电子倍增CCD(EMCCD)的噪声特性分析

介绍了EMCCD的结构原理,详细分析了EMCCD的噪声来源。利用在EMCCD芯片内嵌入独特的全固态电子倍增结构,实现放大信号,抑制噪声的功能。通过对几种主要噪声的数学模型进行分析,总结出EMCCD噪声的3点特性:EM增益有效抑制了读出噪声;EM增益过程产生的噪声因子对倍增结构之前的噪声有放大作用;时钟感生电荷(CIC)的影响在EMCCD中变得重要。提高增益、深度制冷、时钟波形优化等方法可有效抑制噪声。

低温下EMCCD电子倍增模型

了研究低温下电子倍增CCD(EMCCD)的电荷倍增特性,根据电子碰撞电离原理,建立了电离率模型;并依据雪崩倍增积分关系,针对所分析的EMCCD器件,建立了其低场强的倍增模型.通过倍增模型的理论计算结果与TI公司提供的实际器件TC285SPD和TC253SPD的倍增曲线比较,说明所提出模型的数据能够很好地拟合实际的倍增曲线.该模型可以方便地计算在固定栅极电压下的电子信号通过多级级联电子倍增寄存器后的总增益,进而可用于EMCCD相机的增益调整和校正.

百万像素电子倍增CCD数字化相机的设计

论述了一种基于1 024pixel×1 024pixel电子倍增(EM)CCD图像传感器(CCD201)的数字化相机设计方法。利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)产生CCD逻辑时序及视频同步处理控制时序;采用集成器件与分立器件相结合的方式实现EMCCD垂直驱动时序,获得视频信号;使用带有相关双采样(CDS)功能的16位模数转换器对CCD视频信号进行数字化。介绍了时序控制、驱动电路、视频处理电路等关键组成部分的技术实现方法。实验结果显示,数字化相机前端能够连续输出16位数字图像数据,光动态范围大于70dB,电子增益采用程控方式,增益倍数最高能够大于50dB。该设计方法已成功应用于远程EMCCD图像采集系统中,设计的系统能够在微光成像及辐射场诊断中应用。

电子倍增CCD星相机的设计

针对导航领域对星相机的性能要求,通过在星相机中应用新型的电子倍增CCD(EMCCD),设计一种探测能力强、数据更新快的成像系统。说明了EMCCD工作原理,分析了EMCCD信噪比,介绍了基于TC285电子倍增CCD的星相机的设计方案,给出了CCD驱动电路、视频信号处理电路以及时序控制器的设计。用模拟拍星实验和实际拍星实验验证了所设计的相机的性能,同时对相机的应用进行了初步分析。通过分析实验图像的信噪比说明了设计的星相机具备在积分时间8ms以内探测6等星的能力,且其图像数据更新频率可达10frame/s,满足用短积分时间进行快速星光成像的要求。

电子倍增CCD噪声来源和信噪比分析

作为一种高灵敏度的图像传感器,电子倍增CCD(EMCCD)在微光成像领域应用前景非常广泛。详细分析了其噪声来源,重点讨论EMCCD相比普通科学级CCD特有的乱真电荷和噪声因子,计算信噪比。在噪声来源和信噪比分析过程中提出驱动波形优化设计方法,为成像系统电子学部分设计提供理论参考。

电子倍增CCD性能参数测试方法研究

电子倍增CCD(EMCCD)性能参数测试是电子倍增CCD芯片及其成像系统研制的重要辅助手段和设计依据。在对EMCCD的工作原理进行了阐述之后,介绍了EMCCD的各项特性参数,分析了相关参数的测试方法。针对测试过程中出现的单位转换问题,引入了转换增益的概念,提出了基于改进的光子转移技术的EMCCD性能参数的测试方法,建立了EMCCD性能参数测试系统,该系统包括高稳定度可控标准钨灯、光学系统、暗箱、数据采集与处理系统等。对Andor Luca相机的转换增益、满阱容量、倍增增益、读出噪声、时钟诱导噪声和暗电流进行了测试。实验结果表明:测试值与相机的指标值基本一致,测试结果准确,证明了所提出的测试方法有效可靠。

电子倍增CCD倍增要件研究

讨论了信号载流子倍增寄存器(CCM)结构及其工作原理,在此基础上建立了电子倍增CCD的碰撞电离模型.通过对CCM倍增结构的研究发现实现倍增的三个必要条件:适中的倍增级电场、适当的浅掺杂浓度以及与电子碰撞平均自由程相当的倍增距离.通过建模研究均匀场强中增益情况表明增益因子为0.01时对应的偏置电压接近EMCCD所用倍增电压.

