u i n o CCD,I D n iv r d i g CCD i g r t i e e c l mi a i n a l s l t fB o CC a d n e L ma e EB e ma e o d f r n e i u n to l

参数()应度 1响 ( )元数 2线 ( )声因数 3噪 ( )阴极暗电流 4光

BC CD4 1 1 】

IC CD1 1 l2/ 1

E C D近贴式 B C1 1 11】/ . 1

() C 5 C D暗电流()出噪声 6读( M' 7) I T

1125

111

1ll 7

( )噪比 (wa)度 8信 s量 ( )益 9增

l O 1

04 . 60 0

l 4 20 5

表 3 B C近贴 EB C C D, C D与 I C C D在不同面板照度下的分辨率F g 3 No mai e e f r n e 0 o l h e e o CD、I D n n e Ld i g CCE i g r i. r lz d p ro ma c n lw i t lv lf rBC g CC a d i v r e ma e EB ma e

种类 BC CDE BCC D

面板照度 (辨率 )分 1 0。 l( 4l/×1 x 1 p mm)1× 1 l ( 4 l/ 0 x 1 p mm)

面板照度 (辨率 )分 3×1 0“ L( 4l/ m1 x2 p m3× 1 0。 l( 6 l/ x 2 p mm 1

面板照度 (辨率 )分 3×1 h 4l/n 0 f pt m)3× 1 l 1[/ m ) 0 x( 8 p r a

IC CD

1 0 l(41/ m)×1 x 1 p r a

3 1 l(6l/ m)× 0 x 1 pr n

3×1一 x 8l/ 0 l( p mmj

图 3给出 B C I C与近贴 E C D的归一化信息量，表示在某一光照下，噪比对所有 C D,C D B C它信空间频率的积分。由图可见，比较高的光照下， C D由于有良好的 M F性能，能将更多的信在 BC T故

息传递给用户；更低的微光下 E C D由于其好的 MT在 BC F性能与几乎无噪声的增益便能提供更多的信息

综上所述，微光条件下，噪比和 MT在信 F共同决定了通过成像系统的信息量，因此 B C虽然 CD没有借助附加的增益级，高灵敏

度和良好的 M F特性仍使其具有微光性能， I C则困低但 T而 CDMT F和 S NR降低了系统识别高空间分辨率的效能。实际上， 1一~1 l范围内， C D的在 0 0 x的 BC信息量比 I C C D提高了二倍多 ( S从 NR曲线所占面积积分求得 ) E C D更由于其高 MT 及无，B C F

噪声的增益，能在所有光照条件下获得高分辨率图像 E C D具有比 I C高 1 BC CD O倍的信息量。

4结束语I C由于 MC光纤面板窗及荧光屏的影响， P噪声及 MT CD P、 MC F经多个传递环节衰减使像质显著变坏， MT故 F与信噪比远逊于 B C C D和 E C D。 BC 在一般的低光照条件下， C D的性能优于 IC B C C D。鉴于不少实际应用场合往往是低光照条件，郊外环境或乡村有月光的环境，此 B C能胜任大多数应用。如因 CD

视频 B C C D像敏器件与 E C D像敏器的性能已达到理论极限值。这二类成像系统在大多数 BC应用中取代通常的 I C成像系统已是毋庸置疑的了。 CD 本文认为，外经过 2国 0年的探索与努力， C D和 E C D的技术已趋成熟。 B C的关键工 BC BC CDI l

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Jn 2 0 a 0 0

艺如减薄与背面处理的技术途径与工艺路线已比较清楚。 B C C D和 E C D在军用和民用上具有 BC良好的应用前景，国已具备研究 E C D的技术条件 (代管、代管是成熟的，代管 C D工艺我 BC一二三 C已研究多年 )研究与开发 B C, C D与 E C D技术应提上日程。 BC 参1 W I… l l

考

文

献

G . i e me L. o s n C M Renh i r A J hn o 0. t e肌 d e￣ to— mb r e l r n bo a d d c e

