基于噪声特性的电子倍增CCD最佳工作模式研究

摘要

从微光成像系统的特点可知，微光图像与一般的可见光图像不同，它是经过多次光电转换和电子倍增而形成的。由于输入照度低和背景差，系统所获取的光学信息十分微弱，使得输出图像画面上叠加有明显的随机闪烁噪声。照度越低，噪声表现越严重。另外，相对于高照度时的图像，低照度下的微光图像对比度与亮度同时下降，因而所获取的视频信息具有很低的信噪比，由此产生的输出图像没有足够的分辨率和对比度，不利于观察识别。因此，噪声是制约微光成像系统极限工作性能的关键因素。为了提高系统的成像质量，使其工作在最佳状态，有必要对其噪声特性进行深入研究，从而达到提高信噪比，提升视觉效果，增加作用距离，优化系统性能的目的。电子倍增CCD作为新型的微光成像器件，其低噪声、高灵敏度、高动态范围的特点决定了它在微光成像领域具有很大的发展潜力和应用前景。研究电子倍增CCD的噪声特性有助于深刻认识成像过程中的噪声规律，从而找到降低图像噪声，提高成像质量的具体技术途径和有效方法，进一步改善电子倍增CCD成像系统的性能，使其工作在最佳模式。
　　 本文从电子倍增CCD的工作原理出发，详细讨论了电子倍增CCD各种噪声成分的产生机理，包括光子散粒噪声、暗电流噪声、时钟感生电荷噪声和读出噪声，分析了电子倍增CCD特有的噪声参数——噪声因子，并给出了其极限理论值，从而定量描述了电子倍增CCD倍增寄存器的输入输出特性以及在信号倍增过程中引入的额外噪声，建立了电子倍增CCD的总噪声数学模型，为深入研究电子倍增CCD的噪声特性打下了基础。
　　 所有成像器件都有其对应的工作模式，根据器件的设计和制造工艺，应选取合适的工作模式使器件工作在最佳状态。本文基于电子倍增CCD的噪声特性，深入研究了暗电流和时钟感生电荷在不同工作模式下的表现，以暗电流噪声和时钟感生电荷噪声的总和作为选择器件工作模式的依据，结合具体的器件参数分别模拟了不同工作模式下电子倍增CCD的噪声特性，最终以积分时间为临界条件确定了电子倍增CCD的工作模式。该方法为电子倍增CCD工作模式的选取提供了切实可靠的理论依据，有助于深入理解电子倍增CCD的工作状态并设计高性能的器件。
　　 在电子倍增CCD中，信号电荷获得增强的同时暗电流也被放大了，因此控制暗电流水平对电子倍增CCD来说非常重要。本文运用Shockly-Read-Hall理论解释了非反转模式下电子倍增CCD表面暗电流的产生过程，定量描述了表面暗电流的恢复特征时间，在此基础上提出了周期反转模式的概念，通过时钟调制使电子倍增CCD周期性地工作在反转和非反转模式，动态地抑制了电子倍增CCD的表面暗电流，进一步提高了电子倍增CCD成像系统的探测灵敏度和信噪比，使电子倍增CCD工作在最佳模式。该模式还简化了电子倍增CCD的制造工艺，降低了加工难度，对提高系统的探测灵敏度和信噪比有着重要的意义。
　　 信噪比是表征电子倍增CCD极限探测特性的重要参数。本文根据线性系统信噪比理论分析了电子倍增CCD的极限探测性能，建立了不开增益和增益为无穷大时电子倍增CCD的信噪比极限理论模型，并对电子倍增CCD的信噪比模型进行了简化，根据积分时间的长短分为不同的噪声主导区域，讨论了像素合并模式对电子倍增CCD信噪比特性的影响，比较了ICCD与电子倍增CCD的信噪比特性，评价了两种微光成像系统的极限探测性能，更好地指导这两种微光成像系统的实际应用。
　　 针对科学应用的需要，本文对电子倍增CCD成像系统性能参数的测试方法进行了研究。将针对普通CCD的光子-噪声传递技术加以改进，建立了新的理论模型，提出了电子倍增CCD成像系统特有的性能参数的测量方法。在理论研究的基础上，搭建实验平台完成了电子倍增CCD成像系统性能参数的测试，包括转换增益、满阱、倍增增益、读出噪声、暗电流噪声、时钟感生电荷噪声和噪声因子等。实验结果与实际指标一致，取得了较好的效果，实现了电子倍增CCD各类噪声成分的分离测量，解决了一直以来困扰广大科研工作者的噪声分离测量的难题。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2课题研究背景及意义

1.2.1高灵敏度微光成像CCD的发展现状

1.2.2研究电子倍增CCD噪声特性的意义

1.3本文的主要工作及创新点

2电子倍增CCD的工作原理与噪声模型

2.1引言

2.2电子倍增CCD的结构与工作原理

2.3电子倍增CCD的噪声模型

2.3.1光子散粒噪声

2.3.2暗电流噪声

2.3.3时钟感生电荷噪声

2.3.4噪声因子

2.3.5读出噪声

2.3.6电子倍增CCD的总噪声模型

2.4本章小结

3电子倍增CCD工作模式与噪声特性的关系研究

3.1引言

3.2电子倍增CCD的工作模式

3.2.1电子倍增CCD的表面势理论模型

3.2.2反转模式(Inverted Mode Operation，简称IMO)

3.2.3非反转模式(Non-Inverted Mode Operation，简称NIMO)

3.3不同工作模式下的噪声特性对比

3.3.1暗电流

3.3.2时钟感生电荷

3.4工作模式的选择

3.5本章小结

4电子倍增CCD最佳工作模式研究

4.1引言

4.2表面态和界面态

4.2.1表面态

4.2.2 Si-SiO2界面态

4.3电子倍增CCD表面暗电流的恢复特征时间

4.4周期反转模式(即最佳工作模式)

4.5本章小结

5电子倍增CCD极限探测特性研究

5.1引言

5.2电子倍增CCD的信噪比极限理论模型及简化模型

5.2.1电子倍增CCD的信噪比极限理论模型

5.2.2电子倍增CCD信噪比简化模型

5.3像素合并模式下电子倍增CCD的信噪比特性

5.3.1工作原理

5.3.2像素合并模式下电子倍增CCD的信噪比模型

5.3.3实验结果

5.4电子倍增CCD与ICCD的信噪比对比分析

5.4.1 ICCD的噪声模型

5.4.2电子倍增CCD和ICCD的信噪比对比

5.4.3实验结果

5.5本章小结

6基于光子-噪声传递技术的电子倍增CCD系统性能参数测试研究

6.1引言

6.2光子-噪声传递技术

6.3光子-噪声传递曲线

6.4本底、暗场和平场

6.4.1本底

6.4.2暗场

6.4.3平场

6.5实验测试

6.5.1转换增益和满阱

6.5.2读出噪声

6.5.3倍增增益

6.5.4时钟感生电荷噪声

6.5.5暗电流噪声和热像素

6.5.6噪声因子

6.6本章小结

7结束语

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

参考文献