紫外摄像机的介绍及其应用.doc

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100nm380nm，而常用的硅衬底的CCD是接收不到的，因为它的波长范围为400nm1100nm。由于CCD是MOS型结构器件，SiO2栅介质和多晶硅（PolySi）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150m。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200400nm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200400nm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200400nm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FICCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20m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PtSiSBIRFPA技术麻省理工学院林肯实验室，在1990年研制成功了160244元硅化铂肖特基势垒红外CCD（PtsiSBIRCCD），它的像元尺寸为4080m2; 填充系数为39; 探测器的有效面积为2550m2。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。Al光掩蔽层，用于阻止CCD沟道和转移栅中因更大带隙辐射而产生的载流子。日本滨松光电子公司固体事业部，在1998年采用芯片背面减薄膜技术，成功地制作了紫外光谱区摄像应用的PtSiSBIRFPA，其型号为S7030、S7031和S7032系列。S7030、S7031和S7032系列产品具有低噪声和高灵敏度的特点，是紫外区的高灵敏度器件，比世界同类器件从紫外到可见光区的量子效率要高1倍，同时动态范围宽，并可多相位驱动。像元数为1024256元、512128元、51264元，最大读出频率为1MHz; 转移效率99995; 功耗为15mW ; 暗电流为200个电子/像元秒(0，CMMP驱动时); 在56时，其暗电流将降低到原来1/2，它的敏感波长为120200nm，量子效率大于50。4、紫外CCD摄像机紫外CCD摄像机是以(delta)掺杂CCD技术为基础的，它包括一个2.5nm厚的硅掺杂层，该掺杂层用分子束外延（MBE）生长在一个薄的CCD背面，掺杂能增强对由紫外光子照射产生的电子的探测能力，效率几乎可达200%，为增强0.30.7m的灵敏度，可在传感器阵列涂上抗反射涂层，这样可使激活区的画面传递达到256512像元，有效速度为30帧/秒，为便于摄像机操作，其中还可装入实用的电子部件。美国纽约州的COOK公司也向市场提供了Dicampro型增强式制冷型CCD相机，它的曝光时间很短，仅3ns。CCD相机的像元数为12801024像元，并具有12bit的动态范围。其工作波段位于近红外紫外波段。这种相机可用于荧光分析，化学荧光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析以及PIV成像等系统。可用光缆传输从相机到PCI接口板的串行数据。ARP公司与CEA公司合作，研制出一种称为ANIMATERV3X的数字成像系统，该系统的灵敏度为数电子伏至数千电子伏。它采用的是512512像元的高分辨率传感器（TH7895A），这是一种背面照射的薄型CCD传感器，其敏感波段可延伸至短紫外和软X射线区域。入射辐射可直接照在CCD器件上，产生的信息在摄像机头部经数字化处理后，通过光纤可传送给接口卡。ANIMATERV3X的最大优点是能够在紫外和X光波段内成像。二、GaN紫外摄像机上述以硅为基础的探测器不是捕获紫外线的最好办法。为了改进这一技术，北卡罗来纳大学的研究人员与美国陆军夜视实验室合作研制了一种以GaN为基础的可见光盲紫外摄像机。它使用AlGaN化合物来作为感光物质，而不是使用传统的硅作为感光物质。这种摄像机包含一个3232GaN/AlGaN异质结PIN光电二极管阵列。底层为n掺杂的GaN，具有接近20%的Al,其上是一层非掺杂的GaN层，再上是一层P掺杂的GaN层。整个结构建立在一个光能穿过的抛光的蓝宝石基底上。每一个光电二极管都对320nm365nm的光波具有敏感的响应。波长小于320nm的光被AlGaN底层吸收，波长长于365nm的光穿过GaN。增加底层和顶层Al的含量还可改变光电二极管的带宽。1999年，美国北卡罗来纳州立大学夜视实验室和霍尼威尔技术中心研制出1024像元的AlGaN紫外光电二极管阵列，该阵列响应波长为365nm，目前，他们已用该阵列组装成数字紫外摄像机。日益普及的数字照相机现在又迎来了一个新的家庭成员，美国一些科学家发明了可以感应紫外光的数字照相机。这种照相机的工作原理与其他普通的数字照相机相类似，不同之处在于它使用AlGaN化合物来作为感光物质，而不是使用传统的硅作为感光物质。此外，美国国家航空航天局，在1997年研制成功新颖的256256像元GaN紫外CCD，它是把GaN紫外光探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD。从发展趋势来看，随着GaN、SiC和AlGaN紫外光探测器工艺技术的不断改善，GaN、SiC和AlGaN紫外CCD将是今后紫外成像器件的主要发展方向。三、紫外摄像机的应用这里主要介绍紫外辐射探测与紫外摄像技术的应用。1、在军事领域的应用在军事上，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。