Objective Design of Visible Light/Low-Light and Infrared Parallel Optical Path Fusion
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摘要: 现有所发布的大多数文献着重于图像融合算法的分析研究,很少有文献对采集融合图像的光学系统做出相应论述.本文根据手持融合观察镜的特点,对可见光/微光与长波红外图像融合、平行光路布局型式的融合物镜光学系统进行设计及分析.首先介绍了共光路光学布局型式与平行光路光学布局型式的优缺点,根据手持融合观察镜的特点选择了平行光路的光学布局型式;其次根据手持融合观察镜指标的要求对可见光/微光物镜进行"消热差"、定焦光学设计,针对长波红外物镜开展内调焦式光学设计;第三根据所设计的融合物镜光学系统,从平行光路光学布局型式、放大率及畸变变化3个方面对图像配准精度进行分析;最后对手持融合观察镜实际场景的融合图像进行分析判断,得出融合图像质量好,能满足手持融合观察镜融合性能的要求.
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0. 引言
微光图像数字化是微光夜视技术的发展趋势,实现微光数字化主要有ICCD(Intensified Charge Coupled Device,ICCD)、EMCCD(Electron-Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)、EBCCD(Electron-BomBarded Charge Coupled Device)、EBCMOS(Electron-BomBarded CMOS,EBCMOS)等途径[1-3]。EBCMOS器件利用电子敏感BCMOS图像传感器(以下将“BCMOS图像传感器”简称为“BCMOS”)将传统微光像增强器的微通道板(Microchannel Plate,MCP)和荧光屏部件替代,使光激发阴极产生的光电子在高压电场作用下直接轰击电子敏感BCMOS实现电子倍增及数字图像信号输出,其具有高灵敏度、低噪声、较低功耗和可进行单光子成像等优点,是一种理想的新型微光成像器件[4-7]。
具有电子敏感特性的BCMOS作为EBCMOS探测器的核心部件,其电子倍增系数、暗电流等参数直接影响EBCMOS探测器最低可工作照度、信噪比等指标。Barbier R.[8]等指出,将BCMOS的硅外延层厚度减薄至8 μm左右,通过离子注入工艺在硅表面形成重掺杂P+层,并经激光退火等工艺可实现具有电子敏感特性的BCMOS制备,但该工艺复杂、对设备依赖度高,难以在国内开展类似研究。王生凯[9]、乔凯[10]等提出,采用氧化铝钝化层的BCMOS具有电子敏感特性,并通过实验证明了厚度为10 nm的氧化铝钝化层对提高电子倍增系数、抑制暗电流的有效性。EBCMOS探测器在工作时电子会持续轰击BCMOS,Nathan Eric Howard[11]等对采用SiO2、Si3N4等材料做钝化层的BCMOS在经受离子、高能电子、高能射线照射后的暗电流增加原因进行了分析,但低能电子轰击对氧化铝钝化层的BCMOS暗电流的影响因素不完全清楚。
本文针对上述问题,模拟EBCMOS探测器制备工艺及工作条件,在特定入射电子能量、累计轰击电子剂量条件下,对研制的厚度为10 nm的氧化铝钝化膜BCMOS电子轰击后暗电流变化规律进行研究,并基于已有CMOS图像传感器暗电流产生理论,分析了暗电流增加的主要原因。
1. 实验
该实验基于国内某款CMOS,通过对其表面进行减薄处理后,将该芯片与基座进行共晶粘接、打线,获得减薄BCMOS,然后采用电子束蒸镀的方式进行钝化层制备。利用高能电子轰击铝靶产生铝蒸汽,在腔体中通入高纯氧与铝蒸汽反应产生氧化铝,氧化铝膜沉积在基底上,沉积速率为0.5Å/s,镀膜中采用晶体膜厚仪对氧化铝膜层厚度进行实时监测,实现对镀膜速率和厚度的自动控制。电子束蒸镀法具有薄膜均匀性好、孔洞少、工艺条件简单、适合于批量生产等优势,本次实验氧化铝膜层厚度为10 nm。
本次实验采用的实验装置是自主研制的低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备,测试设备如图 1所示。其中多级连微通道板(MCP)组、BCMOS放置于真空腔体内部,腔体真空度优于5×10-8 Pa。真空腔室外部设置有紫外光源、透紫外玻璃窗口、多路高压偏置电路、微电流计、BCMOS图像传感器信号读出装置及其成像测试板,以及计算机。其中BCMOS信号读出装置可实现真空腔体内部BCMOS信号与真空腔体外部成像测试板的电信号连通,通过上位机软件可以实现对BCMOS光电参数的控制以及测试数据的快速处理,可实现暗电流、平均输出灰度值、信噪比等参数的测量。
