（电子科学与技术专业论文）基于gmapd的光子计数成像技术研究.pdf

摘要博上论文 2 0 1 4 6 、5 5 5 6 、1 l l l 。 g m a p d 单光子计数器工作于门控方式，根据统计光学理论，确定g m a p d 单光 子计数器输出的光子计数值为离散型随机变量。光子计数平均值与探测点处的入射光 强、探测时间、探测器光敏面的面积和量子效率成正比，与入射光的频率和普朗克常数 成反比，光子计数平均值可以反映入射光场特性。采用蒙特卡洛方法建立成像仿真模型， 通过仿真获得了光子计数图像，分析了时间、光照强度和器件量子效率对成像结果的影 响。仿真结果为基于g m a p d 的光子计数成像系统的搭建打下了理论基础。 在理论分析和仿真研究的基础上，设计并建立了基于g m a p d 的光子计数成像实 验平台。利用平台进行了g m a p d 光子计数值与光照关系标定和分辨率测试。测试数 据显示在不同光照环境下光子计数值与照度呈分段线性关系，平台最小分辨角为 2 0 6 0 8 0 。在2 3 1 0 。5 l x 照度下，对目标进行成像探测，得到了质量良好的光子计数图像。 研究了实验平台参数设置的变化对光子计数图像的影响，对绿色植物、枯草和混凝土在 夜天光光谱范围和单色光谱进行成像研究。实验结果证明，基于g m a p d 的光子计数 成像探测方案切实可行，它为微光成像探测领域提供了一种提高成像系统探测灵敏度和 信噪比的有效方法。 关键词：雪崩光电二极管，盖革模式，光子计数成像，统计光学，等效电路模型，光 谱分布 i i 博士论文基于g m - a p d 的光子计数成像技术研究 a b s t r a c t i i lo r d e rt oo b t a i nm el l i g hq u a l i 锣i i i l a g em a tp r e s e n t st h ef e a t u r e so fm et a 玛e ti i l l o 、- l i 曲tc o n d i t i o l l ，l o w l i g h ti m a g i n gs y s t e mr e q u i r e sp h o t o e l e c t r i cd e v i c e sw 1 1 i c ha c l l i e v e p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n 谢t hm u l t i p l i c a t i o nd e m a i l dh i 曲e rs e n s i t i v 时a i l dl l i 曲e rs i l l g a lt o n o i s em t i o 1 1 1 e r e f o r e ，av a r i o u sk i n d so fp h o t o e l e c t r i cd e v i c e sh a v eb e e nd e v e l o p e d a m o n g t h e m ，a v a l a i l c h ep h o t o d i o d e si i lg e i g e rm o d eh a v eg a i n e ds i g l l i f i c a n ti n t e r e s t si nt 1 1 ef i e l do f l o w - l i g h td e t e c t i o nd u et oi t ss i n 哲ep h o t o nd e t e c t i o nc 印a b i l i t ) ，谢t i lh i 曲s n r a l l s o l i d - s t a t e s 咖c t u 】r e ，r 印i dr e s p o n s e ，i i l s e n s i t i v et om a g n “cf i e l d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na a l du 1 1 i q u e p u l s eo u t p u t s t h ec h a r a c t 面s t i c so fg m - a p da i l di t sa p p l i c a t i o ni i lp h o t o nc o u i 】t i n gi m a g i n g w e r es t u d i e di l lt h i sw o r k 7 r h ee l e c t r i c a lc h a m c t e r i s t i c sa i l do p t i c a lp r o p e n i e so fg m a p d w e r ea i l a l y