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《南京理工大学》 2009年
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电子倍增CCD的倍增机制及其在光子计数成像的应用

何伟基  
【摘要】: 电子倍增CCD采用碰撞电离机制实现了光生电荷信号在固态器件内的放大倍增,实现了器件的全固态化,是微光成像技术重点发展的关键技术之一。本论文在归纳总结普通CCD工作原理及其在微弱光成像应用方面的不足,重点分析电子倍增CCD中电荷倍增寄存器实现电荷倍增的原理,提出了电荷倍增的数学模型,讨论了微弱光环境中电荷倍增对电子倍增CCD成像的影响,创新性的提出了基于单光子响应模型的双重阈值原理,克服了常态制冷状态下暗电流噪声对电子倍增CCD单光子探测性能的影响,使得采用低成本半导体制冷的电子倍增CCD可以实现光子计数成像。本文的研究内容主要包括普通CCD工作原理、电荷倍增机制及其模型、电子倍增CCD成像模型、基于电子倍增CCD的光子计数成像原理以及电子倍增CCD的测试分析实验装置的建立和试验。通过对电子倍增CCD工作机制及其在光子计数成像的应用研究,可以为我国实现电子倍增CCD核心技术自主化提供理论依据,为尽快突破英美发达国家的技术封锁贡献力量。 在CCD工作原理研究方面,本文重点对埋层沟道CCD器件内的二维电势场分布进行了研究。通过求解一维泊松方程和传输线波动方程,得到了埋层沟道CCD的二维电势场分布的解析表达式,分析了电极间中心距、电极偏置电压和电极内存储电荷容量等关键因素对二维电势场分布的影响,明确了埋层沟道CCD器件内的二维电势场分布。 电荷倍增寄存器实现电荷倍增的原理研究方面,本文重点分析了电荷倍增寄存器实现电荷倍增的四个要点:强电场、大电荷势阱容量、溢出控制器和直流偏置相。同时,依据电荷倍增过程是否具备Markov性,本文将电荷倍增过程分为两种模式:高增益模式和普通增益模式。在不同模式下,分别通过求解Markov-扩散方程和Malthusian方程得到倍增寄存器的增益统计特性、增益期望和方差和增益概率密度函数。利用搭建的电子倍增CCD测试系统发现,除了倍增电极的偏置电压外,倍增电极内信号电荷包的大小也影响到电子倍增CCD的电荷倍增过程。 在电子倍增CCD成像模型研究方面,本文通过建立电子倍增CCD的电荷转移模型和器件模型,得到了电子倍增CCD的系统响应函数和幅频响应特性,并分析了电荷倍增过程对成像的影响。借助于实验测试可知:尽管电荷倍增过程并没有改变电子倍增CCD的幅频响应的分布特征,但是由于电荷倍增过程提高了响应幅度,电荷倍增过程可以有效提高电子倍增CCD在低照度条件下的细节分辨力。 在基于电子倍增CCD的光子计数成像研究方面,本文通过离散单光子响应模型得到了判断电子倍增CCD是否满足单光子探测的依据。借助于电子倍增CCD的单光子响应模型,讨论并分析了利用双重阈值方法实现光子事件检测的原理,并给出了幅度闽值和频率闽值选择的依据。 通过单光子探测效率与误差实验,本论文分析了电子倍增CCD在光子计数成像模式下的性能。通过光子计数成像实验测试证明:采用光子计数模式,电子倍增CCD的最小响应度可以达到0.1个电荷/像素/帧,明显优于相同情形下的其他成像方式的结果。 本文研究工作受到部委科研项目"XXXXXX成像技术(4040508011)”、部委科研项目"XXXXXXXXXXX成像技术研究(A2620060242)”和江苏省自然科学基金项目“光子计数成像机理及其关键技术研究(BK2008049)”的支持。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN386.5

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 尹丽菊;基于GM-APD的光子计数成像技术研究[D];南京理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 王大勇;低噪声微光图像采集系统的研究[D];浙江大学;2012年
2 孙英恺;基于EMCCD的光子计数成像方法及实验研究[D];南京理工大学;2013年
3 张龙;电子倍增CCD模拟前端设计与信号优化[D];南京理工大学;2013年
4 陆震熙;EMCCD信号采集与数据传输的实现[D];南京理工大学;2013年
5 谢云;基于FPGA的TC253 EMCCD相机数字控制系统设计[D];昆明理工大学;2013年
6 黄强强;EMCCD驱动电路设计与优化[D];南京理工大学;2014年
7 沈吉;基于FPGA的电子倍增CCD成像系统设计[D];南京理工大学;2014年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 沈锋,张学军,饶长辉,姜文汉;像增强型CCD探测器的光学特性[J];光学学报;2002年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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8 江绍基,马云飞,佘卫龙,王自鑫,朱析,蔡志岗,李宝军;近红外光学膜厚监控系统的研制[J];半导体光电;2004年06期
9 龙再川;宋备刚;杜昊;郑渝;赵凯生;;一种高信噪比科学级CCD数据转换系统[J];半导体光电;2007年04期
