新型紫外摄像器件及应用

1、摘要： 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 , 紫外技术及紫外摄像器件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。本文集中介绍了3 种紫外器件的发展水平及应用领域, 并着重对 sic、gan紫外探测器、紫外 ccd 、 紫外摄像机以及紫外数字照像机等紫外器件在国防及其它领域中的应用作了较详细的介绍。关键词： 紫外探测器紫外 ccd 紫外摄像机数字照相机1 引言早在 50 年代 , 人们即开始了对紫外探测技术的研究。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的一军民两用光电探测技术。紫外探测技术在医学、生物学等领域有着广泛的应用 , 特别

2、是近几年在皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节。也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 ,平种检测不但迅速、准确 , 而且直观、 清楚。 但是 , 由于电子器件的灵敏度低, 一起未能广泛的应用。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, 紫外摄像器件也因此而获得广泛的应用。由于 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

3、, 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紫外探测器、紫外传感器、紫外ccd等固体紫外摄像器件, 并且取得了较大进展。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探测等方面。2 紫外探测器件2.1 紫外探测器a.sic 紫外探测器该产品是sic 的光激励型紫外探测器。因为它只对波长40nm以上的光选择性吸收, 所以不需要可见光、近红外光的保护滤光片, 与硅探测器相比, 其紫外光的吸收要大两个数量级, 并且不需要表面加工处理, 可保持长期的稳定性。另外 , 灵敏度和暗电流在使用温度条件内几乎不受温度变化的影响,可在 700k的高温下使用。b.gan基紫

4、外探测器由于 gan材料在 365nm （紫外光）波段具有很尖的截止响应特性, 因而降低了对滤波器的要求, 这使得 gan基的光探测器具有能够在不受长波长辐射的影响下, 在紫外光波段监测太阳讯盲区（ solar blind）的特性。目前美国apa光学公司已经在这种新型器件是在蓝宝石衬底上采用gan肖特基二极管制作而成的。gan基紫外探测器的应用包括火焰传感、臭氧监测、血液分析仪、水银灯消毒控制、激光探测器及其它要求具有太阳盲区特性方面的应用。2.2 紫外传感器1999 年初 , 美国科罗拉多（colorrado ）洲卫生保健制器公司推出一种可准确测量太阳紫外线的传感器 , 并已以市场出售。该传

5、感器装有两个刻度仪, 一个是用来显示日光浴者的皮肤类型, 因为不同的皮肤类型的抗辐射能力不同 ; 另一个刻度仪是显示护肤指数的,即日光浴者使用的防晒制器的效能指数。使用这种传感器可以测量出太阳紫外强度和对皮肤或浴衣的照射量以及日光照射时间的安全量。综可以使日光浴者当场即可测出紫外线对皮肤的辐射程度, 并能告诉人们什么时候的日光最适合日光浴。2.3 紫外 ccd 一般紫外辐射的波长范围为100nm 400nm 。紫外（ uv ）光子在硅中的吸收系数是很高的。由于 ccd是 mos 结构器件 ,sio2 栅介质和多晶硅（poly-si ）栅对 uv光子均有较高的吸收系数。因此 ,ccd用于 uv光

6、子探测是非常困难的, 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,目前采用的方法是：（1） 在 ccd 表面淀积一层对uv光子敏感的磷光特质, 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。（2）采用背面照射方式, 要形成电荷载流子的产生区和收集区,ccd衬底必须减薄, 减薄后的厚度典型值约为10m 。（3）采用深耗尽ccd 方法。采用轻掺杂、高电阻率被底,ccd栅下的耗尽区被扩展至硅片背而。图 1 给出了 ccd表面淀积磷光体前后的光谱响应。图 2 给出深耗尽ccd 的剖面结构。背面注入的p+层可通过

7、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,电阻率为4k .cm10k.cm。深耗尽 ccd 方法的缺点是暗电流长, 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。紫外 ccd是将硅 ccd 减薄后涂荧光物质把紫外光耦合进器件的, 它可使器件具有在波长从真空紫外到近红外波段摄像的能力。1997 年美国国家航空航天局研制成功新颖的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