z e di 芏l l et i l e o r y t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r es i m u l a t e db ya ne q u i v a l e n t c n u i tm o d e la n dad e t e c t i o nc n u i tm o d e l t h ed i s 仃i b u t i o i l so ft h ep h o t o n e l e c 仃o ng e n e r a t e d b ym ed i 脑r e n tg m a p d sw e r ec a l c u l a t e di i lt l l ev a r i o u ss p e c 舰lc o n d i t i o n so fn i 曲ts k y r a d i a t i o n a ni m a g i n gs i i n u l a t i o nm o d e lb a s e do ng m a p d 、a se s t a b l i s h e da c c o r d m gt 0 s t a t i s t i c a lo p t i c st h e o 巧a n dm o n t ec a r l om e t h o d ap h o t o nc o u m i n gi m a g i i l gt e s tp l a t f o m b a s e do ng m a p dw a sd e s i 印e d 趾i ds 帅t t l ei m a g i n gd e t e c t i o no fm et 鹕e tc a nb e a c l l i e v e do nt h ep l a t f o mi i lt l l el o 、l i g h te r 砷m e n t t h eg o o dq u a l i t ) rp h o t o nc o 眦t i n g i m a g e s 、耽r eo b t a i n e d a tt l l es 锄et i m e ，al a 玛en u m b e ro fe x p e r i m e n t so nm ep l a t f o m v e r i f i e dt h er e s u l t so f 吐l e o r e t i c a la l l a i y s i sa i l dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d i 够o fm em o d e l t h ee x c e l l e n tp e 响册a n c e so fg m - 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a p do u t p u tp u l s ei n c r e a s e d h o 、e v e r ，a st h ev a l u eo ft h e i a b s t “i c t博士论文 p 锄弱i t i cc 印a c i t a n c ea i l dl o a dr e s i s t a i l c ei 1 1 c r e a s e d ，t l l ed e a dt i m ei n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y ， w l l i c hr e s u l t e di nr e d u c i n gd e t e c t a b i l i 移o fg m a p do np h o t o n s t h ep h o t o nd i s t r i b u t i o n so fr l i g h ts k yr a d i a t i o nw e r es t u d i e di i lf i mm o o n l i g h t ，h e a v ) r c l o u d 向l lm o o l l l i g h t ，c l e a rs t a r i i g h ta i l dh e a v yc l o u dn om o o i l l i g h tc o n d i t i o n s t h ed e n s i 够o f o f 恤p h o t o nm g e d 舶m 2 5 3 10 1 2 m 2 s 阻t o6 9 6 10 1 5 m 2 s 岬u n d e rm o n o c h r o m a t i c r a d i a t i o n t h en l m l b e ro ft h et o