sCMOS 相机设计突破分辨率极限

新的制造技术和相机设计正在将成像和光谱技术的范围扩展到更深的紫外线范围，甚至进入软 X 射线范围。

JAN-HENDRIK BUDDE 和 MICHAEL CMOK，XIMEA GMBH

         从天文学到生命科学，再到半导体制造和计量学，对针对极紫外 (EUV) 甚至软 X 射线范围的相机技术的需求稳步增加。许多这些潜在的实现都强加了关于最小化相机尺寸的通常考虑。但是，表征目标光谱范围的相对高能光子进一步要求相机设计能够提供更高程度的保护，防止潜在的破坏性辐射。

         为了利用 EUV 和软 X 射线波长范围内新应用的前景，必须发展新的传感器技术和相机设计来应对这些挑战。

挑战极限

        长期以来，Ernst Abbe 定义的衍射极限描述了限制光学分辨小物体能力的天然屏障。在其原始意义上，阿贝极限表明较短的波长可以实现更高的图像分辨率，因此可以增强观察图像中小结构特征的能力。

         尽管阿贝在可见光范围内证明了这一基本定律，但它适用于电磁波谱的所有波长，包括 EUV 和软 X 射线范围的高能光子。它甚至适用于基于电子的显微镜方法。尽管在使用 EUV、软 X 射线和高能电子解析图像时，分辨率和衍射极限的规则仍然有效，但可以进一步提高分辨率，使图像具有精细的结构特征以及动态生物过程或材料。

*图 1.新的制造和加工方法使传感器在 EUV 和软 X 射线范围内具有更高的灵敏度。这些传感器与真空法兰机械装置和抗辐射外壳相集成，构成了新相机设计的基础，能够引入和增强高能波长的成像能力。由 Ximea 提供。*

          尽管与 EUV 和软 X 射线相比，电子显微镜使用的波长明显更短（因此提供了相对更高的分辨率），但大多数生物样本和材料会直接受到这种（侵入性）辐射类型的影响，使其与所使用的无损检测方法不兼容在医学、生物学和高分子科学领域。相比之下，EUV 和软 X 射线包含的能量较少，因此它们允许进行活细胞成像或简化样品制备所需的重复曝光。

         除了科学应用，EUV 和软 X 射线还在工业中找到用途。例如，这些形式的辐射通过继续满足关于晶体管密度发展的摩尔定律，极大地促进了半导体芯片的生产。由于波长短，EUV 使芯片制造商能够在集成芯片上蚀刻更小的晶体管和其他电子元件。这有助于降低芯片制造的复杂性，同时加速芯片制造，使芯片制造商能够以更低的成本生产更高效的集成电路。此外，新的成像概念（如 EUV 叠层照相术）能够以更高的速度和准确性检查半导体材料质量。

          X 射线占据电磁波谱的低端，弥合了 EUV 光谱和伽马射线之间的差距。较低能量的软 X 射线区域涵盖 0.2 至 12 nm 的光谱范围，而 EUV 跨越 10 至 124 nm 的光谱范围，中心波长为 13.5 nm。自然地，所有恒星都会产生 EUV 光，包括我们自己的恒星。幸运的是，大部分这种高能致癌辐射都被我们大气中的小分子（例如碳、氮和水）过滤掉了，从而使生命能够在地球上持续存在。重要的是，正是这些分子对 EUV 和 X 射线能量的高吸收率使它们对医学成像具有吸引力。在工业应用中，它们的吸收率通常还需要在真空条件下进行成像。

          X射线光谱中有一个很小的光谱窗口，即所谓的水窗（284至543 eV），其中水的透明度相对较高，而含碳和含氮的生物分子具有很强的吸收性。这个窗口使 EUV 和软 X 射线对工业和科学领域具有广泛的价值，例如层析成像、显微镜和光谱学。

相机设计

          EUV 和软 X 射线的检测非常困难，并且对为此目的设计的相机的各个组件提出了特殊要求。具体来说，这些要求与相机的灵敏度和滤镜涂层有关。它们还需要保护相机的电子设备免受高能光子的影响，并且需要在高真空条件下工作。尽管这些集体需求对相机供应商提出了很高的要求，但在光刻和层析成像等应用中扩展先进的 EUV 和软 X 射线成像技术的潜力促使 XIMEA 等公司开发创新的新设计。 

