一种提高CCD探测灵敏度的方法--《光电工程》2000年06期
一种提高CCD探测灵敏度的方法
【摘要】：阐述了影响 CCD探测灵敏度的暗电流及暗电流噪声的产生机理 ,分析了其对 CCD性能的影响。在此基础上 ,提出了一种新型的利用半导体致冷器件 TEC对 CCD进行致冷的方案 ,并对设计过程中要注意的问题进行了具体分析。最后运用实例说明了通过此方法 ,大大地降低了CCD的暗电流 ,提高了其探测灵敏度。文章还对这种新颖的热电致冷方法和传统的液氮致冷方法进行了分析、比较 ,指出了 CCD热电致冷的优势及发展前景
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN386.5【正文快照】：
引　言电荷耦合器件(CCD)是二十世纪七十年代以来出现的一种重要的半导体器件[1]。依靠业已成熟的MOS集成电路工艺,CCD迅速地从实验室走向市场,广泛应用于影象传感、信号处理和数字存储三大领域,充分显示出它的巨大潜力,在微电子学中独树一帜。但是由于CCD中存在着许多噪声源
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京公网安备74号电子倍增CCD的工作模式及其光子计数成像研究--《南京理工大学》2011年博士论文
电子倍增CCD的工作模式及其光子计数成像研究
【摘要】：一直以来,微光成像技术在科学研究和军事战争等诸多方面都起着极其重要的作用。目前,以像增强电荷耦合器件(Intensified Charge Coupled Device, ICCD)为代表的传统微光成像技术虽仍占据主导地位,但随着在恶劣环境应用的需求不断提高,对现有微光成像技术必须在技术本质上进行革新的要求也逐渐显现出来,而电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Device, EMCCD)正是这一技术革新的产物。
电子倍增CCD采用碰撞电离机制实现了光生电荷信号在固态器件内的放大倍增,实现了器件的全固态化,是微光成像技术重点发展的关键技术之一。作为一种新型的微光成像器件,电子倍增CCD比普通CCD增加了电荷倍增的功能,具有体积小、噪声低、灵敏度高、动态范围大等诸多优点,且具备了单光子探测能力,在微光成像领域具有很大的发展潜力和广阔的应用前景,更是实现光子计数成像的有效途径之一。而由于英美等发达国家的技术封锁,对电子倍增CCD开展自主研究工作更具有极其重要的意义。我国的电子倍增CCD研究工作处于刚起步阶段,为了为我国实现电子倍增CCD核心技术自主化提供理论依据,本文主要对电子倍增CCD工作原理、工作模式、噪声分析、光子计数成像模式及其光子图像的恢复等几个方面开展研究工作。
本文从电子倍增CCD的器件基本结构及其工作原理出发,详细讨论了电子倍增CCD中电荷载流子倍增寄存器(Charge carrier multiplier, CCM)的电荷倍增机制以及电荷传输方式。针对不同的外部环境情况给出了电子倍增CCD的三种不同工作模式,并对这三种工作模式的具体应用场合、工作原理、增益设置、噪声来源以及信噪比大小等进行了分析。通过建立电路等效模型,实现了对CCM中电荷传输现象的分析和仿真,建立了可用于计算机仿真的IC模型,并最终用于计算机仿真。借助概率生成函数(PGF)及其性质,推导出了电子倍增CCD中多级CCM结构的输出概率密度函数(PDF),讨论了输入信号、倍增增益等参数对电荷倍增过程中过噪声的影响,为过噪声的模型建立打下理论基础。
文中针对电子倍增CCD成像系统中的噪声,尤其是四类主要噪声的产生机制、抑制方法及其对系统信噪比的影响逐一进行了分析讨论,深入分析了多针相(Multi Pinned Phase, MPP)模式的工作原理与其在电子倍增CCD中的应用。从过噪声的定义出发,通过串联系统性质推导了过噪声的数学模型,给出了高增益下过噪声因子的近似值,并最终给出了整个电子倍增CCD总噪声的数学模型,为电子倍增CCD光子计数模式下的倍增及噪声特性分析打下基础。