t a lp h o t o nw a sf 如m3 7 6 1 0 1 5 n 1 2 st o5 7 5 1 0 1 6 i n 2 si 1 1m e 1 1 i g h ts k ys p e c t m i i lo nd i 仃宅r e n tw e a t h e r t h en u m b e ro fm ep h o t o e l e c t r o np e rs e c o n d g e n e r a t e d b yp h o t o e l e c t r i cc o “v e r s i o ni ns ig m - a p da n di i l g a a sg m a p dw e r ec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt og m a p d sp i x e ls i z e ，q u a i l t me m c i e n c y s ig m - a p dm a d eg o o du s eo ft h e p h o t o n sm d i a t e di i lm o o i l l i 龇c o n o i l ，m e 肌m b e ro fm ep h o t o e l e c 仃o n 、娜1 0 1 6 3 3 8 ， 2 5 4 0 8 4 ，17 3 0 3a i l d3 4 6 0p e rs e c o n di nn i g h ts k ys p e c 饥吼i nm nm o o l d i g h t ，h e a v yc l o u d 伽l m o o i l l i g h t ，c l e a rs t a r l i 曲ta i l dh e a v yc l o u dn 0m o o l l l i 曲tc o n d i t i o i l s ，r e s p e c t i v e l y i i l g a a s g m - a p dh a das 仃o n gr e s p o n s e 舶m0 8 岬t 01 7 岬f o ri n g a a sg m - a p d ( s ig m - a p d ) ， 吐i en 啪b e ro ft h ep h o t o e l e c t r o nw 邪6 0 2 3 2 5 ，1 5 0 5 8 l ，3 6 2 3 0 2 ，觚d7 2 4 6 0 ( 8 0 5 8 4 ，2 0 1 4 6 ， 5 5 5 6a i l d1 11 1 ) p e rs e c o n do nt h ea b o v ef o u rw e a t h e r ，r c s p e c t i v e l y g m a p ds i n g l ep h o t o nc o u m e rw a l so p e r a t e di i lg a t e dm o ( 1 e t h ep h o t o nc o u l l t i n g v a l u e s 、e r ed i s c r e t et ) ，p er a n d o mv a r i a b l e sa c c o r d i i 培t os t a t i s t i c so p t i c a lt 1 1 e o r y i tc o u l db e c o n c l u d e dt h a tt h ea v e r a g ep h o t o nc o 吼t i n gv a l u e sw e r ep r o p o n i o n a lt 0t 1 1 eh l c i d e n tl i g h t ， d e t e c t i o nt i i i l e ，p h o t o s e n s i t i v es u r f a c ea r e aa n dq l 舢t u r l le 笳c i e n c yo fg m a p da n di n v e r s e l y p r o p o r t i o n a lt ot h e 能q u e n c ya 1 1 dp l a i l c k sc o n s t a n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n c i d e n tl i g h tf i e l d c a nb er e n e c t e db yt h ea v e m g ep h o t o nc o u m i n gv a l u e s t h em o r l t ec a r l om e t l l o dw 嬲 a d o p t e dt od e v