电子倍增CCD的性能参数测试方法.docVIP

电子倍增CCD（EMCCD）性能参数测试 摘要：介绍了电子倍增CCD工作原理及噪声特性，并据此设计了电子倍增CCD的参数测试方法。通过对电子倍增CCD相机进行测试，并运用Matlab对数据进行分析处理，得到了电子倍增CCD的一些重要的性能参数（包括读出噪声，转换增益，满阱，倍增增益，暗电流以及时钟感生噪声）。最后，我们分析了参数的正确性。 关键字：电子倍增CCD；噪声特性 引言 电子倍增CCD（EMCCD）技术，有时也被称作“片上增益”技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术。自Andor Technology Ltd于2001年首次将其应用在iXon系列高端超高灵敏相机以来，EMCCD技术受到了广泛关注。EMCCD具有低噪声、高灵敏度、高动态范围等特点,因此在微光夜视中也具有较大优势。 但是在微光成像领域，尤其是探测极微弱目标时，对电子倍增CCD的性能指标要求极其严格，需要获取电子倍增CCD的一些重要性能参数，以此判断该器件是否满足整个成像系统的工作要求。另外，在研制电子倍增CCD 成像系统的过程中，特别是在调试阶段，需要经常测试有关指标，以此判断系统是否达到预期目标。本项目研究的电子倍增CCD性能参数测试方法，可广泛应用于微光成像系统测试领域，具有十分重要的实用价值。 EMCCD的基本原理与噪声特性 1.1 EMCCD基本原理 电子倍增CCD的结构与普通CCD相似，只是在读出寄存器与输出放大器之间增加了一个特殊的倍增寄存器，如右图。倍增寄存器的结构与读出寄存器类似，但是其中一相电极被一对电极取代，第一个电极加直流电压，第二个电极由高电压时钟驱动。两个电极间的电势差形成强电场，使转移到该电极下的信号电荷与硅晶格发生碰撞电离，激发出新电子，实现了信号电荷的倍增。 图1.1EMCCD基本结构 1.2 EMCCD性能参数 1.2.1光子散粒噪音 光注入光敏区产生信号电荷的过程可看作独立、均匀、连续发生的随机过程。单位时间内产生的信号电荷数目并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小的波动。这一微小的起伏便形成光子散粒噪音。它与频率无关,不会限制器件的动态范围,但它是器件本身的固有噪音,无法通过后续电路抑制或消除,因此决定了器件的噪音极限值。 1.2.2暗电流噪声 在正常情况下,考虑一个既没有加电信号，也没有加光信号的EMCCD，此时所有电极的MOS电容器均处于深耗尽层状态，热产生的少数载流子被收集在势阱中,使EMCCD在全暗条件下工作时仍有电流。这个电流与光电流不同，它是由热生载流子形成的电流，通常把这个电流称为暗电流。暗信号在EMCCD中尤为重要。因为对于普通CCD而言，最主要的噪声是读出噪声，但在EMCCD中，由于电子倍增有效抑制读出噪声，暗信号成为限制器件性能提高的主要因素。 1.2.3时钟感生电荷 时钟感生电荷( CIC) 是信号电荷在转移过程中碰撞电离产生的, 因此与积分时间无关. 所有的CCD 都会产生时钟感生电荷,大约100 次转移才会产生一个电子,概率非常小,容易被读出噪音淹没,但是在电子倍增CCD 中,高增益使得单个电子也会形成明显的尖峰,不能和普通CCD 一样忽略. 时钟感生电荷与器件的工作模式,转移频率,时钟边缘等因素有关。 1.2.4读出噪声 读出噪声是由输出放大器和随后的处理电路产生的，随读出速率的增加而增大，是普通CCD 最重要的噪声来源，尤其是在高帧频情况下。EMCCD 中，通过在电荷域（Charge Domain）对有用电荷进行低噪声电子倍增，有效抑制了读出噪声的不利影响，实现微光成像、高帧频输出。 1.2.5总噪声 式中, 为过剩噪音因子, 为增益, 为光子散粒噪音, 为暗电流噪音，为时钟感生电荷，为读出噪音。 1.2.6过剩噪声因子 式中，G为增益，为输入信号方差，为输出信号方差。 实验方案 图2.1测试系统原理图 实验测试系统如上图所示，发光光源采用卤素灯，通过可变光阑和中性滤光片调节光强。这种方法既不改变光源的光谱分布，又能使输出照度连续可调。经调整的光线进入积分球，在积分球输入输出口均有白色毛玻璃，入射到毛玻璃上的光发生理想漫射，使输出照度均匀。经微光照度计标定，该光源照度可调范围在四个数量级以上，光的不均匀性小于1%。 运用上述测试系统，我们测量了EMCCD的性能参数，详述如下。 2.1转换增益、读出噪声和满阱 首先关闭电子倍增CCD的增益，即EMDAC＝0，将积分时间调至最短(0.5ms)，盖上镜头盖，采集多幅本底求平均。然后打开镜头盖，将积分时间设为20ms，调节光源的强度，从全暗直至电子倍增CCD饱和，每个光强条件下连续采集两幅平场图像。计算时，先将两幅图像相加求平均，扣除本底均值后作为输出信号的均值(横轴)，再将两幅图像相减，差值图像的均方差除以