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安防视频监控系统中的紫外线摄像机

 安防视频监控系统中的紫外线摄像机(图1)
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的军民两用光电探测技术。由于紫外光的波长比可见光短,因而它又称为"黑光",因为它可以引起某些材料在黑暗中发光。因此,它在公安刑侦、纸币与证件等防伪检测方面均有很好的应用;在医学、生物学等领域有着广泛的应用,如在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节,并可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、白血球、红血球、细胞核等,其检测不但迅速、准确,而且直观、清楚;在军事上,它主要用于紫外告警、紫外通信、紫外/红外复合制导和导弹跟踪及监视天空、研究远距离星体等方面。

一、紫外成像器件类型

(1)紫外成像增强器。它是一种为导弹羽烟紫外辐射探测的一种探测器。其中,微通道(MCP)像增强器具有响应速度快、抗磁场干扰能力强、结构紧凑、体积小、质量轻、图像读出方便等优点,用于紫外探测成像,可获得高分辨率、高灵敏度。

紫外像增强器的光谱响应主要取决于光电阴极的材料。在Ⅱ-Ⅵ族化合物中,CsTe、RbTe和CsRbTe光电阴极对紫外光(160~300nm)有很高的灵敏度,而对可见光不灵敏。在253.7nm处的量子效率为20%,显示出很好的“日盲”特性。因此,对穿过大气层到达地球表面的太阳光(波长小于290nm)不灵敏,具有高灵敏度、低噪声与探测微弱信号的能力,因而利用导弹羽烟的紫外辐射,能探测导弹的运动及落点。由于紫外成像增强器是电真空器件,因而其体积、质量都比较大。

(2)紫外固体成像器件。由于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如GaN(氮化镓)InN(氮化铟)、

A1N(氮化铝)三种材料的禁带宽度分别为3.4eV、1.9eV、6.2eV,覆盖了从可见光到紫外光波段,从而使紫外探测、成像器件的制作材料有了很大的选择空间。

与成熟的半导体Si材料相比,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料普遍具有耐高温、低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特性,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成器件。在这些材料中,以GaN和AIGaN尤为突出。

GaN是一种宽禁带的半导体,它十分稳定,具有强硬度、抗常规湿法腐蚀的特点,用它所制成的探测器对能量大于3.4eV的光子有很大的响应度,因而它主要用于紫外光探测与成像。显然,紫外固体成像器件具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点,因而广泛用于宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、飞机尾焰探测、火灾探测等领域。

二、GaN紫外摄像机

GaN紫外探测器的结构主要有光电导型、光伏型。光伏型结构中又分PN结型、PIN型、肖特基结型、MSM(金属-半导体-金属)型、异质结型等,用它们均可制成紫外摄像机。

北卡罗来纳大学的研究人员与美国陆军夜视实验室合作研制了一种以GaN为基础的可见光盲紫外摄像机。这种摄像机包含一个32x32GaN/AIGaN异质结PIN光电二极管阵列。底层为N掺杂的GaN,具有接近20%的AI,其上是一层非掺杂的GaN层,再上是一层P掺杂的GaN层。整个结构建立在一个光能穿过的抛光的蓝宝石基底上。每一个光电二极管都对320~365nm的光波具有敏感的响应。波长小于320nm的光被AIGaN底层吸收,波长大于365nm的光穿过GaN。增加底层和顶层Al的含量可改变光电二极管的带宽。

1999年美国北卡罗来纳州立大学夜视实验室和霍尼韦尔技术中心研制出1024像元的AIGaN紫外光电二极管阵列,该阵列响应波长为365nm,目前,他们已用该阵列组装成数字紫外摄像机。

三、紫外CCD摄像机

紫外CCD摄像机以方(delta)掺杂CCD技术为基础,包括一个2.5nm厚的硅掺杂层,该掺杂层用分子束外延(MBE)生长在一个薄的CCD背面,。掺杂能增强对由紫外光子照射产生的电子的探测能力,效率几乎可达200%«为增强0.3-0.7gm的灵敏度,可在传感器阵列涂上抗反射涂层,这样可使激活区的画面传递达到256x512像元,有效速度为30帧/秒,为便于摄像机操作,其中还可装入实用的电子部件。

1998年,日本滨松公司开发成功了新型紫外薄型背照式电荷耦合器件(Back Thinned Charge Coupled Device,BTCCD),由于采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术,该BTCCD不仅具有固体摄像器件的一般优点,而且具有噪声低,灵敏度高、动态范围大的优点。BTCCD框图如图1所示。

 安防视频监控系统中的紫外线摄像机(图2)

图1 BTCCD概图

由图可见,它主要由垂直CCD移位寄存器,水平CCD移位寄存器和锁相放大器三部分组成。在时钟脉冲驱动下,信号电荷由垂直CCD移位寄存器一步一步地输送到水平CCD移位寄存器,再由锁相(定)放大器变换成电压信号输出。其中锁相放大器作用比较重要,它有很高的电荷一电压变换灵敏度和很低的噪声,因而它的信噪比和灵敏度都很高。BTCCD有很高的紫外光灵敏度,它在紫外波段的量子效率如图2所示,在紫外波段,量子效率超过40%,可见光部分超过80%,甚至可以达到90%左右。

 安防视频监控系统中的紫外线摄像机(图3)

图2 BTCCD的量子效率

由此可见,BTCCD不仅可工作于紫外光,也可工作于可光。因此,BTCCD是一种很优秀的宽波段摄像器件。BTCCD之所以有很高的灵敏度,这主要是由其结构特点决定的。首先,与FI-CCD相比,硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下;其次,它采用背照射结构,因此紫外光不必再穿越钝化层。

此外,滨松公司还开发出MOS(Metal Oxide Semiconductor)摄像器件的摄像机,这种紫外线MOS摄像器件的结构比较简单,制造也相对容易。它在紫外区的量子效率可达30%,并有较高的紫外光灵敏度。