基于噪聲特性的電子倍增CCD最佳工作模式研究.pdf

1、從微光成像系統(tǒng)的特點(diǎn)可知，微光圖像與一般的可見(jiàn)光圖像不同，它是經(jīng)過(guò)多次光電轉(zhuǎn)換和電子倍增而形成的。由于輸入照度低和背景差，系統(tǒng)所獲取的光學(xué)信息十分微弱，使得輸出圖像畫(huà)面上疊加有明顯的隨機(jī)閃爍噪聲。照度越低，噪聲表現(xiàn)越嚴(yán)重。另外，相對(duì)于高照度時(shí)的圖像，低照度下的微光圖像對(duì)比度與亮度同時(shí)下降，因而所獲取的視頻信息具有很低的信噪比，由此產(chǎn)生的輸出圖像沒(méi)有足夠的分辨率和對(duì)比度，不利于觀察識(shí)別。因此，噪聲是制約微光成像系統(tǒng)極限工作性能的關(guān)鍵因素。

2、為了提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使其工作在最佳狀態(tài)，有必要對(duì)其噪聲特性進(jìn)行深入研究，從而達(dá)到提高信噪比，提升視覺(jué)效果，增加作用距離，優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。電子倍增CCD作為新型的微光成像器件，其低噪聲、高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)決定了它在微光成像領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。研究電子倍增CCD的噪聲特性有助于深刻認(rèn)識(shí)成像過(guò)程中的噪聲規(guī)律，從而找到降低圖像噪聲，提高成像質(zhì)量的具體技術(shù)途徑和有效方法，進(jìn)一步改善電子倍增CCD成像系統(tǒng)的性能，使其工

3、作在最佳模式。
　　 本文從電子倍增CCD的工作原理出發(fā)，詳細(xì)討論了電子倍增CCD各種噪聲成分的產(chǎn)生機(jī)理，包括光子散粒噪聲、暗電流噪聲、時(shí)鐘感生電荷噪聲和讀出噪聲，分析了電子倍增CCD特有的噪聲參數(shù)——噪聲因子，并給出了其極限理論值，從而定量描述了電子倍增CCD倍增寄存器的輸入輸出特性以及在信號(hào)倍增過(guò)程中引入的額外噪聲，建立了電子倍增CCD的總噪聲數(shù)學(xué)模型，為深入研究電子倍增CCD的噪聲特性打下了基礎(chǔ)。
　　 所有成像器

4、件都有其對(duì)應(yīng)的工作模式，根據(jù)器件的設(shè)計(jì)和制造工藝，應(yīng)選取合適的工作模式使器件工作在最佳狀態(tài)。本文基于電子倍增CCD的噪聲特性，深入研究了暗電流和時(shí)鐘感生電荷在不同工作模式下的表現(xiàn)，以暗電流噪聲和時(shí)鐘感生電荷噪聲的總和作為選擇器件工作模式的依據(jù)，結(jié)合具體的器件參數(shù)分別模擬了不同工作模式下電子倍增CCD的噪聲特性，最終以積分時(shí)間為臨界條件確定了電子倍增CCD的工作模式。該方法為電子倍增CCD工作模式的選取提供了切實(shí)可靠的理論依據(jù)，有助于深入

5、理解電子倍增CCD的工作狀態(tài)并設(shè)計(jì)高性能的器件。
　　 在電子倍增CCD中，信號(hào)電荷獲得增強(qiáng)的同時(shí)暗電流也被放大了，因此控制暗電流水平對(duì)電子倍增CCD來(lái)說(shuō)非常重要。本文運(yùn)用Shockly-Read-Hall理論解釋了非反轉(zhuǎn)模式下電子倍增CCD表面暗電流的產(chǎn)生過(guò)程，定量描述了表面暗電流的恢復(fù)特征時(shí)間，在此基礎(chǔ)上提出了周期反轉(zhuǎn)模式的概念，通過(guò)時(shí)鐘調(diào)制使電子倍增CCD周期性地工作在反轉(zhuǎn)和非反轉(zhuǎn)模式，動(dòng)態(tài)地抑制了電子倍增CCD的表面暗電

6、流，進(jìn)一步提高了電子倍增CCD成像系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和信噪比，使電子倍增CCD工作在最佳模式。該模式還簡(jiǎn)化了電子倍增CCD的制造工藝，降低了加工難度，對(duì)提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和信噪比有著重要的意義。
　　 信噪比是表征電子倍增CCD極限探測(cè)特性的重要參數(shù)。本文根據(jù)線性系統(tǒng)信噪比理論分析了電子倍增CCD的極限探測(cè)性能，建立了不開(kāi)增益和增益為無(wú)窮大時(shí)電子倍增CCD的信噪比極限理論模型，并對(duì)電子倍增CCD的信噪比模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，根據(jù)積分時(shí)

7、間的長(zhǎng)短分為不同的噪聲主導(dǎo)區(qū)域，討論了像素合并模式對(duì)電子倍增CCD信噪比特性的影響，比較了ICCD與電子倍增CCD的信噪比特性，評(píng)價(jià)了兩種微光成像系統(tǒng)的極限探測(cè)性能，更好地指導(dǎo)這兩種微光成像系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
　　 針對(duì)科學(xué)應(yīng)用的需要，本文對(duì)電子倍增CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)的測(cè)試方法進(jìn)行了研究。將針對(duì)普通CCD的光子-噪聲傳遞技術(shù)加以改進(jìn)，建立了新的理論模型，提出了電子倍增CCD成像系統(tǒng)特有的性能參數(shù)的測(cè)量方法。在理論研究的基礎(chǔ)上，