电子倍增CCD噪音特性研究

讨论了电子倍增CCD的噪音组成及各自的产生机理,在此基础上建立了电子倍增CCD的总噪音理论模型.按照信号倍增过程的随机性,推导了电子倍增CCD的过剩噪音因子并求出了增益趋向无穷大时的极限值.对电子倍增CCD相机进行了噪音测试,采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图.根据增益和噪音电压的函数曲线,结合理论模型对不同增益下的噪音组成进行了定性分析.结果表明:低增益时,电子倍增CCD主要受限于读出噪音,高增益时则为暗电流噪音和时钟感生电荷.

基于单一类型载流子的电子倍增CCD倍增模型

基于单一类型载流子,讨论了电子倍增CCD(EMCCD)的雪崩倍增原理,并在此基础上使用经典分段电离率模型,结合雪崩倍增积分关系式建立了EMCCD的倍增模型。根据实际器件倍增结构和栅压幅值确定使用Wolff多次碰撞电离理论。通过倍增模型的理论计算与实际器件的倍增曲线比较发现边缘场强度足够大,倍增区足够宽才能引起适当的信号倍增。该模型可以方便地计算单一类型载流子信号通过全固态多级级联电子倍增寄存器后的总增益与倍增栅压的关系曲线。计算结果表明,倍增模型与现有EMCCD器件倍增数据吻合较好。

电子倍增器件CCD60噪声特性分析

介绍EMCCD的增益原理,分析了EMCCD各种噪声的产生机理及相应的抑制方法,并推导出总信比噪模型,从该信噪比模型得出EMCCD相机的电子倍增过程大大削弱了读出噪声对探测灵敏度的影响;同时为保护电子倍增结构,在满足应用要求的前提下应尽量降低倍增增益;最后通过计算不同工作模式下CCD60的暗电流噪声和CIC噪声总和并以此为判断依据,得出CCD60应工作在反转模式才能得到最小的总噪声,对指导EMCCD硬件设计和应用具有重要意义。

基于电子倍增CCD噪声特性的最佳工作模式

对电子倍增CCD的噪声特性进行了研究,并在此基础上选择最佳工作模式。介绍了反转和非反转模式的工作原理,分析了不同工作模式下暗电流与时钟感生电荷的表现并进行了对比。以工作温度、积分时间和垂直转移次数为参量,建立了最佳工作模式的数学模型,求解出最佳工作模式的积分临界点,确定了电子倍增CCD的最佳工作模式。最后,结合具体器件的参数模拟了最佳工作模式下电子倍增CCD的噪声特性曲线。仿真结果表明:室温下(293 K)的积分临界点为1.6μs。当积分时间>1.6μs时,最佳工作模式为反转模式;当积分时间<1.6μs时,最佳工作模式为非反转模式。研究结果为电子倍增CCD工作模式的选取提供了切实可靠的理论依据。

电子倍增CCD噪声参数的估计方法

为定量评价电子倍增CCD(EMCCD)图像噪声的大小,实现对EMCCD图像噪声参数的准确估计,研究了EMCCD的噪声分布模型及其参数估计方法。首先,讨论了EMCCD图像的噪声来源及其统计特性,由此建立了适于EMCCD的噪声分布模型。然后,提出了两种EMCCD噪声参数估计方法——矩估计法和高斯-牛顿法,采用Monte Carlo仿真验证其性能。仿真结果表明,矩估计法和高斯-牛顿法的平均相对误差和相对标准偏差均为10-2量级,估计精度较高,且高斯-牛顿法的估计精度要高于矩估计法。采集一系列无增益时积分时间为50 s的暗场图片和增益为50的本底图片,利用矩估计法和高斯-牛顿法分别估计出EMCCD的暗电流噪声、时钟感生电荷噪声和读出噪声,实验结果表明,估计值与EMCCD指标值一致,证明矩估计法和高斯-牛顿法能有效估计噪声参数且具有较高的精度。

电子倍增CCD的调制传递函数研究

本文建立了电子倍增CCD的调制传递函数模型，利用以色列CI公司的光电测试系统对不同增益条件下电子倍增CCD的调制传递函数进行了测量，分析了电子倍增过程对系统调制传递函数的影响。实验结果表明，当光照充足时，电子倍增CCD的细节分辨力并不会随着增益增加而提高。而在低照度条件下，通过提高电子倍增CCD的倍增增益，改善电荷倍增特性，可以显著改善图像的细节分辨率，提高成像质量。

