CCD紫外增强技术的研究及性能检测

发布时间：2020-08-26 08:46

【摘要】：CCD光电探测器是一种硅基多通道阵列探测器,作为微型光谱仪的核心元器件之一,具有体积小、重量轻、响应快速和成像质量高等优点。然而CCD硅衬底层多晶硅电极对400nm以下的紫外光具有强烈吸收,所以入射的紫外光基本无法通过硅衬底,从而无法被探测到,CCD就不会产生响应。因此,提高CCD在紫外波段信号的响应能力是国内外科研工作者的一个研究方向,本文针对CCD在紫外和深紫外区域响应能力不足的问题进行深入研究,具体内容如下:首先,详细分析CCD光电探测器的基本工作原理、基本特性以及目前的发展现状,并对传统的增强CCD紫外响应能力的方法进行探讨。通常的紫外增强技术都是在CCD的表面保护玻璃(官方称玻璃窗)镀荧光膜,而保护玻璃与像敏面之间还有一段光程,散射和反射作用会造成光强减弱,降低量子效率,为此对CCD进行去窗技术的研究,去除玻璃窗。实验结果发现,CO2激光切割法是一种较好的去窗方法,其能在最小损伤CCD器件的前提下,快速、有效地将CCD保护玻璃去掉,为CCD紫外增强技术的研究奠定基础。其次,对CCD进行紫外响应增强技术的实验研究。根据膜层材料要求选择Lumogen Yellow S 0795有机荧光粉作为膜层材料,由于CCD属于较昂贵器件,所以采用真空蒸发法先行在玻璃基片上进行膜层样品的制作,得到最优膜层样品的实验参数,然后才在CCD像敏面上进行镀膜实验,该方案能减少实验成本、提高实验效率。实验结果表明,,当真空度为8×10-4Pa、蒸发电流为50A时,Lumogen材料成膜效果较好,膜层均匀、表面光滑不易分离。最后,采用一台微型光谱仪对紫外增强后的CCD进行性能检测分析,验证CCD紫外响应增强效果,选择低压汞灯和氘灯作为检测光源测定镀膜前后CCD的离散响应曲线图和连续响应曲线图并进行分析。结果表明,Lumogen荧光薄膜能极大提高CCD在400nm以下紫外区域波段的光谱响应能力,使普通前照式CCD在深紫外区域产生响应,在365.01nm波段的响应能力提高至原来的2.6倍以上,而253.65nm谱线处的光谱强度甚至在镀膜后达到饱和,其截止响应波长从306nm蓝移至235nm左右,并且不会影响400nm以上可见光的透过率。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386.5;TN15
【图文】：

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型 CCD 技术，并在背照式 CCD 面阵传感器和线阵传感器上取得了不的成果。其中多款优秀的 CCD 产品被世界著名光谱仪器公司美国海洋学 OceanOptics 公司和荷兰爱万提斯 Avantes 公司研发的多款紫外微型谱仪产品所应用，例如海洋光学生产的 Maya2000 Pro 系列光谱仪使用是滨淞公司 S10420 和 S11510 系列背照式 CCD 面阵传感器[32]，其探测长范围可达到，爱万提斯研制的 AvaSpec-NIR256-2.0/2.5T光纤光谱仪采用的是 Hamamatsu S7031 系列背照式 CCD 面阵传感器[33]如图 1.1 和图 1.2 所示分别是 Hamamatsu S10420-1006-01 背照式 CC面阵传感器及它的光谱响应曲线图。Hamamatsu S10420-1006-01 CCD有许多优良的特性，比如降低的标准具效应、满井容量大、动态范围宽噪声低和灵敏度高等。从光谱响应曲线图可以知道，S10420-1006-01 型CCD 动态范围较宽、在响应范围内整体具有较高的量子效率，并且在外和极紫外区域也有很好的光谱响应，紫外量子效率高于 50%，是一类用于图像信息输入输出的图像传感器[34]。

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图 1.3 Hamamatsu S7031-1007S CCD 图 1.4 Hamamatsu S7031-1007S CCD光谱响应曲线图国内许多公司机构也致力于如何提高 CCD 在紫外和极紫外区域光谱响应能力的技术研究，并且已经取得了不错的进展，天津津飞光谱分析仪器有限公司便是其中一家。该公司在日本东芝公司生产的 TCD 1304D型号 CCD 上进行紫外增强技术的研究，推出了改进的紫外增强版 CCD该 CCD 在紫外波段具有更高的量子效率和更好的光谱响应，其连续响应截止波长从 380nm 蓝移至 200nm 以下，并且不会影响可见光的透过性[36]。不仅公司企业，国内很多学术科研团队也在大力开展 CCD 紫外增强技术的研究[37-38]。2010 年清华大学孙利群老师等人提出将晕苯作为膜层材料，用真空镀膜的方法在 CCD 上进行提高紫外响应能力的镀膜实验研究检测镀膜前后 CCD 的离散和连续光谱响应曲线图，对比紫外离散谱线图发现，可见光谱强度在镀膜前后基本没有发生太大改变，253.6nm 波段处的光谱强度在镀膜之后增强至原来的 10 倍；对比紫外连续谱线图可以看

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中国计量大学硕士学位论文光电探测器工作原理光电探测器与其他光电器件的最大区别在于它是把为电信号实现光电转换，然后将电荷包作为传递信号移和输出，最后通过外部采样放大设备输出图像信件基本上都是以电压或者电流作为信号，实现图像信2.1 是 CCD 工作过程示意图，它的基本工作过程主成：电荷生成、电荷储存、电荷转移和电荷检测。

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