测量方法为:①将待测试的BCMOS安装在真空腔室内,利用超高真空排气系统对真空腔室排气,待真空腔室内部真空度优于1×10-6 Pa时,利用烘箱对真空腔室进行200℃的烘烤除气处理,将真空腔室内部真空度提高至5×10-8 Pa以上,使得电子敏感BCMOS所处状态尽可能接近其在EBCMOS探测器内部工作的状态;②真空腔室烘烤结束且温度恢复室温后,如图 1连接所示,开启紫外灯光,使得紫外光经过石英玻璃观察窗进入真空腔室内部,激发MCP发射光电子,激发的光电子在多级联MCP倍增后形成轰击电子束源,通过调节多级连MCP倍增电压和输出电压参数,可以控制入射至BCMOS表面的电子束密度和轰击能量,并通过BCMOS地引线可获得轰击到BCMOS表面电子束密度的测量;③在特定剂量电子束轰击BCMOS后,通过成像测试板监测BCMOS的暗电流数值,获得轰击电子能量、累计轰击电子数与BCMOS暗电流对应关系。
2. 实验结果及分析
2.1 实验结果
本文实验包括3方面内容:①同一样品在不同电压轰击时暗电流变化情况;②相同钝化层厚度的2只样品在不同电压轰击时暗电流变化情况;③电子轰击后BCMOS静置状态下暗电流变化情况。
1)同一样品在不同电压轰击时暗电流变化
将制备的氧化铝钝化层BCMOS装入低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备,进行烘烤除气处理,系统真空度达到4.5×10-8 Pa后,测量该传感器初始暗电流为150 e-/pixel/s,然后通过调节紫外光源强度、多级联MCP电压,使得入射到BCMOS表面的电子密度达到(40±1)nA/cm2;通过调节MCP输出端电压,使得输出电压分别达到-300 V、-600 V、-900 V、-1200 V和-1500 V,且在每个电压条件下轰击时间均为4 h,当轰击时间达到4 h时,关闭上述紫外光源和MCP输出端各极电压,监测BCMOS的暗电流数值,暗电流数据如表 1所示。由表 1可知,当轰击电子能量为300 eV时,BCMOS暗电流增长不足5%,轰击电压调制600 eV后,BCMOS暗电流逐渐增加,增长超过5倍,且随着累计轰击电子数增加,暗电流明显增加,但增长速率有所减小,最后达到最大值12000 e-/pixel/s。
表 1 不同电压条件轰击后暗电流监测值Table 1. Dark current monitoring values after bombardment under different voltage conditionsBombardment electron energy/eV Dark current/(e-/pixel/s) Dark current growth rate 1 300 157 4.7% 2 600 986 528.0% 3 900 3827 288.1% 4 1200 9815 156.5% 5 1500 12000 22.3% 2)不同样品在不同电压轰击条件下暗电流变化
为了验证电压对暗电流影响,将制备的2只厚度为10 nm的氧化铝钝化层BCMOS分别装入低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备,进行烘烤除气处理,系统真空度达到4.5×10-8 Pa后,通过调节紫外光源强度、多级联MCP电压,使得入射到BCMOS表面的电子密度达到(40±1)nA,并调节MCP输出端电压,使得输出电压分别达到-1200 V和-1500 V,并在轰击过程中监测BCMOS图像传感器的暗电流数值,具体数据如图 2所示。由图 2可知,在轰击初始时刻,暗电流随累计轰击电子数成线性增加,且电子轰击能量越大,暗电流增加速率越大,随着累计电子轰击数增加,暗电流增加速率减小,且最终均趋于饱和,饱和值约为12000 e-/pixel/s。
3)电子轰击样品大气环境静置后暗电流变化数据
将电子轰击后BCMOS存储在电子干燥柜中,并每隔24 h在大气条件下,按照通用测试方法对其暗电流数值进行监测,其暗电流变化如图 3所示,其在静置初期,暗电流减小速率较大,随着静置时间延长,暗电流减小速率减小,并趋于稳定值,其整体衰减趋势为指数衰减。
2.2 实验分析
电子轰击BCMOS图像传感器时,入射电子首先进入钝化层内部,通过电离、晶格碰撞散射等方式损伤部分能量,然后进入硅材料内部,通过与硅原子碰撞散射,或使硅电离产生电子空穴对,并在内建电场作用下使得电子向体内漂移,由于本实验仅研究1.5 keV以内电子轰击情况,根据前期研究,入射电子能量为2 keV时其入射深度约为50 nm[8],因此上述碰撞电离过程均发生在表面50 nm以内的深度。
电子轰击固体材料表面时,可能会产生X射线,Nathan Eric Howard给出了电子轰击硅基材料时X射线发生率,如图 4所示[11],入射电子能量超过1.8 keV时,会产生软X射线,本实验所研究的轰击电子能量不超过1.5 keV,则可不考虑X射线对BCMOS造成的影响。
根据上述分析,本实验电子轰击后引起的BCMOS暗电流增加,主要与BCMOS钝化层、钝化层与硅界面或硅表面晶格损伤有关,为进一步明确暗电流增加的内在原因,特基于蒙特卡洛仿真、电子轰击造成硅晶格损伤机理,以及Shockley-Read-Hall理论3个方面进行了分析,具体如下:
