从紫外到可见光：UV CMOS 技术如何重构成像边界
先锋泰坦代理牛津仪器的Andor CB2系列，一个高速、低噪音的sCMOS相机平台，旨在满足客户从紫外到可见光波段的各类应用需求——UV CMOS技术，正在为我们打开紫外波段的新视野！在传感器元件和先进材料的支持下，紫外CMOS技术实现了多种新应用。
▌认识紫外波段
电磁波紫外（UV）波段在一般被分为三个波段：
• UVA（315至400nm）
• UVB（280至315nm）
• UVC（100至280nm）
对应于barium-silex、barium silex- Pyrex和Pyrex滤光片。这三种滤光片都有广泛的应用。
蝴蝶在紫外(左) 和可见波段下成像。紫外成像提供给客户新的视野，该方法在环境和工业的一系列应用中广泛使用。
作为光谱中较短和较高能量的波段，不同紫外波段表现出不同的特征，这些特征可以在各个领域得到利用（下方：图1）。例如：
• UVA对荧光成像很有价值
• UVB光可用于牛皮癣治疗等医学领域
• 高能UVC波段通常用于消毒
▲图1：按波长对UV CMOS应用进行图形表示，并附有按不同的UV光谱波段分组的具体示例。
▌技术挑战与CMOS的崛起
相应地，紫外线光源也已经在工业和研发领域得到了广泛的应用。现在，使用紫外敏感的传感器来记录随时间变化的数据以供后续分析的应用前景越来越受到人们的关注。
然而，大多数用于可见光成像的CMOS传感器都是硅基的。这种材料在紫外范围内表现出较低的透射率。
为了优化透射率，相机光路中的所有元件，包括集成到CMOS传感器中的微透镜和保护窗，都必须经过精心设计和紫外优化处理（图2 a，b）。
与可见光相比，较短的紫外波长和较低的穿透深度意味着光子不太容易被传感器内的光电二极管吸收。此外，量子效率通常低于可见光。
▲图2：背照式和前照式UV CMOS图像传感器的设计架构（a，b）。一种氮化镓（GaN）基CMOS图像传感器及隔离材料层设计架构（c）
传感器制造商正在研发能够更广泛地适应紫外成像的图像传感器来克服这一限制。在早期的应用中，CCD传感器因其更高的灵敏度和更低的噪声而广受欢迎。然而，CCD传感器存在速度和必须要使用机械快门的局限性。
在过去的几十年里，CMOS技术突飞猛进。得益于光刻技术的进步，这些技术进步在传感器处理噪声的能力方面最为明显。CMOS的图像质量已经接近CCD传感器的水平。除了图像质量外，现在用于紫外探测的CMOS传感器为CCD传感器提供了一种有效的替代方案，因为除了速度更快和不需要机械快门外，CMOS成本更低，且功耗比CCD低约100倍。
▌技术与材料的革新
要让CMOS技术适应紫外范围，研发人员需要考虑紫外光子的高能量以及穿透深度较低这种特性对传感器设计的影响。CMOS传感器制造商探索了多种方法来解决低穿透深度的问题：
• 背照式设计：使光敏矩阵更靠近表面，实现更好的紫外光收集。
• 薄化硅基底：增强紫外光子收集效率。
• 抗反射涂层：最大限度提高光子透射率。
• 先进算法：如相关双采样，在像素级别上减去背景噪声。
2011年，索尼发布了首款背照式CMOS传感器，与前照式传相比，背照式CMOS传感器的光敏矩阵更靠近表面。因此实现了更好的光收集，包括更短的紫外波长（图2a）。
随着紫外应用的兴起，各种具有大带隙并有高紫外透射的材料逐步成为紫外成像和传感器的首选。目前，各种材料制成的光电探测器正在开发中。在这些材料中最受欢迎的是：
• 氮化物合金：如镓、铝和铟铝合金，它们具有较大的带隙；
• 氧化物材料：如氧化锌，对紫外光子有很好的响应。但在某些应用中，客户可能需要选择特定的紫外波段，例如，三元锌锗氧化物对UVC反应良好，但对UVA或UVB反应不佳；
• 高能粒子成像候选者：基于金刚石和碳化硅材料的传感器，具有宽带隙和抗恶劣环境的特点。由于光子能量较高，在高能粒子长时间辐射下工作的CMOS传感器可能会随着时间的推移性能下降，或者在最坏的情况下遭受不可逆的损坏。
尽管将CMOS技术与大带隙材料相结合的多像素传感器的制造仍然复杂且昂贵，但是研究人员仍未停止SiC等材料用于传感器探索。
▌应用简介：工业与研发
尽管在许多情况下仍在改进，UV CMOS技术仍然拥有广泛的应用。典型的应用如：
• 工业检测：检测高压电缆的电晕放电。