8、柱倒装互连而成的混合紫外 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。并将广泛用于军民两用领域 ,特别是在军事上（如紫外告警、 紫外通讯、 紫外 / 红外复合制导等）的应用更将引起军方的极大关注。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。从图中可以看到, 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。可见 ,btccd不仅可工作于紫外光 , 也可工作于可光。因此btccd 是一种很优秀的宽波段摄像器件

9、。btccd 之所以有很高的灵敏度,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20m以下 ; 其次 , 它采用背照射结构, 因此紫外光不必再穿越钝化层。另 btccd 摄像器和mos 摄像器的比较如表1 所列。从表1 看到 ,btccd确有很高的性能。表 1 bt-ccd和 mos 摄像器的比较参数mos 器件bt-ccd 单位备注暗电流160 110 pa/cm 2 25电荷 / 电压变换增益0.03 10 v/电子噪声3000 15 电子0饱和电荷310 8610 5电子噪声等价曝光量1.6 0.0075 pj/cm 2 600nm 饱和曝光量

10、160 0.3 nj/cm 2 600nm 动态范围110 5410 42.4 紫外成像器件由于硅在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。然而现在人们已经找到能够达到良好紫外响应的许多方法,photometrics公司采用在正面照射的ccd上加一辐射转换成普通ccd能够响应的中等波长的可见光而不需要对硅本射作专门的处理。在这种情况下 , 正面照射的ccd 在 200400nm的波段内可达到20% 的量子效率。2.5 gan 紫外摄像机对于各种应用来说（从跟踪导弹发射到研究远距离星体）, 能观察紫外线是很有用的。然而以硅为基础的探测器不是捕获紫外线的最好办法。为

11、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。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。2.6 紫外 ccd 摄像机a. 紫外 /x 光 ccd摄像机app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 元的高分辨率传感（th7895a ）, 这是一种背面照射的薄型ccd传感器 , 其敏

12、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 , 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。animaterv3v 的最大优点是能够在紫外和x光段内成像。b. 紫外数字照相机日益普及的数字照相机现在又迎来了一个表的家庭成员, 美国一些科学家发有了可以感应紫外光的数字照相机。c. 紫外摄像用ptsi-sbirfpa 技术1990 年麻省理工学院林肯实验室研制成功了160244 元硅化铂肖特基势垒红外ccd（ptsi-sbitccd ） ,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p

13、tsi 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。3 紫外器件的主要应用3.1 导弱探测新技术美国国防高级研究计划局正在资助开发一种紫外线感应材料技术, 这种技术有望把导弹预警系统发出的错误警报降低到最低限度, 并减少传感器的复杂性和成本。目前使用的aar-57和 aar-54等被动式导弹预警系统必须设法区分由来袭导弹发出的紫外线和诸如太阳等无威胁的紫外线源。目前 , 已有十多所大学和半导体研究机构获得了国防高级研究计划局这项耗资600 万美元的研究合同。工程师们预计, 这

14、种新材料将大大增加导弹的探测范围, 并降低传感器的成本。3.2 军事紫外领域a. 紫外制导尽管红外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, 制导技术正在向双色制导方面发展, 这其中也包括红外 -紫外双色制导方式。 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 年装备使用的尾刺（ stinger post）对空导弹中就采用了这种红外- 紫外双色制导技术。美国研制的这种导弹就利用了红外/ 紫外双色制导技术, 白天飞机反射的日光的紫外

15、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。b. 紫外告警为了对付导弹的威胁, 导弹入侵报警器是必要的设备。目前的导弹入侵报警方式主要采用雷达工作的主动式报警和包括红外、激光和紫外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。表 2 列出了低空时使用不同燃料的导弹的尾焰辐射特征。可以看出 , 任何尾焰中都含有近紫外（ nuv ） 和中紫外（muv ）线, 这为紫外导弹告警提供了可能, 国外已研