10 蔡荣太;王延杰;;CCD成像传感器的降噪技术[J];半导体光电;2007年05期
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1 邱宗甲;陈思颖;张寅超;步志超;王玉诏;孔卫国;刘鹏;陈和;倪国强;;气溶胶探测激光雷达系统及误差分析[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
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3 高明阳;;芬兰AWOS系统DD50设备特殊故障的应急处理[A];第八届长三角气象科技发展论坛论文集[C];2011年
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5 苏成志;宫洪磊;胡静;徐洪吉;;亮场光学透过率检测方法的研究[A];中国电子学会电子机械工程分会2009年机械电子学学术会议论文集[C];2009年
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7 原卫平;何玉敖;;结构振动AVS/D随机控制算法研究[A];第二届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2002年
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10 向嵘;陈立;李野;吴奎;姜德龙;王新;田景全;;二维电子倍增器件特性测试和系统模拟的新方法[A];第八届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 苏成志;瞄准具传光能力评价及测试方法的研究[D];长春理工大学;2010年
2 苏日建;信息测量系统及其若干问题的研究[D];华中科技大学;2010年
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5 杨承;日盲型紫外探测和直升机着舰光电助降技术的研究[D];电子科技大学;2010年
6 冯其强;数字工业摄影测量技术研究与实践[D];解放军信息工程大学;2010年
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9 孙钰;基于奇异摄动理论的马尔可夫机制转换波动模型下的期权定价[D];东华大学;2011年
10 朱丹;基于时序等价性检查的电路软错误系统级可靠性分析方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王变;两类再保险风险模型的破产概率研究[D];河南理工大学;2010年
2 李坤;参数参与进化的自适应遗传算法研究[D];南昌航空大学;2010年
3 丁雷;白鼠脑电信号远控采集处理系统的设计与研究[D];山东科技大学;2010年
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6 邱堃铭;关于随机多项式若干问题研究[D];辽宁师范大学;2010年
7 黄强;我国可转换债券定价方法问题分析[D];江西财经大学;2010年
8 王兴伟;拉曼光谱用于胃癌诊断技术的研究[D];沈阳理工大学;2010年
9 肖翠柳;Copula函数在医疗费用估计中的应用[D];江南大学;2010年
10 卢树强;鞅分析在Cox风险模型中的应用[D];哈尔滨理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 裴志军,国澄明,姚素英,赵毅强;CMOS有源像素图像传感器的噪声控制技术[J];半导体光电;2002年06期
2 周金运,张鹏飞,彭孝东,林清华,廖常俊,刘颂豪;基于门控制模式的单光子探测电路设计[J];半导体光电;2004年04期
3 秦小林,周春元,李和祥,曾和平,丁良恩;单光子雪崩二极管的被动主动混合抑制技术[J];半导体光电;2004年06期
4 寇松峰;陈钱;顾国华;徐伟;;基于APD阵列的单光子计数成像研究[J];半导体光电;2008年06期
5 王昕,汪至中;高速电路设计中的终端匹配技术[J];北方交通大学学报;2002年04期
6 侯宏录;张文芳;;基于FPGA的SDRAM控制器设计方案[J];兵工自动化;2012年02期
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9 周立伟;光电子成像:走向新的世纪[J];北京理工大学学报;2002年01期
10 左昉,刘广荣,高稚允,周立伟;用于微光成像的BCCD,ICCD,EBCCD性能分析[J];北京理工大学学报;2002年01期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 尹丽菊;陈钱;顾国华;;光子计数图像的多帧累加处理技术[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
2 廖常俊;李日豪;魏正军;王金东;郭健平;刘颂豪;;用于量子保密通信的红外单光子探测器[A];全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 周蓓蓓;电子倍增CCD的工作模式及其光子计数成像研究[D];南京理工大学;2011年
2 尹丽菊;基于GM-APD的光子计数成像技术研究[D];南京理工大学;2012年