e l o pa ni m a g i n gm o d e l t h ep h o t o nc ou 1 1 _ t i l 培i m a g e sw e r eo b t a i n e db yt t l e s i m u l a t i o n s f u r r t h e m o r e ，t h et i i i l e ，l i g h ti n t e n s i t ) ra r l dq 啦m t u i i le f h c i e n c yo ft l l ed e v i c ew e r e c h a n g e dt o o b s e n ，et h ee 妇f e c t so nt l l es i m u l a t i o nr e s u l t s t h et h e o r e t i c a lf o u i l d a t i o nw 嬲 s u p p l i e df o rt h ed e s i g l lo ft h ep h o t o nc o u n t i n gi i l l a g i n gs y s t e mb a s e do ng m a p d t h eg m a p d - b a s e d p h o t o nc o u t i n g峨i n gt e s tp l a t f o r i i l w 硒 d e s i g n e d a n d e s t a b l i s h e db a s e do nt 1 1 et h e o r e t i c a la n a l y s i sa r l ds i m u l a t i o ns t u d i e s t h ep h o t o nc o u n t i n g v a l u e sa n di l l u i n i n a t i o nc a l i b r a t i o na i l dr e s o l u t i o nt e s tw e r ea c l l i e v e do n 也ep l a t f o r m t h e t e s t i n gd a t as h o w e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h o t o nc o u l l t i i 培v a l u e sa n di l l u l 血1 a t i o n w a sp i e c e w i s el i n e a ri nd i 茂r e n ti l l 啪i n a t i o nc o n d i t i o n s ，t l l ei i l i i l i m u l l lr e s o l u t i o na n g l ew 嬲 2 0 6 0 8 。w i mt h ei m a g ep r i n t e da sm et a r g e t ，t h eg o o dq 砌时p h o t o nc o 眦t 啦i m a g e sw e r e o b t a j n e da tt h ei l l 啪i n a t i o no f2 3 lo 。1 ) 【t h ei l l u m i n a t i o na i l ds 锄p l i n gt i m e 、e r ec h a n g e d t oo b s e et h ei i l n u e n c eo ft h e s ep 猢e t e r so nt l l ei m a g i n gq u a l i 吼t h eh a 弘g r e e np l a i l t sa n d c o n c r e t e 、e r ei m a g e di nt h en i g h ts k ys p e c t n m lo ra tac e r t a i nw a v e l e n g t l l t h ee x p e r i m e n t m t v 博士论文 基于g m a p d 的光子计数成像技术研究 r e s u l t ss h o w e dt h a tt i l es c h c m eo fg m - a p d - b a s e dp h o t o nc 0 岫t i n gi m a g i n g 、 ，嬲p r a c t i c a b l e i tp r o v i d e da i le 岱j c t i v em e t l l o dt oi m p m v ed e t e c t i v i 够a n ds n rf o rt 1 1 el o 、- l i g h ti m a g i n g k e y w o r d ：a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，g e i g e rm o d e ，p h o t o nc o u l l t i n gi m a g i i l g ，s t a t i s t i c a lo p t i c s ， e q u i v a j e mc i r c u i tm o d e l ，s p e c 饥肛nd i s 仃i b u t i o n v 博士论文 基于g m a p d 的光子计数成像技术研究 1 绪论 在夜暗环境中存在少量的自然光，如月光、星光、大气辉光等。