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奥林巴斯显微镜成像,量子效率

2013-11-20  发布者:admin 

 一个电荷耦合器件(CCD)的量子效率的光电响应创建和成功地读出由设备的每个入射光子的电子 - 空穴对的数目定义为一个属性。 此属性是特别重要的应用,如荧光显微镜发射光子的波长在375-550纳米范围内,往往是具有相对高的硅的吸收系数低光成像。 标准的CCD,通过在栅电极和氧化物覆盖在设备前面的,它们被照亮的,更敏感的绿色和红色的波长550和900纳米之间的区域中。

CCD光谱灵敏度

的CCD的光谱灵敏度不同的一个简单的硅光电二极管检测器,因为CCD表面具有用于电荷转移,多晶硅栅电极,薄膜二氧化硅和氮化硅钝化层所屏蔽的信道。 这些结构中,用于传输从成像区域的电荷从湿度和静电放电保护CCD,吸收较短的波长(450纳米和更低),该设备减少蓝色的灵敏度。 低于600纳米的多晶硅的透射率开始降低,材料变得基本上是不透明的,在400纳米的光子,但吸收取决于栅极的厚度和CCD表面的薄膜上的光通过干涉效应。 隔行传输CCD具有偏离标准的多​​晶硅栅结构的一个因素,减少干扰的影响,并产生一个更理想和更均匀的光谱响应的光电二极管。 这些设备也通常配有垂直antibloom下水道产生减少响应于较长波长的光子。 高于700纳米的光子穿透深入到硅衬底接近埋地排水,他们有一个更大的机会,释放出电子,将扩散到漏,并立即删除。 量子效率也取决于栅极电压,更低的电压产生小的耗尽区,反之亦然。

传统的胶片乳剂在可见光光谱的蓝色区域的过敏,在由CCD的一个特点,往往导致在胶片上拍摄的图像,并用CCD记录之间的颜色差异显示的响应。 像素的几何形状的更小的增长,作为蓝色传感器的响应的蓝色光吸收问题的增加迅速减小像素大小。

一个典型的一个标准的CCD的光谱灵敏度曲线示于图1(标准CCD),它应该指出的是,一个单独的硅光电二极管的峰值量子效率为40%,显着低于。 涟漪在频谱发生,因为从CCD表面的薄膜干涉效应。 最近已增加与一些科学级的CCD(蓝加曲线图1),通过使用的开拓栅极材料和专有的荧光体涂料的蓝绿色的灵敏度大幅改善,通道的透明度。 这种类型的涂料(LUMOGEN)直接存入到阵列表面发光短的波长(120到450纳米)高能量的紫外线和可见光激发时,在500至580纳米的地区。 嵌入在涂层内的荧光体产生的二次在所有方向上发射的荧光,只有那些进入阵列的光子被吸收,得到约15%到20%的量子效率。 该涂料对可见光透明的,因此它们不会影响超过450纳米的波长处吸收光子,产生一个明显的光谱响应范围几乎1000纳米(120至1100纳米)。

为了进行比较,图1还示出对于人眼的光谱灵敏度曲线,对应的明和暗视觉,所产生的视锥细胞和杆,分别。峰值灵敏度是绿色(白昼暗光在555纳米和507纳米)与明视觉的3%和10%暗适应最大量子效率。 从这个数据,很明显,我们的眼睛相比,科学级CCD相机具有更广泛的光谱灵敏度与高得多的量子效率。

栅极沟道的结构所产生的损失,完全消除了在背照式CCD。 在本设计中,光落到后面的C​​CD的区域中,已通过蚀刻减薄,直到它是透明的(对应于约10至15微米)的厚度。 也示于图1和图2(背面减薄,背照式CCD),将得到的光谱灵敏度曲线,示出使用此配置,可实现高量子效率。 然而,早细化结果在一个微妙的,相对昂贵的传感器,迄今为止,只有采用高端科学级CCD相机。

防反射涂层中使用的薄型背照式CCD的提高量子效率,但它是不可能产生的涂层在整个可见光范围内是有效的。 增加在较长的波长的光谱响应的涂料往往会产生较低的波长的光子的吸收相应减少,所以研究正在进行的生产在整个可见光光谱是有效的防反射涂层。

光生伏打效应,其中在光子的形式的光能量被转换成电子的潜力,是依赖于广泛的条件。 当在400至1100纳米范围的可见光和红外光的光子碰撞的位置的CCD基板内的硅原子,电子从价带激发到导带的光子之间的反应和硅轨道电子。 有许多因素决定,包括的吸收系数,光子复合寿命,扩散长度,和CCD表面上的覆盖材料的化学和物理性质的光能量由量子电子产生的电荷的量。 在硅中的光子的吸收系数是随波长变化,到硅衬底中,比具有更短的波长的长波长(大于800纳米)的光子穿透更深。

在光子的能量大于带隙能量的情况下,电子被激发到导带的概率较高,因而成为移动。 这种相互作用也被称为光电效应 ,取决于临界波长以上的光子有足够的能量,以激发或促进位于价带中的电子产生一个电子-空穴对。 当光子超过临界波长(通常超过1100纳米),带隙能量大于内在的光子能量,光子完全穿过所述硅衬底。 表1列出了一个典型的CCD 90%的入射的光子被​​吸收的深度(微米)。

无论是在耗尽区或内的散装材料(硅)的CCD基板450和700纳米之间的波长的光子被吸收。 吸收到耗尽区将有接近100%,而进入基板中解放出来的电子遇到一个三维随机游走和任一重组的耗尽区到与孔或弥漫性的光子的量子效率。 对于那些电子的扩散长度可忽略不计,量子效率是非常低的,但具有高的扩散长度以及最终达到一个充电。

在硅光子吸收深度
波长 
(纳米)
穿透深度 
(微米)
400 0.19
450 1.0
500 2.3
550 3.3
600 5.0
650 7.6
700 8.5
750 16
800 23
850 46
900 62
950 150
1000 470
1050 1500
1100 7600
表1

专为科学应用在数码相机使用的CCD阵列被密封在一个受保护的环境,以减少工件,提高响应,并延长CCD生活。 入射的光子,通常必须通过在玻璃或石英窗到达像素阵列和输入的硅衬底。 窗口表面的反射损失发生在所有波长的光子,光子透过玻璃的透光率(但不石英)急剧下降,低于400纳米的波长。 科学级CCD传感器是专为需要高灵敏度和使用石英涂层来降低反射所有波长的应用。