kaf4001eccd的低温成像特性测试与研究

kaf4001eccd的低温成像特性测试与研究

1低温成像特性的测试与评估自冷战结束以来，sd已经在30年的时间里开发出来。sd工具已成为广阔的成像领域的主要测量机。例如，军事和科学应用等。在科学成像应用中,特别是在对极暗弱目标观测(如夜间天文观测)的成像系统中,对CCD器件的一些指标要求极其严格,如量子效率(QE)、电荷转移效率(CTE)、噪声、暗电流(暗流)、线性、满阱等。正是因为科学成像应用对CCD器件的指标要求很高,使得科学级CCD的成品率不高,从而使其价格一直都很昂贵。因此,在进行科学成像系统的设计前,必须对所用CCD的关键指标进行实验测试和评估。KAF_4301ECCD是近两年Kodak公司生产的一种用于0.4μm到1.1μm波长范围内成像应用的高性能、大面阵(2084×2084pixel,24μm×24μm)硅CCD器件。由于采用了蓝端增强透明电极、真正两相技术的正面照光全帧结构,其光谱响应,或者说量子效率(QE),与普通正面照光CCD相比,大为提高,即使与背面照光CCD相比,差别也不太大,而其价格却比背面照光CCD低得多。因此,一些天文学家希望能将这种CCD用于天文光谱成像系统中。但迄今为此,还未见到这种CCD用于天文光谱仪成像系统方面的报道,也没有相关低温成像特性的实验研究报告。在KAF_4301E的说明书中,虽然CCD器件工作温度的上、下限(即最大、最小标称值)分别是+50℃和-70℃,但说明书给出的一些特性参数,则不在最大的极限范围内。如0.99999的CTE,对应的温度范围是+30℃至-40℃。而在诸如天文应用之类的高性能微光科学成像系统应用中,为得到足够信噪比的图像,曝光时间一般比较长。为减小暗流对长时间曝光所得图像的影响,CCD工作温度一般比-70℃还低不少。为此,我们对两片KAF_4301ECCD(一片为C2级、一片为工程级)进行了低温成像特性的测试和研究。本文介绍了相关的实验原理和平台、实验结果与分析,并对其在暗弱目标成像方面的应用进行了初步的探讨。2cd的特性特性CCD是一种基于光电转换原理的半导体成像器件。能将入射光子产生的电子收集其势阱中,通过控制电路将所收集的电子以电荷转移的方式输出,从而形成对应于光学图像的数字图像。高性能的CCD器件通常用于科学成像系统中,所以这类CCD又被称为科学CCD,与之相应的控制电路通常被称为CCD控制器。科学成像终端系统一般由致冷媒介、杜瓦瓶、CCD和控制器组成,统称为CCD相机。半导体器件在不同的温度下,物理性质会有所变化。这种变化最后将会反映在器件特性及其参数上面。特性和参数的变化,有些是我们所希望的,有些则是我们不希望的。就CCD器件来说,随着器件工作温度的下降,暗流将会明显地减小,由暗流而产生的噪声(暗流噪声)也随之减小,这是我们希望的结果;但另一些参数,如CTE,也会随温度的下降而下降,这却是我们不希望的。对于长时间曝光的科学成像应用来说,QE、CTE、噪声、暗流和满阱通常是CCD最重要的特性指标。这些特性的好坏,将直接影响到微光成像的质量。所以有必要研究CCD器件的这些特性在低温下的变化情况。特别是KAF_4301ECCD,由于其工作温度的下限高于我们所要求的工作温度,更需进行仔细的研究。为了研究KAF_4301ECCD的低温成像特性,有两方面的工作要做:将CCD器件制冷到所需的低温并控制温度的恒定、采集低温下的成像数据。第一项工作需要将CCD器件置于杜瓦瓶中并由致冷媒介制冷。我们先后采用过液氮和CryoTiger冷端做致冷媒介,都达到了要求的低温(最低至-110℃)。为采集CCD图像,需要将CCD连接到一个通用CCD控制器上,并在控制计算机上保存图像。通用控制器采用Lick天文台的NewCamCCD控制器。实验前要做一些准备工作,如编写、加载时钟驱动波形文件,调节电压并测试波形等。之后插上CCD(先试验工程级CCD、后用C2级CCD做实验)器件并封入杜瓦瓶,制备真空、实现制冷等。