它们和太阳光比起 来十分微弱，最大只有白天的百万分之一，所以称为微光i l j 。在微光条件下，由于人眼 视网膜的感光灵敏度不高，这造成人类在夜暗环境中不能正常观察。为了实现在黑暗环 境中不用照明也能看清周围景物，同时可以对其快速记录，使人眼的接收能力得以扩展。 为此，人类在探索和研究光电效应的进程中产生和发展了微光成像技术【2 j 。该技术直接 利用微弱的自然光照明，由微光成像器件将来自目标的人眼不能或不易看见的反射辐射 光进行光电转换和增强，处理成有足够亮度和清晰度的人眼可见图像，弥补了人眼在空 间、能量、光谱和分辨能力等方面的局限性。由于微光成像技术具有高探测灵敏度和光 谱成像等特点，它在军事、工业和科学探测等领域得到了广泛应用。 1 1 微光成像技术发展概述 1 8 7 3 年，首先由史密斯( w s i i l i t h ) 发现了光电导现象，随后普朗克( g j p l a n c k ) 于1 9 0 0 年提出了光的量子属性，1 9 1 6 年，由爱因斯坦( a e i n s t e i n ) 完善了光与物质内部电子能态 相互作用的量子理论。在相继的大量研究工作中，伴随着近代物理学的发展建立了半导 体理论并研制出各类光电器件，开拓了人类进行微光探测的技术手段。 从上世纪6 0 年代以级联式像增强器为代表的微光成像系统发展至今，实现微光观察 的共同途径都是把来自目标的光信号转换成电信号，然后再把电信号放大，最终将电信 号转换成人眼可见的光信号【3 一。在微光成像系统逐步发展期间，为了满足在探测灵敏度、 成像速度、信噪比、功耗、体积和制作工艺等方面更高的要求，一些新型的微光成像器 件和成像方法一直不断涌现。 1 1 1 微光像增强器成像技术 微光成像系统分为直视系统和间视系统，直视系统又称为微光夜视仪【5 j 。其主要组 成之一是实现光电转换和倍增的像增强器，微光间视系统也是在像增强器和电视技术相 结合的基础上发展起来的。所以，本文以实现光电转换与增强功能的器件为核心来阐述 微光成像技术的发展。 1 1 1 1 第一代像增强器 微光成像的发展可以追溯到1 9 3 6 年，该年格利希( p g o r l i c h ) 发明锑铯( s b c s ) 光阴 极。1 9 5 5 年萨默( a h s o m m e r ) 发明锑钾钠铯( s b k - n a - c s ) 多碱光阴极。1 9 5 8 年光学纤维 面板研制成功。此外，荧光粉的性能也有很大提高。在以上技术的基础上，1 9 6 2 年美国 研制出了p i p 1 型三级级联像增强器，即第一代像增强器【6 l 。用其制成了第一代微光夜视 l 绪论博士论文 仪，所谓星光镜( a n p v s 2 ) 【7 1 0 1 。第一代像增强器的主要特点如图1 1 所示：三个组件被 机械地和光学地耦合在一起，并和高压电源的倍增部分一起密封起来。光阴极采用多碱 阴极，电子光学系统将来自光阴极逸出的光电子加速并聚焦到荧光屏上，形成增强的可 见光输出图像【l l - 1 3 】。第一代像增强器的性能典型值为：光电阴极灵敏度为3 0 0 叫l m ， 8 5 0 m n 处的辐射灵敏度为2 0 m a 厂w ，亮度增益为2 1 0 4 3 1 0 4 c 肌n z l x ，分辨率为3 5 l p m m 。 第一代像增强器在低照度应用时具有增益高，成像清晰，不用照明源等优点。其观察距 离较远，一般可达到1 5 0 0 3 0 0 0 m 。但是，它在使用中怕强光，有晕光现象，需要3 万余 伏的高压电源。器件的尺寸和重量问题限制了其在轻武器上的装备和应用，现在只用于 某些远距离微光观察装置。 光电阴极荧光屏 图1 1 纤维光学耦合三级级联像增强器 1 1 1 2 第二代像增强器 1 9 6 2 年前后，研制成功了微通道板( m i c r o c h 籼e lp l a t e ，m c p ) 电子倍增器【m ，l 5 。 m c p 是由上百万个紧密排列的、具有较高二次电子发射系数的空心通道管构成。两个端 面镀有镍铬金属膜层，其外环是同样镀有镍铬金属膜层的由实体玻璃构成的实体边，平 整的实体边可以提供很好的端面接触以便施加电压。