新型微光成像器件及应用

刘智超，樊桂花，郭惠超，范有臣



新型微光成像器件及应用

刘智超1，樊桂花2，郭惠超2，范有臣1

（1. 装备学院研究生院，北京 101416；2. 装备学院光电装备系，北京 101416）

采用全固态微光成像器件是未来微光成像的发展趋势。介绍了2种全固态微光器件EMCCD、InGa1－As，分析了其成像性能，描述了其研究现状，对比了传统的真空光电成像与全固态微光成像性能指标，阐明了微光成像器件向着高灵敏度、低噪声、宽光谱响应和强适应能力方向发展。

微光成像；全固态微光成像器件；EMCCD；InGa1－As

0 引言

微光成像技术在军事应用[1]、天文观测、医用治疗等方面具有重要前景。微光器件是微光成像技术的关键，其发展经历了以S20（Sb-K-Na-Cs）多碱光阴极与电子倍增微通道板（MCP）为核心的第一、二代器件[2-3]，以砷化镓负电子亲和势光阴极和MCP为核心的第三代器件，和以非镀膜电子倍增多通道板、门控高压电源、砷化镓光阴极为关键部件的第四代器件[4]，它们属于真空光电器件，工艺难度较大，高压强光下容易损毁，适用光谱范围较小。

随着半导体工艺的发展，全固态微光器件问世，其具有量子效率高、响应速度快、噪声低、光谱响应宽等特点，优势显著。其中电子倍增CCD（EMCCD）微光器件和InGa1－xAs全固态微光器件具有代表性。

1 EMCCD微光成像器件

EMCCD由成像区、存储区、读出寄存器、倍增寄存器[5]和读出放大器5部分构成，如图1所示。与传统CCD相比，EMCCD在电荷输出之前经过了电子倍增寄存器，使得微小信号电荷在转移过程中得到倍增放大，实现“片上增益”。其工作过程为：①积分时间内，光子入射到成像区，完成光电转换，光子转换为信号电荷，并暂存在势阱中等待转移；②积分时间结束，成像区电极加载驱动电压，信号电荷转移至存储区；③存储区电极加载驱动电压，信号电荷按行垂直转移至读出寄存器；④同时，行转移信号电荷受到读出寄存器驱动电压作用，水平转移至倍增寄存器；⑤在倍增寄存器中，信号电荷经过强电场加速转移、电荷离子化撞击，产生新电荷而倍增；⑥信号电荷最终由低噪声输出放大器以电压信号的形式输出。在⑤过程中，倍增单元增益一般为0.010～0.015，但倍增寄存器中倍增单元有几百甚至上千个，因而得到的增益相当可观，并且其量子效率较高，高增益下读出噪声低，制冷工艺使得暗电流噪声低等，使得微光条件下可以获得较高的图像信噪比，因此，在空间应用、生物医学、夜视侦查等领域得到广泛应用。

图1 EMCCD结构图

Fig.1 EMCCD structure

1.1 EMCCD成像性能

影响EMCCD成像性能的因素主要有器件噪声、增益、量子效率等，而在微光下，评价其性能的主要指标是成像信噪比。

通过以上分析得知，光子散粒噪声、暗电流噪声和时钟感生电荷噪声等进入倍增寄存器的噪声都会随信号电荷一同倍增放大，且需要用噪声因子进行修正，通过降温、改变时钟频率等来减小或抑制；而读出噪声则通过调节增益大小来抑制。

最终得到总信噪比模型为：

式中：S是输入信号；是总倍增增益；是噪声因子；shot为光子散粒噪声；dark为暗电流噪声；e为时钟感生电荷噪声；read为读出噪声。

与传统微光成像器件ICCD、EBCCD相比，EMCCD制作工艺先进，性能优越，其峰值量子效率可达90%以上[8]，现有技术增益可达到5000倍，读出噪声低于0.1个电子，并且当入射光子数目处于较低水平（约1～100个光子）时，EMCCD的性能优势明显，成像信噪比相对更好，而ICCD和EBCCD会受光阴极探测极限和自身噪声影响而导致信噪比降低。表1是ICCD、EBCCD和EMCCD性能参数对比。国外将EMCCD与ICCD在极低光子输入下的细胞成像性能进行了比较[9]，所使用的EMCCD是Andor Technoloy iXon DV887 512×512背照式EMCCD，像元面积为16mm2，读出帧频为34fps；ICCD是Stanford Photonics XR Mega 10 ICCD，内部含有Gen-Ⅲ像增强器和分辨率为1280×1024的CCD传感器，读出帧频为15fps，有效像元面积为10mm2，实验结果如图2所示。

