CCD相機和EMCCD中的光學標準具效應

評價一臺CCD或EMCCD相機級別高低或質量優劣的一個重要指標是信噪比（SNR）。科學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，亦稱擴散區。僅在該區域中，光子轉化成電子-空穴對，并由電場禁錮在像素中，然后電荷再依序被讀出。

光子可以進入光敏硅層的深度與入射光的波長有關。波長越短，光子進入的行程越短；波長越長，進入的行程越長。前者更靠近硅層表面，吸收深度越小；而后者可以進入硅層較深的內部，吸收深度越大。但波長大于1.1μm的光子，無力創造出一對電子-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此時均是“透明”的。

下圖為入射光波長與吸收深度的關系，可以非常容易地得出如上的結論。

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

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

背感光芯片采取了翻轉式工作模式，其光敏層經過特定工藝處理后，直接接收入射的光子。其典型結構如下圖所示：

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域中得到廣泛應用。

但與背感光芯片提供較高量子效率伴生的一個不利效應，就是其在特定波長范圍內產生的光學標準具效應。背感光芯片前后兩個彼此平行的表面，構成了類F-B干涉儀的兩個鏡片，在滿足兩個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40%的有害周期調制因子，嚴重削弱了數據的可信性，給科研工作者的工作，帶來了大的負面影響。

F-B干涉儀的基本原理，如下圖所示：

背感光CCD芯片基于光學標準具效應所產生的典型干涉條紋如下圖所示：

如此嚴重的調制影響，到底是否可以*消除？若不能，怎樣才能zui大限度地降低其負面作用？我們將在下篇中予以說明，敬請關注。