          除了提供严格的性能参数外，此类相机设计还需要紧凑以适应狭小空间。他们还需要满足严苛环境条件下对精度和可重复性的高要求。

          为满足这些要求，XIMEA 在其设计中选择了在标准 DN 63 CF 真空法兰后面保护的帕尔贴冷却科学 CMOS (sCMOS) 传感器（图 1）。该方法允许额外的法兰格式。

         所选探测器组件来自 Gpixel 的 PulSar 背照式科学 CMOS 传感器系列，旨在以高量子效率探测从紫外线到软 X 射线范围内的光子。传感器技术建立在早期迭代的基础上，对传感器的背面制造工艺进行了微小的改动。具体来说，该工艺消除了抗反射涂层，不留下任何剩余的介电薄膜。它还将传感器的死层从 27 纳米减少到 5 纳米，并将硅层的厚度从 3.5 微米增加到 9.5 微米，以抑制辐射损伤。在传感器材料中掺入硼用于减少能量注入。

         与传感器的基本型号相比，Gpixel 传感器的灵敏度在紫外线-可见光范围内略有降低。这很可能归因于应用的背面制造工艺。然而，为 XIMEA 相机指定的传感器仍然表现出非凡的灵敏度，在高能量范围内的量子效率超过 90%。

          相机设计指定了一个快速 USB 3.1 Gen1 接口，具有 USB-C 连接和从支持 PD 2.0 的主机供电。XIMEA 的设计方法还强调紧凑的尺寸，尺寸约为 52 × 52 × 61.75 mm (HWD)，重量为 336 g，不包括真空法兰。结合其高度耐用的密封件和主动珀耳帖冷却以将传感器温度保持在 −20 °C 以下，该相机设计几乎满足所有仪器要求，能够在各种科学和工业应用中改进检测。

高能应用

           广泛的科学技术和工业应用正在激发人们对能够增强 EUV 和软 X 射线检测的成像技术的兴趣。例如，随着半导体行业不断实现更先进的节点，将需要 EUV 叠层印刷术和 EUV 光谱学的进一步发展，以克服衍射极限并解决更小的结构特征。

          用于生命科学应用的显微成像和层析成像技术也将受益于提供高灵敏度的相机——尤其是在软 X 射线领域。具体而言，扫描透射 X 射线显微术和 X 射线光电子显微术等技术可能变得更适合在平面和 3D 图像重建中可视化和量化中尺度生物学。

          此外，许多化学气体和生物相关分子在软 X 射线和紫外线范围内具有光谱特征。针对这些光谱范围的相机进步可以因此改进分析技术，例如软 X 射线吸收光谱、近边结构光谱和紫外拉曼光谱。这些改进将转化为这些技术在法医学、植物科学、天文学、太阳成像、大气化学和整个生命科学领域的许多最终应用。

          除了这些潜在的最终用途之外，还有另一个持续的趋势是将成熟的成像技术与光谱仪器相结合，以实现相关显微镜。使用 EUV 和软 X 射线灵敏度启用该技术将通过每次拍摄覆盖更宽的波长带来提高单次测量的效率。随着针对 EUV 和软 X 射线波长范围的新相机设计扩大了最终用途的可能性，组件技术本身的进步将为该技术的采用提供进一步的动力。此类相机将受益于不断扩展的传感器多样性，以及对接口、电缆和相机外形等机械结构的新修改。就像代表 EUV 和软 X 射线波段的光子一样，

认识作者

Jan-Hendrik Budde 是 XIMEA GmbH 的大客户经理。除了获得凯泽斯劳滕-兰道莱茵兰-普法尔茨技术大学的生物物理学文凭外，他的专长还包括先进的光子学技术；电子邮件： jan.budde@ximea.com。

Michael Cmok 是 XIMEA GmbH 的总经理。他的背景包括图像处理、计算机图形学和人工智能方面的专业知识。Cmok 在科布伦茨和兰道大学获得了计算机科学文凭；电子邮件：michael.cmok@ximea.com。