另外，ICCD动态范围大约3000:1，无CCD模式，强闪光下易饱和损伤，工作噪声较大；EBCCD的二次激发电子使寄生噪声较高，并易损坏，无CCD模式；EMCCD动态范围为8500:1，工作方式灵活，可工作于EMCCD或CCD模式，适合全天时应用。但是，EMCCD在超高速曝光成像方面无法超越ICCD，ICCD门控技术可达皮秒级的高时间分辨率，在高时间分辨率的动态测量方面仍是最佳手段。

1.2 EMCCD发展现状及应用

EMCCD微光成像器件的出现极大地推动了微光成像技术的发展，是近年来国内外研究的热点。

在1983年，S. K Madan发现Si-CCD器件内电荷转移过程发生电荷碰撞电离现象，通过提高转移电极的偏置电压会放大电荷信号[10]。随后，美国J. Hyneeek博士提出了基于倍增特性的微弱信号放大的观点，并通过实验进行验证，对于实验条件的精确控制能够实现几乎零噪声的信号倍增[11]，这开启了EMCCD的研究热潮。

表1 ICCD、EBCCD和EMCCD性能参数比较

图2 EMCCD和ICCD细胞成像图

20世纪90年代俄罗斯圣彼得堡ELECTRON公司与莫斯科Geo2sphera公司合作建成“片上增益”CCD生产线，已有532×290、780×290、1024×1024像素分辨率的产品；美国Scientific Imaging Technologies公司研制的SITeSI502A 512×512像素分辨率的CCD，应用于构成近贴聚焦式“片上增益”CCD[12]。

目前，国际上生产的EMCCD的核心技术一直被英国E2V公司和美国TI公司垄断，E2V公司制造的CCD65芯片和TI公司制造的TC253 SPD-30EMCCD器件最为著名，他们都研制出更适用于高帧频成像技术、低照度下近乎零读出噪音的CCD，但是两家公司的芯片各有所长，TI的器件处理速度更好，E2V则在噪声控制技术方面突出。

在整机研制方面，英国Andor公司在21世纪初首次将EMCCD技术用于其iXon系列超高灵敏度相机，实现了高分辨率、低噪声的微光成像[13-15]，随后，法国First Light Advanced Imaging公司、加拿大NuVu公司、英国Raptor Photonics公司相继推出自主研发的产品。样机见图3，依次是iXon、OCam2、NuVu、Raptor EMCCD相机，具体参数见表2。

图3 iXon、OCam2、NuVu和Raptor EMCCD相机图

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

EMCCD凭借其优良的微光成像性能，广泛用于军事夜视、侦查监控、生物科学研究、光谱成像、星光探测，近年来，EMCCD的空间应用成为热门[16-21]。E2V公司探索了EMCCD增益老化的原因，进行了EMCCD受到空间辐射、伽马射线辐射和质子放射时连续工作的稳定性研究，表明空间辐射对EMCCD的倍增机制无明显影响；自2010年，美国宇航局（NASA）在发射的“快速经济可负担科学与技术卫星”（FASTSat），采用EMCCD作为遥感成像器件，对地球大气热层进行观测；国际空间站的AMS-02设备采用EMCCD作为星敏感器；高能X射线太空望远镜NuSTAR卫星借助EMCCD观测宇宙中最高等级的X射线；欧洲航天局（ESA）发射的Gaia卫星由106块EMCCD组成规模最大的空间相机，以测绘银河系星体亮度，光谱特征、三维位置[22]及运动情况。

2 InxGa1－xAs高性能全固态微光成像器件

EMCCD与InGa1－xAs微光器件同属于全固态微光成像器件，EMCCD的工作特点主要是输出电子通过片上倍增寄存器放大获得高信噪比成像；InGa1－xAs微光器件则是以其对夜天光谱高响应和探测器自身极高的响应灵敏度达到优良微光成像性能。

