Part 3a: 探测器

Part 3a: 探测器


概述

阵列检测器的光谱覆盖范围主要取决于其材料。 B & W Tek, Inc.提供三种不同材料的阵列式检测器,即硅基CCD阵列和硅基光电二极管阵列(PDA), InGaAs检测器阵列和PbS检测器阵列,可覆盖从190-2900nm的宽波长范围。 

*注: 归一化检测灵敏度(D*)被用来对不同类型的检测器进行比较,由于检测器的面积和带宽会对检测灵敏度产生影响,因此在定义归一化检测灵敏度时需要消除这些影响,所以归一化检测灵敏度的定义如下:D* = (A⋅Δf)1/2/NEP, 其中A为检测器的面积,Δf是电带宽,NEP是能使检测器产生与其RMS噪声相等的输出信号的光通量,以watt为单位。

硅基CCD阵列的D*的峰值出现在可见光范围,数值大概为1013 cm⋅Hz1/2/W,其光谱覆盖范围为190-1100nm,InGaAs阵列的波长覆盖范围为900-1700nm,其峰值D*大概为1012 cm⋅Hz1/2/W。扩展型InGaAs阵列的波长覆盖范围为1100-2600nm,峰值D*大概为1011 cm⋅Hz1/2/W。PbS阵列覆盖范围为1100-2900nm,峰值D*大概为1011 cm⋅Hz1/2/W。PbS阵列在>2000nm的波长范围内比扩展型InGaAs阵列具有更高的灵敏度。

阵列检测器的光谱覆盖范围同样也受到其结构的影响。前照射式CCD在可见光范围内具有好的响应度(检测灵敏度),但其在紫外区(波长<380nm)的响应度很低,这是因为其感应区域上方的转移电极对入射的紫外光子具有很高的吸收,这导致这类的CCD的紫外响应很低甚至没有。为了提高这类CCD的紫外响应,往往采用在这类CCD表面涂上紫外增强涂层的办法。这种涂层材料可以吸收紫外光子,然后在可见区以一定的转化效率再发射出来,从而达到“增强”CCD的紫外响应的效果,这些涂层一般仅能使前照射式CCD的紫外区的量子效率提高3-7%。薄型背照式CCD(BT-CCD)阵列由于其结构的不同,因此可以提供比前照射式CCD高得多的紫外响应*。另外,由于其收集光的方向与前照射式CCD不同,因此其表面的转移电极不会使入射光衰减,所以BT-CCD在其响应范围内的可见和近红外区的响应也比前照射式CCD高。光电二极管阵列(PDA)由于读出噪声大,所以其检测灵敏度低于CCD阵列,但是由于没有CCD阵列表面的转移电极,因此可以在整个硅的响应范围(190-1100nm)内提供更好的光谱响应。另外,通过改变掺杂的材料,它的近红外范围内的响应还可以得到进一步的增强。

*注:电子耦合器件(CCDs)可以在硅片内将光转化为一定量的电子电荷。根据光接收面的不同,CCD一般分为两类:前照射式CCD(如Sony ILX511和Toshiba TCD1304)和薄型背照式CCD。 前照射式CCD从器件前面接收和检测光,由于其前部的氧化层、多晶硅电极和表面保护层对光都会进行吸收和反射,因此前照射式CCD的峰值量子效率仅有40-55%左右(见图3-3)。另外,前照射式CCD对紫外光的响应很低甚至没有。为了解决这个问题,人们设计发明了薄型背照式CCD,它通过化学蚀刻和打磨等方法使其硅层的厚度降低到15μm左右。光从CCD的背面进入,从而避免了表面的转移电极对光的阻挡,另外还可以在薄的背面再涂上防反射涂层以提高T-CCD响应。因此,与前照射式CCD相比,BT-CCD在宽的波长范围内都具有更高的量子效率(峰值大于90%)。在短波近红外区域,波长较长的光将会在BT-CCD的正面和背面进行多次反射从而形成干涉,因此B-CCD在这个区域内的光谱响应会呈现一定形状的干涉谱形。由于BT-CCD的产量低,制造工艺复杂,因此其价格大大高于前照射式CCD。