先让CCD在其常规工作温度范围内正常工作,之后将其制冷到设定的低温下进行实验测试。关于CCD特性参数如相机增益、噪声、CTE、QE、暗流和满阱等的测量原理,Janesick在其专著有比较详细的描述。虽然我们在一些具体的算法上有所改进,但基本的原理是相同的,所以下面只简单地介绍一下我们的做法。在测量相机增益、噪声和CTE时,使用放射源Fe55为光源,采集X射线的成像数据。通过统计一幅X射线图像中的单像元事件,可确定相机增益(单位e-/DN)、CTE。再用图像过扫描区的噪声方差(DN)乘以增益,得到以电子为单位的噪声(e-)。测试量子效率QE时,使用两个不同光源和一组滤光片,分别采集从蓝端到红端的一组不同波长光的图像,同时采集同光路中定标二极管的光电流(也可以是电压)。用图像数据和前面得到的相机增益可求出相应波长光信号在一块确定的CCD像元面积上所产生的电子数,用光电流可换算出相应波长光信号在相同曝光时间内到达相同的CCD像元面积上的光子数,进而计算出相应波长处CCD器件的量子效率QE。测量暗流时,先采集几幅CCD的本底图像,计算平均本底场,再做较长时间的暗场。通过这两幅图像就可以计算出平均暗流(e-/pixel/hour)。测量满阱时,要采集一系列不同曝光时间的均匀光照图像,从很小的图像数据一直到过度饱和为止。计算这组图像,可以得出光子转移曲线,从而求得CCD的满阱,也被称为饱和容量或饱和信号。3结果及其分析3.1cde的变差与cte的下降一般说来,CCD及其相机系统的CTE和噪声等随着读出条件的不同会发生变化。将CCD驱动时钟基本条件定为H2V1C,并设定了三种采样速率,慢速、中速和快速,它们的相关双积分(CDS)采样时间分别为8μs、4μs和1μs,相应的读出速率分别为22.5μs/pixel、14.4μs/pixel和8μs/pixel。图1所示的是KAF4301EC2级CCD使用大增益输出端时CTE、增益和噪声随温度的变化情况如图中Sigma是从图像的过扫描区计算得到的以DN为单位的噪声方差。在其它两种速率下,也得到了类似的结果。为使CCD在低温下有更好的CTE,又测试了一些不同读出条件下的CTE、增益和噪声,结果见表1。表1中的结果,除-90℃外,其它温度对应的不同读出条件下的数据不多,这是由于降温过程在同一温度下供采集图像的时间较少所致。在-90℃左右时温度基本稳定,故有充裕的时间进行各种不同读出条件组合的测试结果,这一列给出的是不同条件下的最好结果。从上面的实验结果可以看出,KAF_4301ECCD在工作温度低于-50℃以后,CTE也就开始低于0.99999了,而且,随着温度的下降,CTE性能也逐渐下降。相机系统的增益随温度的下降略有增加,这可能是CCD输出节点和输出放大器的低温特性所引起的。由于增益对成像质量没有什么太大的影响,这里就不详细讨论了。低温时噪声特性虽然也在变差,但它主要与增益的变化有关,况且,一个电子左右的变化对科学成像影响不是太大。CTE下降则是一个很严重的问题,因为CTE从0.99999下降到0.9999时,对于2k×2k面阵CCD,其最大转移数的像元上电荷的转移损失将从4%增大到33%。对科学成像应用来说,这是不允许的。所以CTE性能的下降就成为我们最关心的问题,下面重点加以讨论。根据半导体物理理论,CCD中电荷转移的机制有三种:自感漂移、边缘场漂移和热扩散。自感漂移是由信号电荷自身感应的电场所产生的。在电荷转移的初始阶段,载流子浓度较高,自感漂移是最重要的机制。边缘场漂移是由相邻转移门(栅极)间的电势差的存在而引起的,它在电荷转移的后一阶段占主导地位。只有当自感漂移和边缘场漂移不存在时,也就是在电荷转移的最后阶段,自由电子的转移才由热扩散引发。由文献,自由电荷扩散时间常数τth=L2/2.5Dn,其中L是转移门的长度,Dn是扩散系数,它与绝对温度T,硅的电子迁移率μSi的关系是Dn=(kT/q)μSi,其中k是玻尔兹曼常数,q是电子的电荷量。