16、制成功了多种紫外报警器。美国洛拉尔公司在1998 年就为美国海军的c-1305 直升机和 p-3s 运输机研制成世界上第一台新型的aar-47紫外告警系统 , 它在太阳光的中紫外盲区内探测导弹羽烟的紫外辐射, 从而解决了红外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aar-47a和 aar-47b 。美国西屋公司在美国海军的资助下也研制出pmaws-2000 紫外报警器 , 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。 紫外告警系统在问世不到10 年的时间内就发展了两代

17、产品十余种型号, 从而迅速成为机载导弹逼近告警系统的重点发展方向。表 2 低空（ 5km以下）火箭尾焰的特征辐射燃料类型发射机制波长范围备注液胺 / 氮的氧化物co+o 化学发光oh化学发光v,nuv,muv nuv v/可见光nuv/近紫光muv/ 中紫光铝化混合固体燃料al2o3 微粒热致发光al2o3 微粒散射co+o 化学发光oh化学发光v,nuv,muv v,nuv v,nuv,muv nuv 烃类 / 液氧烟尘热致发光oh化学发光co+o 化学发光ch 、c2燃料碎片的化学发光v,nuv,muv nuv v,nuv,muv v,nuv 液氢 / 液氧生成 h2o化学发光v,nuv,

18、muv 紫外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, 使得紫外告警系统能将虚告警率控制在很低的程度。目前, 美国研制的第一代紫外型导弹逼近告警系统是以光电倍增管为探测器的; 而第二代紫外型导弹逼近告警系统（maws）则 以多元或面阵器件为核心探则器。c. 紫外干扰红外 / 紫外双色制导导弹的出现, 必然导致红外/ 紫外双色干扰技术的发展, 紫外干扰的关键是研制出具有足够强的紫外辐射, 并且火药装添制成的具有紫外干扰能力的干扰弹。d. 紫外通讯紫外通讯 是一种具极大发展潜力的新型通讯方式。它具

19、备了许多其它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, 所以受到对通讯保密性、机动性要求较高 的部门的广泛重视。美国在紫外通讯系统的研制方面有重大投资。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。e. 紫外探测技术紫外探测方法很多,大致可分为三类。如表3 所列 , 紫外探测技术的关键问题有以下几种：表 3 紫外探测方法一览表分类方法基本原理应用1 荧光转换法荧光效应光谱匹配和校正一般探测和计算2 分光光度法色散

20、分光、干涉滤光, 光电探测探测 , 计算 , 标定3 卫星遥感法吸收和散射理论航天研究 , 环境探测（1）紫外线大气传输理论和散射模型的建立紫外线大气传输理论和散射模型以及仿真系统的建立是关键问题之一。在众多的紫外应用领域尤其是军事应用中, 无论是主动式的“紫外通讯”、“紫外干扰”还是被动式的“紫外制导”、“紫外告警” , 均涉及紫外在大气中的传输问题。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。加之紫外传输涉及多次散射这样一个是及其复杂的问题, 因此 , 上述内容的研究就成为紫外探测及应用技术的关键问题之一。（2）高灵敏度紫外探测器件的研制高灵敏度、低噪声紫外探测器件的研制是紫外探测技术的另一关键。目前, 紫外探测器有如下几类：紫外真空二极管、分离型紫外光电倍增管（uv-pmt ）, 成像型紫外变像管、紫外增强器及紫外摄像管等。而是新的一种是带微通道的光电倍增管（mcp-pmt ）, 它具有响应速度怜惜 , 抗磁场干扰能力强、体积小、重量轻且供电电路简单等特点。目前带有mcp 结构的近贴式聚焦型紫外变像管及增强器以及与之相应的自扫描阵列也已经出现, 并被用于紫外探测卫星、空间防务及火箭- 导弱尾焰紫外探测等方面。（3）低噪声信息处理系统低噪声信息处理系统的形成是紫外探测技术的又一