以光子的特性和光子计数成像的基本原理为基础,文中对电子倍增CCD的光子计数模式进行了深入的研究,对电子倍增CCD光子计数模式的工作原理、光子计数率和该模式下的三种误计数以及三种主要噪声进行了详细分析,并给出了相应的定量模型。且通过实验对电子倍增CCD的倍增性能、增益常数、光子转移曲线及其光子响应特性进行测试。通过实验证明电子倍增CCD可以对10-6 Lux甚至更低的照度条件产生有效响应,对单个光子信号具有实时动态探测的能力。
针对电子倍增CCD在光子计数模式下的工作特点,文中分析了阈值法的工作原理,从原理和算法上完善了针对普通制冷电子倍增CCD光子图像恢复的双重阈值法,详细推导了其幅度阈值和频率阈值的计算公式。针对一般阈值法无法恢复光子图像灰度级以及符合误差无法避免的问题,文中还提出了贝叶斯统计的方法来对电子倍增CCD在极低照度下所成的光子图像进行恢复,并给出了其具体算法步骤。最后通过四组在不同的照度下的实验对单阈值法、双重阈值法和贝叶斯统计的方法对光子图像的恢复效果进行了对比。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：TN386.5【目录】：
摘要5-7Abstract7-131 绪论13-25 1.1 微光成像技术13-23
1.1.1 微光成像技术的发展14-21
1.1.2 光子计数成像的发展21-23 1.2 课题的研究背景及意义23 1.3 本文的主要工作23-252 电子倍增CCD的工作原理及工作模式25-49 2.1 引言25-26 2.2 电子倍增CCD的结构与工作原理26-29 2.3 电子倍增CCD的工作模式29-31
2.3.1 常规模式29
2.3.2 线性模式29-30
2.3.3 光子计数模式30-31 2.4 电子倍增寄存器的等效电路模型31-40
2.4.1 CCM单元的等效电路32-36
2.4.2 CCM单元的分布式等效电路模型36-37
2.4.3 CCM分布式等效电路模型37-38
2.4.4 等效电路模型的应用38-40 2.5 电荷载流子倍增寄存器的输出模型40-47
2.5.1 CCM结构输出概率分布41-46
2.5.2 CCM结构对过噪声的影响46-47 2.6 本章小结47-493 电子倍增CCD的噪声分析49-74 3.1 引言49 3.2 光子散粒噪声49-50 3.3 暗电流噪声50-59
3.3.1 暗电流噪声与温度52-54
3.3.2 暗电流噪声与多针相(MPP)模式54-59 3.4 时钟感生电荷59-63
3.4.1 时钟感生电荷与工作模式的关系61-62
3.4.2 时钟感生电荷与垂直转移频率的关系62
3.4.3 时钟感生电荷与时钟上升沿的关系62
3.4.4 时钟感生电荷与温度的关系62-63
3.4.5 减小时钟感生电荷的方法63 3.5 过噪声63-69
3.5.1 电子倍增过程的基本特性64-65
3.5.2 过噪声因子65-68
3.5.3 过噪声因子的测试68-69
3.5.4 增益起伏因子69 3.6 读出噪声69-71
3.6.1 复位噪声70-71
3.6.2 输出放大电路噪声71 3.7 其他噪声71-72 3.8 总噪声模型72-73 3.9 本章小结73-744 电子倍增CCD光子计数成像74-96 4.1 引言74-75 4.2 光子计数成像原理75-81
4.2.1 光子特性75-79
4.2.2 光子计数成像系统及其特点79-81 4.3 电子倍增CCD的光子计数模式81-86
4.3.1 工作原理81-82
4.3.2 光子计数率及误计数82-85
4.3.3 噪声的定量模型85-86 4.4 实验86-94
4.4.1 真实增益86-88
4.4.2 光子响应88-94 4.5 本章小结94-965 电子倍增CCD的光子图像96-122 5.1 引言96 5.2 阈值化技术96-106