当温度下降时,虽然电子迁移率μSi增大,但热扩散系数还是因kT的减小而减小,导致扩散时间常数的增大,总的扩散时间增加。理论分析表明,自感漂移完成的时间近似等于扩散时间常数。所以温度下降会使自感漂移的时间增加。由文献,边缘场扩散时间常数τff=L/(2μSiEmin),其中Emin是转移门下的最小电场强度,它与门间的电势差、门的结构等因素相关。所以温度下降将使边缘场漂移时间常数减小,这与文献的数字仿真结果一致。不过在正常情况下,边缘场漂移时间常数比扩散时间常数小一个多数量级,所以边缘场扩散时间的增加对总的转移时间的影响很有限。此外,影响CTE性能的还有位于信号转移通道上的陷阱。这些陷阱主要分为四类:设计陷阱、加工陷阱、体陷阱和辐射陷阱。温度主要影响到体陷阱中电子的发射时间常数τe=eET/kT/(σnvthNC),其中NC是导带中有效态密度,ET是陷阱能级与导带下缘的能量差,vth是电子的热运动速度,σn是电子的截面积。分母中的几项都与温度一定的有关系,但近似计算时可把它们看成常数处理。对于浅陷阱的情况,当发射时间减小时,由于逃离体态的时间长,CTE性能得到提高;对于深陷阱的情况,当发射时间常数增加时,由于电荷被陷落的时间足够长,使得其它X射线事件转移通过陷阱时不会被俘获,CTE性能也会得到提高。当发射时间常数与驱动电荷转移的时钟的交迭时间相当时,CTE性能将大幅下降。从上面的分析可知,在有限的电荷转移时间内,温度的下降将使CTE性能变差。增加时钟交迭时间可以改善低温下CCD的CTE性能。但并不是说,时钟交迭时间越长越好。这就需要我们在设计时钟驱动电路时考虑不同CCD的时钟驱动要求。一般来说,现在的通用CCD控制器,都会考虑这个问题。不过,相对众多的CCD品种而言,通用的硬件方案毕竟是有限的。所以在这个实验中,我们采用了比较慢的读出速率,并尽量加大了时钟交迭时间,就是为了得到更好的低温CTE特性。从上面的实验也证实,读出速率对CTE性能的影响还是很大的。不过,如果要想获得更好的低温CTE特性,只有更深入地研究这种CCD器件的时钟驱动参数,并有针对性地设计控制器的时钟驱动电路,使时钟交迭时间和发射时间常数的关系达到一种较佳的情况。这属于CCD控制器的优化设计和调试的范围了。在KAF_4301ECCD用大动态范围输出端的情况下,我们只测试了2个点的数据,结果见表2。表2中两次测试的条件只是控制器增益设置不同,CTE差不多,但噪声相差近一倍。这是因为第二个测试点的控制器放大倍数设置得太小,使得相机系统增益太大,从而导致过扫描区有很小的变化,在以DN为单位的图像上产生相对较大的变化,这类似于相对地降低了模/数转换器的分辨率,造成噪声方差(DN)产生相对来说比较大的误差,最终导致测量的噪声比较大。不过这仍然在这种CCD器件噪声的最大限度(30e-)以内。正常观测时,尽量不要将增益设置得这么高。实际上,这种设置下所能测试的电荷量为65535×22.5≈1474ke-,已不属于正常观测的范围了。而且,大多数的科学用低噪声CCD相机/控制器的增益通常设置得小于10。3.2kodakcdque曲线在室温和-78℃分别测量了波长为320、350、400、450、500、600、650、700、800、900、950、1000、1050nm点上的QE,曲线如图2所示。图中3条曲线从上到下依次是KAF_4301EC2级CCD在室温下、-78℃左右和工程级CCD在-90℃左右时的QE。由于实验测量的点比较少,QE波动的细节没有全部反映出来。这个结果与厂家给出的数据比较接近,与FingerLakesInstrumentation公司在其网站上给出的KodakCCDQE曲线也很接近。将图2中室温QE曲线与低温QE曲线相比较,我们发现,在蓝端(λ≤500nm),低温QE略低于室温QE曲线,差距很小;在红端(λ≥600nm),低温QE曲线低于室温QE曲线。