如何理解光学显微镜数字成像的量子效率

2021-09-10 13:34:41 admin 6

如何理解光学显微镜数字成像的量子效率?这个问题说起来比较复杂,首先光学的构成就是很复杂的一个过程,再加上数字成像的电荷偶器件(CCD)的采集图像。下面咱们来捋一捋这个问题。

电荷耦合器件 (CCD) 的量子效率是光伏响应的一种特性,定义为器件为每个入射光子创建并成功读取的电子-空穴对的数量。这种特性对于低光成像应用尤其重要,例如荧光显微镜,其中发射光子波长通常在 375-550 纳米范围内,并且在硅中具有相对较高的吸收系数。标准 CCD 通过栅电极和氧化物涂层在器件前部照射,对 550 至 900 纳米区域内的绿色和红色波长更敏感。

CCD 的光谱灵敏度不同于简单的硅光电二极管探测器,因为 CCD 表面具有用于电荷转移的通道,这些通道被多晶硅栅电极、二氧化硅薄膜和氮化硅钝化层屏蔽。这些结构用于从成像区域转移电荷并保护 CCD 免受湿气和静电放电的影响,吸收较短的波长(450 纳米及以下),从而降低设备的蓝色灵敏度。多晶硅透射率在 600 纳米以下开始下降,材料在 400 纳米处对光子基本上不透明,但吸收取决于栅极厚度和光穿过 CCD 表面薄膜的干涉效应。行间传输 CCD 具有偏离标准多晶硅栅极结构的光电二极管,这一因素可减少干扰效应并产生更理想和更均匀的光谱响应。这些设备通常还配备垂直防溢出排水管,从而减少对较长波长光子的响应。当超过 700 纳米的光子深入到靠近埋漏的硅衬底时,它们有更大的机会释放电子,这些电子将扩散到漏中并立即被移除。量子效率还取决于栅极电压,较低的电压会产生小的耗尽区,反之亦然。这些设备通常还配备垂直防溢出排水管,从而减少对较长波长光子的响应。当超过 700 纳米的光子深入到靠近埋漏的硅衬底时,它们有更大的机会释放电子,这些电子将扩散到漏中并立即被移除。量子效率还取决于栅极电压,较低的电压会产生小的耗尽区,反之亦然。这些设备通常还配备垂直防溢出排水管,从而减少对较长波长光子的响应。当超过 700 纳米的光子深入到靠近埋漏的硅衬底时,它们有更大的机会释放电子,这些电子将扩散到漏中并立即被移除。量子效率还取决于栅极电压,较低的电压会产生小的耗尽区,反之亦然。

与 CCD 显示的响应相反,传统的胶片乳剂对可见光谱的蓝色区域高度敏感,这一特性通常会导致胶片上捕获的图像与用 CCD 记录的图像之间存在色差。随着像素几何形状变小,蓝光吸收问题会随着传感器的蓝色响应随像素尺寸迅速降低而增加。

标准 CCD 的典型光谱灵敏度曲线如图 1(标准 CCD)所示,应注意 40% 的峰值量子效率明显低于单个硅光电二极管的效率。由于 CCD 表面上的薄膜的干涉效应,光谱中会出现波纹。最近,通过使用开创性的栅极材料和专有的荧光粉涂层,一些科学级 CCD(图 1 中的 Blue Plus 曲线)的蓝绿灵敏度显着提高,通道的透明度得到了提高。这种类型的涂层 (Lumogen) 直接沉积在阵列表面上,当受到短波长(120 至 450 纳米)高能紫外线和可见光的激发时,会发出 500 至 580 纳米区域的光。嵌入涂层中的磷光体产生二次荧光,向各个方向发射,只有进入阵列的光子才会被吸收,从而产生大约 15% 到 20% 的量子效率。涂层对可见光是透明的,因此它们不会影响波长超过 450 纳米的光子吸收,产生近 1000 纳米(120 至 1100 纳米)的表观光谱响应范围。

