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)的特點可知，微光圖像與一般的可見光圖像不同，它是經(jīng)過多次光電轉(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)所獲取的光學信息十分微弱，使得輸出圖像畫面上疊加有明顯的隨機閃爍噪聲。照度越低，噪聲表現(xiàn)越嚴重。另外，相對于高照度時的圖像，低照度下的微光圖像對比度與亮度同時下降，因而所獲取的視頻信息具有很低的信噪比，由此產(chǎn)生的輸出圖像沒有足夠的分辨率和對比度，不利于觀察識別。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)，有必要對其噪聲特性進行深入研究，從而達到提高信噪比，提升視覺效果，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、高動態(tài)范圍的特點決定了它在微光成像領域具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊Ｑ芯侩娮颖对鯟CD的噪聲特性有助于深刻認識成像過程中的噪聲規(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)，詳細討論了電子倍增CCD各種噪聲成分的產(chǎn)生機理，包括光子散粒噪聲、暗電流噪聲、時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倍增過程中引入的額外噪聲，建立了電子倍增CCD的總噪聲數(shù)學模型，為深入研究電子倍增CCD的噪聲特性打下了基礎。
　　 所有成像器

4、件都有其對應的工作模式，根據(jù)器件的設計和制造工藝，應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)并設計高性能的器件。
　　 在電子倍增CCD中，信號電荷獲得增強的同時暗電流也被放大了，因此控制暗電流水平對電子倍增CCD來說非常重要。本文運用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)生過程，定量描述了表面暗電流的恢復特征時間，在此基礎上提出了周期反轉(zhuǎn)模式的概念，通過時鐘調(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，動態(tài)地抑制了電子倍增CCD的表面暗電

6、流，進一步提高了電子倍增CCD成像系統(tǒng)的探測靈敏度和信噪比，使電子倍增CCD工作在最佳模式。該模式還簡化了電子倍增CCD的制造工藝，降低了加工難度，對提高系統(tǒng)的探測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的極限探測性能，建立了不開增益和增益為無窮大時電子倍增CCD的信噪比極限理論模型，并對電子倍增CCD的信噪比模型進行了簡化，根據(jù)積分時

7、間的長短分為不同的噪聲主導區(qū)域，討論了像素合并模式對電子倍增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，評價了兩種微光成像系統(tǒng)的極限探測性能，更好地指導這兩種微光成像系統(tǒng)的實際應用。
　　 針對科學應用的需要，本文對電子倍增CCD成像系統(tǒng)性能參數(shù)的測試方法進行了研究。將針對普通CCD的光子-噪聲傳遞技術(shù)加以改進，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)的測量方法。在理論研究的基礎上，