• 材料识别：识别不同类型的塑料。
• 法医科学：利用大多数体液强烈吸收紫外线的特性进行检测。
工业制造业对自动化系统的需求越来越大，以处理高通量带来的重复和繁琐的任务。紫外成像技术在提供详细和快速的成像方面表现出色。
在半导体行业，识别晶圆上的细微裂纹、缺陷和灰尘污染至关重要。更短的紫外波长相对可见光在细节和分辨率上占有优势，可与电子显微镜互补。
▌紫外更广阔的应用天地
在工业之外，UV CMOS技术同样大放异彩。
• 农业：安装在无人机上的UV CMOS传感器可识别用于人工授粉的果树。
• 监控：与红外成像一样，可用于检测危险生物制剂。
• 人工智能：高速CMOS传感器生成的大量图像可用于训练辅助模型。
天体物理学中的潜力：
随着UV CMOS技术的最新进展，天体物理学家正致力于揭示有关高能过程的关键信息，如恒星形成、热源和星际介质。这项技术使科学家能够追踪恒星孕育空间的情况，更好地了解恒星形成的早期阶段机理。此外，UV CMOS传感器可以安装在卫星上，以探测系外行星的大气成分。有些气体气体，如氦气、氢气甚至臭氧在紫外区有强烈的吸收，这种吸收可以用来辅助判断系外行星是否可能存在生命。
例如，UV CMOS技术被集成在一颗名为ULTRASAT的卫星上。这台位于轨道上的宽视场施密特望远镜旨在全面了解高能瞬态宇宙现象，即宇宙空间中短时间内发生的高能事件。ULTRASAT在230至290nm的波段范围内表现出色。它的观测有望为超新星和中子星、星系和引力波等的研究做出贡献。
计划于2027年发射的ULTRASAT使用UV CMOS技术来实时捕获高分辨率图像。由Deutsches Elektronen Synchrotron（DESY）开发的这款相机，其特点是焦平面阵列，带有四个独立的45×45mm背照式CMOS传感器，像素尺寸为9.5×9.5μm。为了解决紫外光穿透深度低的问题，DESY设计了一种名为T2增透膜涂层，对于目标应用，该涂层在近紫外范围内具有较高量子效率。
▌气体光谱学
在气体研究领域，气体检测，特别是有毒气体的检测，也是一个重要的焦点。在过去的几十年里，科学家们对全球变暖的认识越来越高，经常强调臭氧的重要性，这种气体保护地球免受有害辐射。臭氧在深紫外（<300 nm）有很强的吸收。另外，环境中也可能有大量的有害气体污染大气，当它们进入呼吸道时会对健康产生负面影响。因此，监测和量化这些气体对于最大限度地降低风险至关重要，比如来自汽车尾气、火力发电厂和钢铁制造业的二氧化氮；来自化石燃料的二氧化硫；来自住宅木材加热的苯等都是在紫外波段有强烈吸收的气体。
因此，可以使用UV CMOS传感器进行检测和定量，以降低环境与健康风险。
▲图3：炼油厂烟囱排放的二氧化硫（SO2）在紫外波段（左）和可见光波段（右）的成像对比
UV CMOS气体应用案例
配置方案：
• 相机：牛津仪器公司 CB2-UV相机 (联系先锋泰坦，可了解详情)
• 镜头：f/2.8 100 mm紫外复消色差镜头(CERCO生产)
• 滤光片：310 nm±5 nm带通滤光片
这种配置允许从几十米外对排放气体进行检测，因为SO2的吸收峰在可见光波段不可见，而在紫外波段非常明显。
▌UV CMOS的前景
尽管UV CMOS技术取得了重大进展，但一些挑战仍限制了其全部潜力：
• 与可见光传感器相比，在灵敏度和量子效率方面相对较低
克服这些障碍并改进传感器制造工艺，将扩大UV CMOS传感器的应用范围，并提高其在恶劣环境中的整体效率、耐用性和性能。
▌参考文献
1. M. Bigas et al. (2006). Review of CMOS image sensors. Microelectronics J, Vol. 37, No. 5, pp. 433-451.
2. N.G. Wright et al. (2008). Prospects for SiC electronics and sensors. Mater Today, Vol. 11, No. 1-2, pp. 16-21.
*本篇技术应用原文出自牛津仪器科技(上海)有限公司。
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