基于电子倍增CCD的光子计数成像原理与实验

本文讨论了复杂背景下采用电子倍增CCD实现光子计数成像的处理策略，提出了一种二次阈值滤波方法并通过实验验证其有效性。根据电子倍增CCD的成像模型，将电子倍增CCD的输出图像表示为光子事件、偏置噪声和伪光子事件噪声的集合。通过采集多幅电子倍增CCD的输出图像，将光子事件检测问题转化为标准的二元假设检测问题。利用利用贝叶斯判决，可以找到光子事件检测的最佳检测法则，使得光子事件的误判代价达到最小，从而检测出光子事件及其空间分布特征。通过实验对比可以发现，本文提出的方法明显优于普通的累加积分方法，适用于生物微弱光检测等超低照度下的成像等领域。

电子倍增CCD相机制冷绝热设计

对电子倍增CCD(EMCCD)相机制冷的必要性以及热电制冷器(TEC)的特点进行了说明,阐述了真空绝热的优势,分析了真空绝热失效条件,提出了真空绝热的难点及真空保持方案,分析了相机芯片发挥其性能所需的制冷温度,对制冷相机漏热途径进行了分析,计算了克服漏热所需的制冷功率,并设计了制冷绝热方案,对相机进行了稳态热分析建模,将多级热电制冷器进行了参数化转化并将其带入模型边界中,经过迭代拟合得到了相机杜瓦及芯片温度分布,分析了绝热制冷方案的可行性。

电子倍增CCD模拟前端设计与信号优化

基于电子倍增CCD(EMCCD)在微光低照度条件下的实时应用,针对EMCCD对驱动信号相位、频率、幅度的严格要求,以及输出信号的特点,在深入分析模拟前端各部分功能的基础上,提出一种改善EMCCD驱动电路,优化驱动信号质量,降低模拟前端噪声水平的驱动策略,设计一款实时、低噪、稳定、适用于微光环境的EMCCD相机。工程验证表明,在环境照度为1×10-3lx,信号时钟为12.5 MHz,帧频为25帧/s的条件下,EMCCD相机具有实时快速成像能力,输出的模拟视频信号低噪稳定,成像系统捕获的图像清晰信噪比高,基本满足EMCCD成像系统在微光低照度环境下的实时应用需求。

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。

哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法

本文提出自适应光学成像系统中哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法,以使哈特曼波前探测器保持较高的信噪比同时避免亮度过饱和。利用亮度接近哈特曼饱和值的光源作为被观测目标,探测到的光斑阵列中有一个最高亮度值I_m,统计200帧~500帧中的I_m,计算其相对统计帧数的均值ī_m、I_m相对ī_m的均方差值σm;设定理想最高亮度值ī_(ms)比饱和亮度低3.0σm^3.2σm;再将光斑的亮度最大值相对一帧阵列中的光斑数计算平均值记为I_a,实时监测I_a;依据信号强度I与增益G的线性关系,事先测得哈特曼波前探测器的技术特征参数k_a、k_m和理想最高亮度值ī_(ms),即可以由当前帧探测数据I_a和增益G_a计算得到所需调整的增益值G_(ms)。

基于遗传算法自整定和Smith预估的电子倍增电荷耦合器件温控系统设计

针对电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)温度控制过程的时间滞后特性,根据热力学理论建立整个系统的数学模型,利用有限元仿真方法得到其传递函数,在此基础上采用遗传算法实现PID控制参数的在线自适应整定,同时结合Smith预估控制补偿由滞后环节产生的时间迟滞。采用Matlab对控制算法进行仿真分析,结果表明该方法较常规PID控制方法具有调整时间短、超调量小、抗干扰能力强等优点。设计基于单片机和TEC驱动模块的硬件电路将控制算法应用于EMCCD温度控制系统,相机实际制冷温度可达(-12±0.1)℃,图像本底噪声方差仅为18。实际应用结果表明温度控制系统是提升EMCCD相机成像性能的有效方法。

一种星载相机EMCCD高压驱动电路设计

介绍了一种星载相机电子倍增CCD(EMCCD)高压驱动电路的设计。该设计基于FPGA,采用直接数字频率合成技术实现正弦码数的发生,并能接收卫星指令信号进行在线调幅和调相;然后通过低压差分信号(LVDS)总线和高速大幅值运放技术,把正弦信号转化为EMCCD所需的高压倍增驱动信号。利用仿真与计算进行电路参数设定,并研制了实物样机。试验结果显示:电路生成的驱动信号相位调整步长为π/8,幅值调整精度优于0.01V。该设计可为国内后续EMC-CD卫星相机的研制提供参考。