表2 iXon、OCam2、NuVu和Raptor EMCCD相机成像系统性能参数表

InGa1－xAs微光器件通过调节In组分值，可以响应夜天辐射的主要波段，典型InGa1－xAs微光成像器件的主要光谱响应如图4所示，其响应的波段为0.87～3.5mm，对夜天光辐射的能量利用率高，且覆盖两个重要的军事应用激光波段1.06mm与1.5mm（1.54mm和1.55mm），在高性能夜视应用、红外天文探测、高光谱成像、激光通信、激光雷达等领域具有重要应用[23-25]，采用InGa1－xAs器件的微光成像系统具有功耗低、体积小、稳定性高等优点，为高精度的军事探测提供了保障[26-28]。

图4 InxGa1－xAs器件响应波长曲线图

2.1 InxGa1－xAs微光成像器件性能分析

InGa1－xAs器件与常用的传统真空光电器件相比，在制造工艺、响应机制、光谱范围、等方面优势明显：

1）工艺难度小。InGa1－xAs全固态微光器件在制备方面采用常规半导体器件工艺，通过将探测器芯片和读出电路铟柱互连可完大面阵小像元间距器件的制备或采用侧引互连的方法完成长线列焦平面探测器的制备，器件封装采用半导体非制冷封装，勿需封装在超高真空环境。

2）光谱范围覆盖夜天辐射，能量利用率高[29]。InGa1－xAs器件通过调节In组分含量以调节响应光谱范围，常用响应范围为0.5～1.7mm、1.0～2.2mm、如图5所示，夜天光谱范围大致是从0.5～2.0mm，主要能量集中在1.0～2.0mm内，第三代微光器件最大只能够响应0.9mm的波长，对夜天辐射能量利用率低，InGa1－xAs器件能够响应夜天光谱全部波长，充分利用夜天辐射能量，成像细节分辨力[30]、对比度和亮度比较高，增强了成像信噪比以及探测距离。

图5 夜天光谱分布以及第三代微光成像器件、InxGa1－xAs微光器件的响应光谱范围和量子效率分布

3）暗电流小。器件工艺技术优化，使得InGa1－xAs得到低至10－9量级的暗电流，低压或高温工作过程中，扩散电流能够抑制暗电流。

4）响应速度快。InGa1－xAs属于PIN器件，响应快，且室温下迁移率13800cm2/V×s，用于APD阵列探测器中，响应时间达飞秒级。

5）工作温度要求低。InGa1－xAs具有很好地高温工作特性，器件稳定性高，室温工作探测率达1014cmHz1/2W－1，这是目前室温工作器件最佳水平，无需制冷。

2.2 InxGa1－xAs全固态微光成像器件发展现状及应用

在国外，对于InGa1－xAs器件的研究和应用比较成熟。美国等西方国家在20世纪70年代就开始对InGa1－xAs材料进行研究，对材料的设计、器件的结构等进行了大量的试验研究。目前已形成256×1、512×1、1024×1、6000×1等线列产品，和320×256、640×512、1k×1k等凝视产品，1k×1k的InGa1－xAs器件具有低噪声，高灵敏度探测，在0.9～1.7mm之间量子效率较高，并且具有高温工作特性。如今，英国、法国、比利时、以色列、日本以及台湾等具有自主生产能力，产品在空间探测、安防、自动化检测等领域获得广泛应用。比利时微电子中心研制出320×256的凝视器件，对于0.9～2.3mm范围的波长响应速度快，量子效率高达80%；Xencis公司开发的XS-1.7-640/XS-1.7-320相机，能够响应0.9～1.7mm波段，像元尺寸为20mm/30mm，帧频为20～90Hz；FILR公司利用640×480 InGa1－xAs FPA器件研发的Tau SWIR具有远距离透雾清晰成像的能力，可识别弱光下目标细节，还研制了320×256，640×512的InGa1－xAs FPA，响应0.9～1.7mm的波段；密歇根大学的Matthew Brown利用美国Sensors Unlimited公司制造的1k×1k的InGa1－xAs探测器件展开研究，其像元尺寸为20mm，工作在140K下，其暗电流水平测量为在3e－1/s左右，并且1k×1k的InGa1－xAs器件在温度低于140K时，噪声会被最大程度地抑制，保证了器件的工作稳定性与灵敏度。