Ba k ihmiat d c .l n e C CD 1 S P坩

H tl v l i gn y t m fo e e ma i g s se pe￣

l 9 2 1 0 9 5 2 8—2 23

2 Da i e k . s o d n n oIN Ko s vV o s y L Y,e zvk t De g i e￣ f b l ai tch o o y

f h n e a re to n e n l g o t i a d

b c sd￣ c t D i g a k i e x ixlCC t ma m￣ al t e f mi f『 h a l o d y

te ne L e ee to b mbad d h it f d l crn-o msi r e CCD i g ma et b SP E, 99 2 u es t 1 5. 551 1 7—2 5:9 0 3 S h e e A R .Va an e a fr r l R H .Co e J.H a vr d Me a i e CCD t l l g ba k i e r fr s t gpxl h nn n/ c sd p o e a s S C sP强 . e to u s a d I g n e s— AI Elc r n T be s ma e I t n i i b. 1 92 6 5: fe 9 l 5 41~49

圈 3 B C近贴 E C D和 1C的图像耗时 C D、 B C CD信息量的比较 (柱表示信息量 )条Fi 3 Ba r ph ho ng r l tv n o m ai n fi a e f g r g a s s wi e a e if r to o m g or i

4 Tas T e 0 C a b bn e a k i e sl C. h n zY. h b a J T in d b c sd n dd umi t d CCDs f r UV i g n s E . 98 9 2: 0 l nac ma i g pf 1 8 3 3 5—31 o 0

BCC,I D a r xmi BC D CC m d p o i t E CD ma e y i gr

5 Da bne k , z’ i A, dy rv A H n o1N Ku r n G Ma￣ o V, al 7一 l 6 72

Th￣ clb c sd l n n tdCCD frUV a d XUV p l ain Pt, 9 i x a k ieil f ae u o n a pi t S E 1 9[ 1 49 c o 4

作者简介：刘广荣，,9 6年生，9 2年毕业于北京工业学院。北京理工大学副教授，男 15 18在职博士研究生，曾获部级科技进步二、三等奖。 周立伟，,于 13男生 9 2年。15 9 8年北京工业学院毕业 .9 6年前苏联列宁格勒电工学院毕业获工学博士学位。 16 现为北京理工大学教授、士生导师和首席科学家，博曾获国家科技进步二、等奖及部级科技进步一等奖，三已发表

学术论文 1 0余篇。 0

Te hno o y o c Il m i t d c l g fBa k lu na e CCD or Lo Li v lI a n f w ghtLe e m gi gL U a g t n I Gu n -o g, Z HOU L - i i we,W ANG o g c u,GAO Z i u Zh n— h m h- n y

( e'gIst ehoo y.B in 0 0 1 C i B on ntNeo Tcn l i i f g e . 10 8, hn i fg a)

A s at B c—lmiae C ( C D)a deet nbmbre C ( B C b t c: akiu ntdC D B C r l n l r—o addC D E C D)a e soeo co sw l i n f lt e r c n e e o me t i u r n o l h e e e lt ma i g t c n l g h e e t d v l p n s n c r e tl w i t lv l r a— me i g n e h o o y, a h e fr n e o g i s t e p ro ma c f BCC s b t r t a h S fc n e t n lI D i e t n t O O o o v n o a CCD a d S T u d rmo e a e lw- g tl v 1 h s p p r o e h i n I n e d r t o l h e e .T i a e c m- i p r s t e p r r n c s o CC,EB a e e f ma e fB h o D CCD a d I CD,a d d s u s st e r l td is e c e[ h a d p n C n ic s e e ae s u s i r: a c n — h n s p ia in fB l t s o CCD a d EBC c o n CD tc n lg 1 O r c u . e h o o y i U o r" 1 t Ke r s: l w l h e e a g; C y wo d o i tlv li n g m CD; B CCD; E BC CD

l 2

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