CCD相機(jī)和EMCCD中的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)

評價(jià)一臺CCD或EMCCD相機(jī)級別高低或質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)是信噪比（SNR）。科學(xué)客觀的信噪比定義為：

其中，QE為CCD芯片的量子效率，N_**為各種噪聲，P為信號入射到像素上的光子通量，G為EMCCD的放大倍率（對CCD而言，G=1），F為噪聲因子。由上式可以清楚看到，信噪比若想獲得提升，不僅要盡量降低各種噪聲，更要努力提高芯片的量子效率。

量子效率主要由芯片的光敏硅層吸收光電子的能力所決定，而這層光敏層，亦稱擴(kuò)散區(qū)。僅在該區(qū)域中，光子轉(zhuǎn)化成電子-空穴對，并由電場禁錮在像素中，然后電荷再依序被讀出。

光子可以進(jìn)入光敏硅層的深度與入射光的波長有關(guān)。波長越短，光子進(jìn)入的行程越短；波長越長，進(jìn)入的行程越長。前者更靠近硅層表面，吸收深度越??；而后者可以進(jìn)入硅層較深的內(nèi)部，吸收深度越大。但波長大于1.1μm的光子，無力創(chuàng)造出一對電子-空穴對，所以不能被硅基CCD芯片所探測。因此，對任何波長大于此的入射光而言，硅基CCD此時(shí)均是“透明”的。

下圖為入射光波長與吸收深度的關(guān)系，可以非常容易地得出如上的結(jié)論。

從吸收光子的結(jié)構(gòu)方式來講，CCD芯片分前感光芯片和背感光芯片兩類。前者的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

可見入射光子必須先穿越電結(jié)構(gòu)，才能到達(dá)光敏層；在部分入射光子通量到達(dá)光敏層之前，又不可避免地被電結(jié)構(gòu)所吸收和反射。在此種結(jié)構(gòu)下，可以被轉(zhuǎn)化成電子-空穴對的光子，其波長下限值大約在350nm，波長更短的光子，由于其對應(yīng)的吸收區(qū)只能存在于光敏層表面，而不能產(chǎn)生電子-空穴對。即便在可見光區(qū)，由于入射光通量的結(jié)構(gòu)性損失，QE也僅僅可以達(dá)到大約50%。

背感光芯片采取了翻轉(zhuǎn)式工作模式，其光敏層經(jīng)過特定工藝處理后，直接接收入射的光子。其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

更厚的光敏層為波長更長的光子提供了更大更長的吸收路徑，從而提升了芯片在相對較長波長區(qū)間的量子效率。背感光芯片通常由于在全波段具有更高的量子效率而在弱信號測量和近紅外測量領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

但與背感光芯片提供較高量子效率伴生的一個(gè)不利效應(yīng)，就是其在特定波長范圍內(nèi)產(chǎn)生的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)。背感光芯片前后兩個(gè)彼此平行的表面，構(gòu)成了類F-B干涉儀的兩個(gè)鏡片，在滿足兩個(gè)表面間距與入射相干光波長匹配條件的情況下，對特定波長范圍內(nèi)的光，形成了干涉條紋。這種干涉條紋，對本真的待測信號，可以施加高達(dá)40%的有害周期調(diào)制因子，嚴(yán)重削弱了數(shù)據(jù)的可信性，給科研工作者的工作，帶來了大的負(fù)面影響。

F-B干涉儀的基本原理，如下圖所示：

背感光CCD芯片基于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)所產(chǎn)生的典型干涉條紋如下圖所示：

如此嚴(yán)重的調(diào)制影響，到底是否可以*消除？若不能，怎樣才能zui大限度地降低其負(fù)面作用？我們將在下篇中予以說明，敬請關(guān)注。