InGa1－xAs微光器件主要应用在军事激光探测、远距离观察与监视以及空间应用等[31-33]，在1.06mm和1.55mm处响应灵敏度高，能够精确定位激光位置，图6是无月光的低照度下对楼房上的1.55mm和850nm激光光源成像图，可以清楚看到光源位置点。透雾能力较强，可实现远距离探测，图7所示为雾天InGa1－xAs微光器件成像与普通相机对比图，前者能够清晰的分辨目标物体；由于在1～2.5mm波长的响应性能很好，在20～100km处的临近空间领域的战略性意义重大，国内外正不断探索其临近空间应用。

InGa1－xAs微光成像器件的发展趋势基本以波长扩展、缩小像素间距、提高面阵规模和提高灵敏度为主。器件响应波长向可见光方向扩展和2.5mm及以外的波长延伸[34-37]。在像素间距方面，像元中心距离进一步缩小，单片式器件规格可进一步扩大。InGa1－xAs全固态微光器件以其响应波长与夜天光辐射能量匹配、高性能、低成本、可靠性好、可室温操作等技术优势，在航天遥感、空间探测、探测与定位等方面已经体现出迫切的应用需求，也加快了微光成像技术迈入全固态时代的步伐。

图6 低照度下，对楼房上的1.55mm和850nm激光光源成像图

图7 雾霾InxGa1－xAs成像器件与普通CCD相机成像对比图

3 结束语

新型微光成像器件EMCCD、InGa1－xAs器件凭借其高灵敏度、高量子效率、低噪声、宽光谱响应、强适应能力和工艺简单等优势逐渐在微光成像领域占据重要地位，其应用正从传统的微光监视向航天遥感、空间目标探测、生物医学、军事安防等领域拓展。因此，研发自主创新、高性能的微光成像器件是国内微光成像技术发展的迫切要求，也是我国国防军事现代化发展的重要举措之一。

[1] 谭显裕. 微光夜视和红外成像技术的发展及军用前景[J]. 航空兵器, 2001(3): 29-34.

[2] 王丽, 尚晓星, 王瑛. 微光夜视技术的新进展[J]. 河南科技学院学报:自然科学版, 2007, 35(3): 91-93.

[3] 艾克聪. 微光夜视技术的进展与展望[J]. 应用光学, 2006, 27(4): 303-307.

[4] Estrera Joseph P, Bender E J, Adriana Giordana, et al. Long lifetime generation Ⅳ image intensifiers with unfilmed microchannel plate[C]//, 2000, 4128: 46-53.

[5] 何伟基, 陈钱, 徐融, 等. 基于Z域变换的CCM电荷传输模型研究[J]. 电子学报, 2008, 36(6): 1140-1143.

[6] 王明富, 杨世洪, 吴钦章, 等. 电子倍增器件CCD60噪声特性分析[J]. 光电工程, 2011, 38(7): 145-150.

[7] 许秀贞, 李自田, 薛利军. CCD噪声分析及处理技术[J]. 红外与激光工程, 2004, 33(4): 343-346, 357.

[8] 张灿林, 陈钱, 周蓓蓓. 高灵敏度电子倍增CCD的发展现状[J]. 红外技术, 2007, 29(4): 192-195.

[9] Coates C G, Denvira D J, McHale N G, et al. Ultra-sensitivity, speed and resolution: Optimizing low-light microscopy with the back-illuminated electron multiplying CCD[C]//, 2003: 5139-5156.

[10] Madan S K, Bhaumik B, Vasi J M. Experimental observation of avalanche multiplication in charge-coupled devices[J]., 1983(6): 694-699.

[11] Jaroslav Hynecek. CCM-a new low-noise charge carrier multiplier suitable for detection of charge in small pixel CCD image sensors[J]., 1992(8): 1972-1975.

[12] Sadygov Z, Olshevski A, Chirikov I, et al. Three advanced designs of micro-pixel avalanche photodiode: their present status, maximum possibilities and limitations[J]., 2003, 567: 301-303.

[13] 苏学征. EMCCD技术-单光子水平的成像探测[J]. 现代科学仪器, 2005(2): 51-53.

[14] Andor Technology. iXonEM+ EMCCD Camera:Back-illuminated EMCCD Cameras[EB/OL]. http://www.andor.com/scientific_cameras/ixon/.