由半导体物理可知,硅的禁带宽度和绝对温度T的关系服从如下经验公式Eg=1.1557−7.021×10−4T21108+T(1)Eg=1.1557-7.021×10-4Τ21108+Τ(1)由此可见,在低温下,硅的禁带宽度将会有少许增加,导致光子吸收长度增加,从而使量子效率出现少量的下降。在近红外区,由于光子能量小,热运动有助于自由电子的跃迁。因此温度的下降使QE减小的情况在红端显得更严重些。3.3系统模拟结果分析为便于对比分析,由KAF_4301E的暗流随温度变化(+25℃至-20℃)的曲线导出的近似计算公式如下Dark=20.5933×100.050835t×3600(2)Dark=20.5933×100.050835t×3600(2)其中Dark代表以e_/pixel/hour为单位的暗流;t代表以℃为单位的CCD温度。文献中式(7.46)是从半导体物理特性导出的CCD暗流计算公式,它是以室温为27℃(300K)为条件导出的。现在我们从文献得到的是室温为25℃时的暗流系数,所以需要导出室温为25℃时的暗流计算公式。导出的对应室温为25℃时的暗流计算公式如下DR=3.01×1012PSDFMT1.5e-Eg/(2kT)×3600(3)其中DR是以e-/pixel/hour为单位的暗流;PS是以cm2为单位的像元面积;DFM是以pA/cm2为单位、室温25℃时的暗流系数;T是以K为单位的绝对温度;k是玻尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K);Eg是以eV为单位的禁带宽度,见式(1)。这片KodakKAF_4301EC2级CCD暗流测量结果见表3。表中前两列为实测的条件,第三列为实测暗场图像的暗流计算结果,最后两列为用导出公式计算的暗流结果。其中用式(3)计算时,DFM的取值是10.687pA/cm2,这是为了使在室温25℃时用式(2)和用式(3)得到相同的暗流计算结果384e-/pixel/sec,这个计算值在文献所给出的范围内,所以我们认为它是合理的。从表中最后两列的数据来看,用文献所给出的数据的导出公式计算结果与用理论计算公式得出的结果相差并不大,只是到更低的温度(如<-80℃)时,差别才增大,但其绝对值却并不大,况且,这时器件工作温度已超过了该器件工作温度的极限。总体上看,实测的暗流结果比用公式计算的结果要大一些,但基本上在同一数量级的水平上。从实测和计算的结果都表明,对于像元面积达24μm见方的CCD,KAF_4301E是一种暗流较低的CCD器件。3.4cd表面缺陷用大增益和大动态范围输出放大器时,实测的CCD饱和信号分别为168ke-和1580ke-,这与文献给出的指标基本一致。CCD表面缺陷或者说坏像元未做专门的测量,但从少量的暗场和平场图像可以看出,除输出放大器所在的角落有点亮角效应(估计是输出放大器照明引起的)外,整个面阵内坏像元极少。即便是那片工程级CCD,表面缺陷也比较少,但其低温下的CTE和暗流指标比C2级的CCD差一些。4cd的一般应用从前面的测试结果可以看出,KAF_4301ECCD的主要缺点是低温(<-60℃以后)时CTE性能快速下降(<0.99999)。但由于它是正面照光且QE相当高的大面阵厚片,它的价格大约只是相同光敏面阵尺寸的背面照光薄片(约10万美元)的四分之一,所以在非科学成像及一些特定的科学成像方面还是有其应用价值。下面仅就其在微光成像方面的应用进行一个简短的分析。对于长时间曝光(曝光时间以小时计)的科学成像应用,如对极暗弱天体的观测等,就不太合适了。因为极暗弱天体的信号极其微弱,需要很长时间的曝光才能获得信噪比足够的图像。然而由于CTE的限制,CCD不能制冷到很低的温度,这使暗流增大,由暗流产生的噪声则随暗流的平方根增加,从而使观测目标的信噪比减小。如果曝光时间很长,较大的暗流将使目标图像的信噪比不能满足观测的要求。对于短时间曝光(曝光时间可以用