其通道芯径间距约6 1 2 岬，长径比 为4 0 6 0 。每个通道即构成了一个单独的连续打拿极倍增单元。微通道板必须工作于真 空环境中，其工作机理如图1 2 。入射在通道输入端的初始电子在电场作用下，利用通道 内表层有一定能量的电子碰撞可产生二次电子的特性，二次电子在电场的作用下沿通道 加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出端面输出大量的电 子。 m c p 可以增强来自输入端面每一单元的光电发射电流，并且依次倍增，增益可达到 1 0 0 0 0 倍以上。此外，m c p 还具有功耗低、频带宽、寿命长以及自饱和效应等优点。这 大大激发了人们用单级管结构代替三级级联式像增强器的兴趣。1 9 7 0 年研制成实用器件 一微通道板像增强器【1 6 棚1 称为第二代像增强器。利用m c p 的过电流饱和特性，并以m c p 为核心部件的夜间观瞄器材称为第二代微光夜视仪。它从根本上解决了微光仪器的防强 光问题。1 9 8 2 年，在英国与阿根廷的马岛战争中，英军使用了此类夜视装备。 2 博上论文基于g m a p d 的光子计数成像技术研究 通道壁输出面电极 ， 、代n ， 出射电子 l j l 外加电压 图1 2 通道电子倍增过程 微通道板像增强器有两种管型，如图1 3 所示，即薄片管与倒像管。前者将微通道板 放在光电阴极与荧光屏之间，形成双近贴像增强器；后者则相当于在单极像增强器的荧 光屏前面，加了一块微通道板。由倒像管配上自动亮度控制和防强光装置制成的第二代 微光夜视仪具有增益高、像质好，观察距离远等优点。微通道板像增强器的商用水平典 型值为光阴极灵敏度2 5 0 3 0 0 “l m ，8 5 0 m 处的辐射灵敏度为2 0 m a w ，亮度增益为 5 0 0 0 1 7 1 0 4 c d m 2 奴，分辨率为3 0 3 2 l p m m 。微通道板像增强器与第一代微光夜视仪的 根本区别在于：前者是采用高强度的静电场来提高电子能量作为主要的增强手段；而后 者则是利用微通道板的二次电子倍增作用作为主要的增强手段。一只微通道板像增强器 的增益即可达到三级级联像增强器同样的水平，因而大大地减小了仪器的体积和重量。 】虻p 输入窗 光电阴极 输出窗 输入窗 光电阴极 聚焦极 眦p ( a ) 烈近贴= =( b ) 倒1 象工弋 图1 3 微通道板像增强器的两种结构形式 1 1 1 3 第三代像增强器 为了进一步将光电阴极的光谱响应向长波方向伸延，以获得更多的目标信息，1 9 6 5 年范拉尔( l a a r ) 和希尔( s c h e e r ) 制成了第一个g 啦s 光电阴极，其灵敏度高达 5 0 0 叫l i l l 。1 9 7 9 年3 月美国国际电话与电报公司( i t t ) 研制出利用负电子亲和势光电阴极 和微通道板技术的成像器件一第三代像增强器【2 0 2 3 l 。以它为核心部件的夜问观瞄器材称 为第三代微光夜视仪。其典型灵敏度达到1 0 0 0 “l m ，8 5 0 m 处的辐射灵敏度1 0 0 m a 脚， 亮度增益1 1 0 4 c d m 2 l x ，分辨率为3 6 l p m m 。典型产品如美国的a n 几w s 一6 微光夜视眼镜， 也称飞行员夜视成像系统( a n v i s ) 。 第三代像增强器的特点是：采用负电子亲和势光电阴极。负电子亲和势光电阴极的 3 l 绪论 博士论文 受激电子向表面迁移的过程与一般光电阴极不同。一般正电子亲和势光电阴极中只有过 热电子迁移至表面才能形成光电发射，而负电子亲和势光电阴极中全部受激电子都可参 与光电发射，哪怕是处于导带底部的电子，只要在没被复合前能扩散到表面，就可能逸 出。在寿命时限内其扩散至表面的有效逸出深度可达数微米，而普通多碱阴极只有几十 纳米，故其量子效率显著提高。此外，负电子亲和势光电阴极所形成光电发射的电子大 多处于导带底部，其逸出光电子的动能分布比较集中。由于其逸出深度较大，故光电子 出射角散布也较小，大都集中于光电阴极的法线方向；再加上其暗电流小，所有这些都 有利于降低电子光学系统的像差，从而有效地提高了像增强器的分辨力和系统的视距。 第三代微光夜视仪观察距离比第二代提高了1 5 倍以上。砷化镓光电阴极光谱响应波段 明显向长波区延伸，同时在响应区内响应值变化很小，所以该像增强器的光谱响应宽， 有些长波阈可达到1 0 0 0 胁左右。三代管在性能上虽然有很大的改进，但是制作工艺复 杂，研制周期长，价格昂贵。 为了进一步解决在极低微光下的应用，还出现了杂交管的方案【凇引。它是以二代薄 片管或三代管作为第一级，单级一代管作为第二级相耦合的组合式像管。它的优点是可 以获得很高的增益，但为了寻求信噪比与增益之间的最佳折衷从而适当减小微通道板的 增益。