用于导弹探测与告警为了对付导弹的威胁，导弹入侵的探测与报警是必要的设备。目前导弹的探测与入侵报警方式主要采用雷达工作的主动式探测报警和包括红外、激光和紫外探测告警为主的被动式报警。紫外告警探测器是通过探测导弹尾焰中的紫外线辐射来探测目标的，因为任何尾焰中都含有近紫外（NUV）和中紫外（MUV）线，这为紫外探测导弹并告警提供了可能。美国洛拉尔公司在1998年就为美国海军的C1305直升机和P3S运输机研制成功世界上第一台新型的AAR47紫外探测告警系统，它在太阳光的中紫外盲区内探测导弹尾烟的紫外辐射，从而解决了红外探测告警系统的虚告警问题，并很快装备了美军。在1991年海湾战争中投入实战后，又改进为AAR47A和AAR47B。美国西屋公司在美国海军的资助下也研制出PMAWS2000紫外探测报警器，主要装备在各种战斗机、坦克和装甲车上。在1993年到1994年末，美国海军对PMAWS-2000进行了实验。紫外探测告警系统在问世不到10年的时间内就发展了两代产品十余种型号，从而迅速成为机载导弹逼近探测告警系统的重点发展方向。紫外探测告警系统最显著的特点是将响应波段置于太阳光的中紫外盲区，由于在这个波段内几乎没有自然光辐射，因而背景噪声非常小，从而减轻了信号处理的负担，使得紫外探测告警系统能将虚告警率控制在很低的程度。紫外探测告警是利用“太阳光谱盲区”的紫外波段探测导弹的火焰与尾焰，由于它对太阳光和普通灯光均不敏感，因而虚警率低 ; 同时它不需要低温冷却，不扫描，探测告警器体积小、重量轻。所以，紫外探测告警以其独特的优势日益博得人们的青睐，在导弹逼近探测告警系统（MAWS）的发展中占有极其重要的地位。随着紫外探测与成像技术的不断完善，紫外探测告警系统将为导弹探测告警提供更有效的手段。现在，又研发出一种诸如铝镓氮（AlGaN）的新型探测材料，它对火箭发动机发出的、太阳射线中没有的一种窄波段紫外线波长非常敏感。这种技术将使导弹探测预警系统能够探测出从上方飞来的导弹，并使探测紫外线的导弹探测预警系统更加有效地为地面武器系统预警。用于紫外探测制导尽管红外探测制导是目前导弹的主流制导方式，但随着红外对抗技术的日趋成熟，红外制导导弹的功效将受到严重威胁。为了反红外对抗技术，探测制导技术正在向双色探测制导方面发展，这其中也包括红外紫外双色探测制导方式。在受到敌方红外干扰时，仍可使用紫外探测器探测目标的紫外辐射，并把导弹导引至目标以进行攻击。据报道，美国及北约盟军的陆海军在1989年装备使用的尾剌（Stinger Post）对空导弹中就采用了这种红外紫外双色探测制导技术。美国研制的这种导弹就利用了红外紫外双色探测制导技术，白天飞机反射的日光的紫外波段功率很强，则用紫外波段跟踪目标。夜晚紫外波段辐射功率小于红外辐射，则自动切换成红外波段跟踪目标。美国的“毒剌”导弹就采用紫外红外复合寻的器，法国的“西北风”导弹也采用多元红外紫外复合寻的制导方式。用于紫外通讯紫外通讯具备了许多其他常规通讯方式所没有的优点: 如低窃听率，高抗干扰性、低位辨率、全天候工作等。因此，紫外通讯受到对通讯保密性、机动性要求较高的部门的广泛重视，是一种具有极大发展潜力的新型通讯方式。在美国，20世纪90年代初即研制出低功率紫外通讯系统，目前已有紫外通讯系统的成品出现，并成功地将此技术应用于空间飞行器与卫星间的秘密通讯及海军战舰之间以及战舰与舰载机的联络等方面。此外，紫外辐射探测与紫外摄像完全可用于监视天空、研究远距离星体等方面。并且，还可用足够强的紫外辐射进行紫外干扰，可用火药装添制成具有紫外干扰能力的干扰弹等。2、在医学领域的应用目前，紫外摄像机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。此外，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。3、在公安刑侦、纸币与证件防伪方面的应用在刑事犯罪现场，用紫外摄像机可在非渗透性的光滑表面如陶瓷、打腊的地板、油漆家具表面、相片等物体表面观察到反差加强的犯罪分子遗留下的无色汗液指纹。此外，紫外摄像机还可用来辨别纸币、证件、票据等的真假。4、在工业等其他方面的应用在工业中，用紫外摄像机可大面积监视输电线的隐患(如绝缘子的碎裂，可能会造成停电)提供了一条有效的途径。如用紫外摄像机可探测作为高压输电线和高压设备漏电征兆的电晕放电现象。但这种摄像机只能在夜间工作，因为在夜间，紫外B区域和紫外A区域的太阳辐射不会把这两个波段中微弱的电晕放电效应掩盖起来。此外，还可用于荧光分析，化学荧光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析、天文研究、同步辐射、粒子探测以及闪光照相等诸多领域。 四、紫外探测与成像中应注意研究的关键技术由上可知，紫外探测与成像技术在军事与民用上有着重要而广泛的应用，但还应注意以下几个关键问题的研究:1、必须注意紫外线大气传输理论和散射模型以及仿真系统建立的研究需要指出的是，紫外线大气传输理论和散射模型以及仿真系统的建立是紫外探测与成像技术应用的关键问题之一。因为在众多的紫外应用领域，尤其是军事应用中，无论是进行主动式的“紫外通讯”、“紫外干扰”，还是进行被动式的“紫外探测制导”、“紫外探测告警”，均要涉及紫外在大气中的传输问题。而目前国内人们的注意力绝大多数集中在可见光与红外辐射特性及其大气传输特性的研究上，对紫外传输特性的研究很少，并且紫外传输又涉及多次散射这样一个极其复杂的问题。因此，紫外线大气传输理论和散射模型以及仿真系统的建立的研究，就成为紫外探测及应用技术的关键问题之一。2、必须注意高灵敏度低噪声的紫外探测与成像器件的研制高灵敏度、低噪声紫外探测与成像器件的研制是紫外探测与成像技术的另一关键。常用的紫外探测与成像器件有如下几类: 紫外探测真空二极管、紫外探测光电倍增管（UVPMT），紫外成像型变像管、紫外增强器及紫外摄像