[15] 陈闽, 杨胜杰. 电子倍增CCD微光传感器件性能及其应用分析[J]. 电光与控制, 2009, 16(1): 47-50.

[16] Smith D R, Walton D M, Ingley R, et al. EMCCDs for space applications[C]//,, 2006, 6276: 62760K1-12.

[17] Tulloch S M, Dhillon V S. On the use of electron-multiplying CCDs for astronomical spectroscopy[J]., 2011, 411(1): 211-225.

[18] Holland A.[M]. New York: Springer, 2013: 443-453.

[19] Pool P J, Morris D G, Burt D J, et al. Application of electron multiplying CCD technology in space instrumentation[C]//2005,, 2005, 5902: 59020A1-6.

[20] Ingley R, Smith D R, Holland A D. Life testing of EMCCD gain characteristics[J].:,,, 2009, 600(2): 460-465.

[21] Wilkins A N, McElwain M W, Norton T J, et al. Characterization of a photon counting EMCCD for space-based high contrast imaging spectroscopy of extrasolar planets[C]//2014: 91540C-91540C-12.

[22] 胡晓华, 周晓中, 刘松涛, 等. 星载微光立体成像技术及实现[J]. 中国光学, 2013, 6(5):701-709.

[23] Martin H Ettenberg, Marshall J Cohen, Robert M Brubaker, et al. Indium Gallium Arsenide imaging with smaller cameras, higher resolution arrays, and greater material sensitivity[C]//, 2002, 4721: 26-36.

[24] Devon G Turner, Timothy C Bakker, Peter Dixon, et al. The development of, and applications for, extended response (0.7 to 1.7μm) InGaAs focal plane arrays[C]//, 2008, 6940: 694037-1-8.

[25] Alan Hoffman, Todd Sessler, Joseph Rosbeck, et al. Megapixel InGaAs arrays for low background applications[C]//, 2005, 5783: 32-38.

[26] Jesse Battaglia, Robert Brubaker, Martin Ettenberg, et al. High speed short wave infrared (SWIR) imaging and range gating cameras[C]//, 2007, 6541: 654106.

[27] Bora M Onat1a, Wei Huanga, Navneet Masauna, et al. Ultra low dark current InGaAs technology for focal plane arrays for low-light level visible-shortwave infrared imaging[C]//, 2007, 6542: 65420L1-L9

[28] Michael MacDougal, Andrew Hood, JonGeske, et al. InGaAs focal plane arrays for low light level SWIR imaging[C]//, 2011, 8012: 801221-1-10.

[29] 史衍丽, 胡锐, 张卫锋, 等. InGaAs固体微光器件研究进展[J]. 红外技术, 2014, 36(2): 81-88.

[30] Marlon D Enriquez, Michael A Blessinger, Joseph V Groppe, et al. Performance of high resolution visible-for day/night vision[C]//, 2008, 6940: 69400O1-O9.

[31] Li Xue, Tang Hengjinga, Fan Guangyua, et al. 256×1 element linear InGaAs short wavelength near-infrared detector arrays[C]//, 2007, 6835: 68350501-08.

[32] 高新江, 张秀川, 唐遵烈, 等. 320×256 InGaAs短波红外焦平面阵列探测器[J]. 半导体光电, 2009, 30(2): 178-190.

[33] 张卫锋, 张若岚, 赵鲁生, 等. InGaAs短波红外探测器研究进展[J]. 红外技术, 2012, 34(6): 361-365.

[34] FLIR Systems. FLIR SC70000 NIR/VNIR Series.[EB/OL]. 2009[2014-02-13]. http://www.flir.com/.

[35] Alcatel Thales. III-V lab. Cactus SWIR[EB/OL]. 2009 [2014-02-13]. http://www.3-5lab.fr/.

[36] Xenics Infrared Solutions. Xeva-1.7-320 VisNIR[EB/OL]. 2008 [2014- 02-13]. www.xenics.com.

[37] Raptor Photonics. OWL SW1.7CL-320[EB/OL]. 2009[2014-02-13]. http: //www.raptorphotonics.com/.

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

LIU Zhi-chao1，FAN Gui-hua2，GUO Hui-chao2，FAN 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.

刘智超（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向空间光电测量。

国家863计划，编号：2014AA7031024H。