这一方案运用了各种像管的优点，使器件的增益和信噪比充分发挥出来。 1 1 1 4 像增强c c d 为了实现微光电视实时成像通常采用电荷耦合器件( c c d ) 的方式1 2 0 1 。c c d 出现于 2 0 世纪7 0 年代，它是一行行排列的金属一氧化物一半导体( m o s ) 电容器阵列，具有储存和 转移电荷信息的能力。对于每一单元的m o s 结构来说，光激发产生的电子被积累在光敏 元的势阱中【3 l 】。势阱中电荷包的大小，与入射到光敏元的光强成正比，也与积分时间成 正比。将像增强器通过纤维光锥或者中继透镜耦合到c c d 上制成像增强c c d ( i n t e n s i f i e d c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，i c c d ) 如图1 4 所示，由c c d 把通过像增强器增强了的光子图像 转换为对应的电子图像，经读出电路输出。普通的c c d 只能在1 l x 以上的条件下才能工 作，借助像增强器的图像增强功能，大大提高了c c d 的工作光照范围。值得注意的是， 微光i c c d 系统的m c p 和c c d 读出结构产生的噪声占i c c d 整个摄像系统噪声的8 0 以 上，如何消除上述噪声是需要攻克的技术难点【3 2 】。此外，m c p 与c c d 器件耦合时，其响 应频谱和所有像素现在还无法做到最佳匹配与完全耦合，图像失真不可避免。 4 博士论文 拱于g m a p d 的光予计数成像技术研究 光阴极 微通道板 荧光屏 图1 4 通过纤维光锥将像增强器与c c d 耦合的i c c d 1 1 1 5 电子轰击c c d 背照式c c d ( b a c k i l l u m i n a t i o nc c d ，b c c d ) 通过减薄方法去除c c d 基片的大部分 硅材料，仅保留含有电路器件结构的硅薄层。在像增强器内用对电子灵敏的b c c d 代替 通常的荧光屏而构成电子轰击c c d ( e l e c t r o n b o m b a r d m e n tc c d ，e b c c d ) 【3 3 - 35 1 ，如图 1 5 所示。它不需要微通道板、荧光屏和纤维光学耦合器，从而使成像链的环节减小到 最小。e b c c d 的工作原理是入射光子打在光阴极上转换成光电子，光电子被加速后， 从c c d 背面无需通过多晶硅电极，即可进入c c d 并聚焦在c c d 芯片上，在c c d 光敏 元上产生电荷包。当积累结束时，电荷包转移输出成像，避免了在集成m o s 电路的绝 缘层中的能量损失与充电效应，克服了通常前照明c c d 的性能限制。它能够几乎无噪 声地提供高于3 0 0 0 的电子轰击半导体增益【3 6 ，3 7 1 。由于要将c c d 封装在管内之后制作光 电阴极，所以装架困难。同时，c c d 在电子的直接轰击下使暗电流和漏电流增加，使 用寿命也随之下降。 图1 5e b c c d 乡【f i 构瞒i 理 冬| 1 1 1 6 基于像增强器的新技术 采用带有离子壁垒膜微通道板的像增强器，其离子壁垒膜能有效阻止正离子反馈， 使光电阴极免受破坏，同时消除了离子斑，延长了像管的工作寿命。但是由于其对电子 的散射和阻止作用，降低了信噪比和分辨率，并且仍存在晕光效应，影响了像管在微光 l 绪论博士论义 条件下的有效工作。1 9 9 7 年美国i t t 公司和l i t t o n 光电系统公司在美国陆军的支持下，寻 求既不用离子壁垒膜、又能保护光电阴极不受破坏，同时，能减小晕光效应以及成像质 量优良的新技术【粥j 。1 9 9 8 年l i t t o n 公司首先成功研制了无膜m c p ( b o d yc o n d u c t i v eg l a s s m c p ，b c g 。m c p ) 像管，并对带膜m c p 和l i t t o n 高性能无膜m c p 的工作可靠性进行了大 量的实验。实验表明无膜m c p 的工作寿命和电特性已达到有膜i i i 代的水平。根据图1 6 所示的成像实验结果，无膜m c p 的成像质量较有膜m c p 得到了很大改善。其关键技术涉 及了新型高性能的无膜m c p 、光电阴极与m c p 之间采用了自动脉冲门控电源，和无晕成 像技术等【3 9 j 。2 0 0 0 年，美国陆军已对l i t t o n 公司该类像管通过了合格检验试验，并用于 m 4 a 1 卡宾枪的夜视瞄具中，认可了其所产生的质的飞跃，同时将其命名为代微光像 增强器。由于在电源模块中加入了自动门控功能，像管可以在极暗环境下至拂晓或者黄 昏大范围照度内很好地工作，整管的分辨率达到6 4 1 p 姗以上【4 。 ( a ) 有膜m c p 成像结果( b ) b c g m c p 成像结果 图1 6 有膜m c p 与b c g m c p 的成像结果比较 为了使光阴极的光谱响应向红外波段延伸，还主要出现了两种光阴极微光像增强器 【4 1 1 。一是长波响应延伸到近红外( 0 9 1 0 6 岬1 ) 的i n g a a s i n p 传输电子近红外光阴极微光像 增强器，其光阴极在近红外区域能保持较高的灵敏度，在1 “m 处的量子效率接近8 1 4 2 j ； 二是采用复层结构的复合热红外光电阴极，它由p b s n t e p b t e 异质结外延层光电二极管 列阵和金属一半导体一金属冷阴极电子发射体两部分构成。器件的长波响应可延伸到中红 外( 3 5 m ) 和远红外( 8 1 4 m ) 波段【4 3 j 。 由像增强器构成的微光成像器件最明显的特征是采用了真空器件实现微光的光电 转换和增强。真空器件的固有缺陷限制了该类器件性能的进一步提高。为了克服真空器 件的某些不足，近年来，微光固态成像器件有了快速的发展【44 | 。 1 1 2 微光固态成像器件 1 1 2 1 电子倍增c c d 电子倍增c c d ( e l e c t r o nm u l t i p l i c a t i o nc c d ，e m c c d ) 技术，也被称作片上增益技 术，接收的入射光信号在一块基于硅的半导体芯片上完成了光电转换、电子倍增功能， 是一种应用全固态器件实现微弱光信号探测和增强的技术1 4 5 ，4 6 i 。 6 博士论文基于g m a p d 的光子计数成像技术研究 e m c c d 的基本结构如图1 7 所示，主要包括感光区、存储区、读出寄存器、倍增寄 存器和输出放大器五部分组成。入射光到达感光区光敏面，经光电转换成为信号电荷， 信号电荷被移动到存储区中，由读出寄存器将电荷一行一行地按顺序移动到倍增寄存 器，信号电荷在倍增寄存器中进行电子倍增，最后通过输出放大器转换为电压信号输出， 送至显示设备显示图像【4 7 4 8 1 。 _ 感光区 存储区 输出 llllfili i i l e n n f h h f 雌越i 输出 读出哥存器倍增哥存器 图1 7 e m c c d 工作原理 从e m c c d 的工作过程可以看出，在倍增寄存器中，信号电荷在高偏置电压下与硅 晶格发生碰撞电离，激发出新电子，实现了信号电荷的倍增和放大。虽然每一个单元的 增益非常小，一般为0 0 1 o 0 1 5 ，但是读出寄存器后接有一串倍增寄存器，单元格的数 量较多，常达数百个，最终增益相当可观，大约1 0 0 0 倍。所以，e m c c d 可以在很低的 照度状态下工作，记录单个光子。同时，e m c c d 的工作机制完全不同于上述的各类微 光成像器件。信号的放大是在器件内部，利用载流子运动过程中的碰撞电离实现的【4 9 5 0 1 。 但是，e m c c d 在对信号增强的同时也放大了暗电流噪声。降低暗电流噪声除了选用专 门的科学级c c d 芯片，还要对芯片进行制冷。由此对探头的真空密封性要求很高，若真 空密封性不佳，进入探头内的气体将显著影响c c d 芯片的性能和寿命，还会大大影响制 冷效果，制冷器功耗成倍增长，散热压力也随之急剧升高。此外，探头内的气体作为导 热介质会将c c d 芯片的低温传至入射窗，使得窗口结露，在这种情况下探头内部包括 c c d 芯片上都会出现水汽凝结，从而严重损害芯片。 1 1 2 2 雪崩光电二极管及雪崩光电二极管阵列 雪崩光电二极管( a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，a p d ) 是利用半导体结构中载流子的碰撞电 离效应制作的固体器件【5 l 。5 4 j 。当a p d 处于反向偏置状态，随着外加电压的增大，会引起 电流的急剧增大。特别是当a p d 的反向偏置电压高于击穿电压时，即a p d 工作在盖革模 式( a v a l a l l c h ep h o t o d i o d ei i lg e i g e rm o d e ，g m a p d ) ，由于光生载流子可以在结区强电场 中获得足够的能量，能够碰撞晶格原子使其电离，从而产生新的电子一空穴对，新的电 子一空穴对再获得能量再碰撞，如此循环过程的连锁反应最终导致光电流的雪崩式放大 如图1 8 【5 5 巧7 1 。当雪崩效应产生的载流子达到线性范围的最大值时，由控制电路调整反向 7 l 绪论博十论文 偏置电压到击穿电压以下，有效抑制a p d 内的雪崩效应，避免过量的电流流过器件，以 保证器件内电流急剧增加的区域不会损坏【5 8 击2 1 。 皇堑 ， 图1 8 a p d 雪崩倍增过程 与基于外光电效应的器件相比，基于内光电效应的a p d 的灵敏度将大大提高，可以 达到单光子数量级探测。特别是近年来以盖革模式浅结工艺为基础的雪崩光电二极管已 经