为了进行比较,图 1 还说明了人眼的光谱灵敏度曲线,分别对应于视锥和视杆产生的明视觉和暗视觉。峰值灵敏度为绿色(明视觉在 555 纳米,暗视觉在 507 纳米),明视觉的最大量子效率为 3%,暗视觉为 10%。从这些数据中可以明显看出,与我们的眼睛相比,科学级 CCD 相机具有更宽的光谱灵敏度和更高的量子效率。


在背照式 CCD 中完全消除了由于栅极通道结构造成的损失。在这种设计中,光线落在 CCD 背面的一个区域,该区域已经通过蚀刻变薄,直到它变得透明(对应于大约 10-15 微米的厚度)。由此产生的光谱灵敏度曲线也显示在图 1 和图 2(背薄和背照式 CCD)中,说明了这种配置可以实现的高量子效率。然而,背部变薄导致传感器精致、相对昂贵,迄今为止,该传感器仅用于高端科学级 CCD 相机

抗反射涂层用于背面减薄 CCD 以提高量子效率,但不可能生产在整个可见光范围内都有效的涂层。增加较长波长光谱响应的涂层通常会相应减少较低波长光子的吸收,因此正在进行研究以生产在整个可见光谱范围内都有效的抗反射涂层。

光伏效应,其中光子形式的光能被转换为电子势,取决于广泛的条件。当 400 至 1100 纳米范围内的可见光和红外光子与位于 CCD 基板内的硅原子碰撞时,由于光子与硅轨道电子之间的反应,电子会从价带激发到导带。许多因素决定了光能量子产生的电荷量,包括吸收系数、光子复合寿命、扩散长度以及 CCD 表面上覆盖材料的化学和物理性质。硅中光子的吸收系数与波长有关,

光子与硅的相互作用

了解入射光子的波长如何影响它们在 CCD 中被吸收和产生电子的能力。

在光子能量大于带隙能量的情况下,电子很有可能被激发到导带中,从而变得可移动。这种相互作用也称为光电效应,取决于临界波长,高于该波长时,光子没有足够的能量来激发或促进位于价带中的电子并产生电子-空穴对。当光子超过临界波长(通常超过1100纳米)时,带隙能量大于本征光子能量,光子完全穿过硅衬底。表 1 列出了 90% 的入射光子被典型 CCD 吸收的深度(以微米为单位)。

大多数波长在 450 到 700 纳米之间的光子在耗尽区或在 CCD 基板的体材料(硅)内被吸收。那些被吸收到耗尽区的量子效率将接近 100%,而进入衬底的光子会释放电子,这些电子会经历三维随机游走,然后与空穴复合或扩散到耗尽区。对于那些扩散长度可以忽略不计的电子,量子效率非常低,但那些具有高扩散长度的电子最终会很好地达到电荷。

硅中的光子吸收深度
波长
(纳米)
穿透深度
(微米)
4000.19
4501.0
5002.3
5503.3
6005.0
6507.6
7008.5
75016
80023
85046
90062
950150
1000470
10501500
11007600
表格1

用于科学应用的数码相机中使用的大多数 CCD 阵列都密封在受保护的环境中,以减少伪影、改善响应并延长 CCD 寿命。进入的光子通常必须穿过玻璃或石英窗口才能到达像素阵列并进入硅基板。窗口表面的反射损耗发生在所有光子波长上,对于波长低于 400 纳米的光子通过玻璃(但不是石英)的透射率急剧下降。科学 CCD 传感器专为需要高灵敏度的应用而设计,并使用石英涂层来减少所有波长的反射。


通过这些,咱们对于如何理解光学显微镜数字成像的量子效率这一概念有木有新的认识呢?其实显微镜成像学是一门比较高深的学问,在未来的科学运用中,我们的伟大的科学家,将会研究出更加方便更加高端的CCD,来满足我们对于实验的要求。