5.2.1 单阈值法96-97
5.2.2 双重阈值法97-106 5.3 贝叶斯统计106-111
5.3.1 贝叶斯统计的基本原理106-107
5.3.2 用于信号微弱事件计数的贝叶斯逼近法107-109
5.3.3 贝叶斯逼近法在光子计数中的应用109-111 5.4 实验对比111-120
5.4.1 实验一111-115
5.4.2 实验二115-117
5.4.3 实验三117-118
5.4.4 实验四118-119
5.4.5 实验结果分析119-120 5.5 本章小结120-1226 结束语122-124致谢124-125攻读博士学位期间发表的学术论文125-126参考文献126-134
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光电成像器件
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（photoelectronic imaging devices）是基于对物体成像或进行与转换的。待成像物体发出的因或波长范围往往不适合人眼直接观察，而需借助、或固体。[1]
光电成像器件是微光图像系列的总称。它们的作用是，增强原始输入光子信号，进而提高图像探测的和。[2]
包括各种、和电子摄像管。这类一般由光电阴极、电子光学系统和（或）组成。人眼不便直接观察的辐射图像投射到光电阴极，因转变为电子图像，经电子光学系统传送到荧光屏上，并转换为和都适合观察或的。[1]
　　的包括光电阴极、靶面及扫描段。光电阴极上的图像投射到靶面上，变换为电荷潜像，扫描段通过与偏转系统实现细电子束对靶面的，并将上面的电荷潜像转变为。有的摄像管在光电阴极和靶面之间增设移像段，帮助光电子图像的转移。[1]
　　70年代以来迅速发展起来的（CCD）是应用最广的固体成像器件。结构是衬底上生长一层厚度约100的，上面沉积及输入和输出端。CCD的优点是将及信号的存取集中在一个支撑件上，体积小巧，工作可靠，且具有大动态范围、高、低。带的CCD（）及背照式CCD（）等，更是实现了以小型化装置对微弱光成像的功能。[1]
光电成像器件的作用是﹐增强原始输入光子信号，进而提高图像探测的效率和精度。按工作原理和结构的不同分为：①；②；③电视型探测器；④固体二极管阵列。电视型探测器用来将转换成，记录到上，或于中，或在上再转变成可见图像。通常是对图像上的每个点进行，按固定时间顺序，对每个点取样而完成转换。[2]
普通电视摄像管不能满足的高精度、低噪声要求。二次电子导电式光导摄像管（SEC管），能在靶上积累二次电子长达好几小时之久，而且存储电荷图像不发生变化，有效地克服扫描电子束的读出噪声。它的缺点是的和有限。但它同另一种光导摄像管一样，都已有效地用于。还有一种数字化图像探测器系统，采用多级像增强器为前级，输入光信号产生的大大增强后，再输给电视摄像管。每个被的都能在靶面上产生包含几十万个电子的，足以超过扫描电子束的读出噪声而被识别出来。脉冲信号输给专用处理机和电子计算机进行。这种具有几乎无限的存储本领，不存在微光极限阈，并且具有线性响应和良好的，能对暗弱天体进行的测光研究。目前，已有几种这类仪器的实用系统投入常规天文观测。[2]
固体二极管阵列是利用工艺技术研制的硅光电二极管阵列探测器。它与上述电真空器件相比，具有结构简单、使用可靠、功率低、速度快、无畸变、无滞后、工作条件要求低、容易保养和多用途等优点。首先在天文上应用的集成硅二极管直线阵列，由两条平行的硅二极管线列构成。每个单元线度约25微米，非常适合作为天文光谱研究的使用。在二维二极管中，（CCD）和（CID）已应用于，并受到重视。[2]
词条作者：杨国桢．《中国大百科全书》74卷（第二版）物理学 词条：光电成像器件：中国大百科全书出版社，2009－07：187页
词条作者：傅德濂．《中国大百科全书》74卷（第一版）天文学 词条：光电成像器件：中国大百科全书出版社，1987