1)钝化层电子模拟仿真
为分析电子轰击引起钝化层变化对暗电流的影响,特利用CASINO软件对入射电子在钝化层内部的运动轨迹进行仿真研究。仿真基本参数条件为:P型硅衬底厚度10 μm,氧化铝厚度10 nm,入射电子能量分别为300 eV、600 eV,入射角度为90°,仿真结果如图 5所示。
如图 5(a)所示,当电子能量为300 eV时,电子最大入射深度约为7 nm,无法到达钝化层与硅界面;如图 5(b)所示,当电子入射能量为600 eV时,部分电子可穿过钝化层。根据电子轰击过程中当电子能量为300 eV时,暗电流几乎不变,而电子轰击能量增加至600 eV以后时,暗电流开始增加,据此可以推断,暗电流增加与透过钝化层的电子有关系。
2)入射至硅晶体内部电子引起硅晶格损伤分析
当晶格原子接受的能量达到某一临界值(称为原子位移阈值),晶格原子将离开原来的格点位置,发生原子位移,产生点缺陷,这种晶格损伤是永久损伤。
位移损伤会诱发CMOS体Si禁带中的空位-间隙对和体缺陷的产生,入射粒子能量越大,晶格内发生位移的原子就越多,从而形成新的复合中心,从而使载流子的迁移率减小,电阻率增加,少数载流子寿命降低,体缺陷会成为载流子的散射中心,从而使载流子迁移率降低,这相应地增加了耗尽区的宽度,少子寿命随辐照注量的增加而减少,这都会造成CMOS体暗电流增大[12]。
晶格原子的位移阈值能量Ed描述晶体受辐照损伤的难易程度,Ed取决于晶体结构/掺杂等情况,对硅和锗等四面键合结构,Baiierlein和Sigmund给出了Ed=6~16 eV的结果,Lofershi给出的结果为12.9 eV[12]。而本实验入射电子能量最大为1.5 keV,可利用公式(1)计算碰撞能量传递。
$$E_{\mathrm{A}}=2 E\left(E+2 m_{\mathrm{e}} c^2\right) /\left(M c^2\right)$$ (1) 式中:M为晶格原子静止质量;me为入射电子质量;E为入射电子能量;c为光速。
根据公式(1)计算可得,当入射电子能量为1.5 keV时,EA约为0.15 eV,远小于位移阈值能量Ed,并且在本实验中,电子轰击后暗电流有恢复至初始状态的趋势,这与晶格损伤为永久损伤的特性相悖,具体判断,本实验暗电流增加主要是由于钝化层与硅界面处缺陷增加所致。
3)界面缺陷密度增加对暗电流影响分析
根据Shockley-Read-Hall理论模型,界面缺陷态引起的电子产生率满足公式(2),而电子产生率与BCMOS图像传感器的暗电流成正比[11]。
$$ G = \left[ {\frac{{{\sigma _{\text{p}}}{\sigma _{\text{n}}}{\upsilon _{{\text{th}}}}{N_{\text{t}}}}}{{{\sigma _{\text{n}}}\exp \left( {\frac{{{E_{\text{t}}} - {E_{\text{i}}}}}{{KT}}} \right) + {\sigma _{\text{p}}}\exp \left( {\frac{{{E_{\text{i}}} - {E_{\text{t}}}}}{{KT}}} \right)}}} \right]{n_i} $$ (2) 式中:为电子产生率;σp是空穴俘获截面;σn是电子俘获截面;Nt是缺陷能级密度;υth是电子和空穴运动速率;Et是缺陷能级能量;Ei是硅的本征费米能级;K是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;ni为本征载流子浓度。
由公式(2)可得,暗电流与缺陷态密度成正比,根据半导体物理理论[13],半导体表面缺陷态密度最大为1015原子/cm2,其存在最大值,这与实验中观察到的暗电流存在最大值的现象吻合,根据上述分析,入射电子引起氧化铝钝化层与硅界面处缺陷态增加,是引起上述现象的主要原因。
3. 结论
本文采用电子束密度为40 nA/cm2,电子能量为300~1500 eV的电子束对厚度为10 nm的氧化铝钝化层的BCMOS图像传感器开展电子轰击实验,首先根据实验结果得,当电子能量超过600 eV时,入射电子会造成BCMOS图像传感器暗电流增加,且随着入射电子能量增加,暗电流增加速率增加,其暗电流存在最大值,约为12000 e-/pixel/s;然后根据蒙特卡洛仿真结果分析指出入射电子能量为300 eV时,电子无法达到氧化铝与硅界面,而当入射电子能量达到600 eV时,入射电子可到达氧化铝与硅界面;之后根据电子轰击硅晶格能量传递计算判断,入射能量≤1.5 keV时电子碰撞不会造成硅晶格损伤;最后根据Shockley-Read-Hall理论分析指出入射电子引起氧化铝钝化层与硅界面处缺陷态增加,是引起上述现象的主要原因。
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期刊类型引用(4)
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