3 吴青林;高速电子学及其在量子信息技术中的应用[D];中国科学技术大学;2008年
4 张闻文;基于噪声特性的电子倍增CCD最佳工作模式研究[D];南京理工大学;2009年
5 寇松峰;APD光子计数成像技术研究[D];南京理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 史继芳;用于微光夜视系统性能评价的夜天光模拟光源研究[D];南京理工大学;2004年
2 乔洪;高速PCB信号完整性分析及应用[D];西南交通大学;2006年
3 陈修亮;1550nm单光子探测及其应用研究[D];华东师范大学;2006年
4 倪平平;红外与微光图像融合夜视系统设计[D];南京理工大学;2006年
5 李明;基于SOPC的网络视频监控系统的设计与实现[D];大连理工大学;2006年
6 王青;基于SOPC技术的数字变频电源设计[D];上海交通大学;2007年
7 陈学飞;面阵CCD成像系统外围电路设计[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2007年
8 孟俊岭;嵌入式TCP/IP协议的FPGA实现[D];西安电子科技大学;2008年
9 李晋;基于SOPC的远程图像监控系统的设计与实现[D];电子科技大学;2008年
10 潘锋;基于DM9000以太网控制器的网络家电控制系统[D];电子科技大学;2007年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 吴从均;星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 孙英恺;基于EMCCD的光子计数成像方法及实验研究[D];南京理工大学;2013年
2 杨磊;微光夜视仪检测设备中微光应力源系统研究[D];长春理工大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郭立忠,苏玉峰;2048位线阵CCPD摄象器件性能测试[J];半导体光电;1985年02期
2 张坤,李仁豪;埋沟CCD器件工作状态的设计[J];半导体光电;2000年S1期
3 曹根瑞,俞信,顾若炜,周仁忠;光子噪声受限的波前传感器的实验研究[J];北京理工大学学报;1990年02期
4 王晓辉,胡新奇,俞信,王苏生,曹根瑞;光子计数成像探测系统及其在生命科学中的应用[J];北京理工大学学报;1997年04期
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6 江孝国,祁双喜,王婉丽,谭肇,吴廷烈,王伟,王云秀;CCD输出信号的低噪声处理电路研究[J];光电子·激光;2001年11期
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9 李云飞;司国良;郭永飞;;科学级CCD相机的噪声分析及处理技术[J];光学精密工程;2005年S1期
10 闫丰;于子江;于晓;娄洪伟;隋永新;杨怀江;;电晕探测紫外ICCD相机图像噪声分析与处理[J];光学精密工程;2006年04期
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3 牛丽红;冯玉春;阔晓梅;王云程;;硅微通道板电子倍增器的研制[J];光学技术;2007年03期
4 越田信义 ,吉田重知 ,严;具有电子倍增功能的二次电子发射材料[J];压电与声光;1979年06期
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7 朱永昌,高祀建,关铭,刘峻;微球板电子倍增器[J];中国建材科技;2001年06期
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6 钱永庚;贾丽红;王克华;王经瑾;;固体阵列探测器及其信号处理电路[A];第8届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(一)[C];1996年
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9 张玉贵;韩志学;何志宽;;一种EMCCD噪声分析及工作模式的优化设计[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
10 乐务时;陈楠;龙高群;;微通道板真空烘烤氢还原工艺[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 通讯员 朱丽娟 记者 付毅飞;航天科工成功试制新型气体探测器多孔膜板[N];科技日报;2011年
2 余建斌 朱丽娟;新型探测器研制获突破[N];人民日报;2011年
3 通讯员 朱丽娟 记者 邢宇皓;新型气体探测器核心部件研发成功[N];光明日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 何伟基;电子倍增CCD的倍增机制及其在光子计数成像的应用[D];南京理工大学;2009年
2 张闻文;基于噪声特性的电子倍增CCD最佳工作模式研究[D];南京理工大学;2009年
3 周蓓蓓;电子倍增CCD的工作模式及其光子计数成像研究[D];南京理工大学;2011年
4 周日峰;高能X射线工业CT气固混合型电子倍增辐射探测器探索研究[D];重庆大学;2011年
5 丁立健;真空中绝缘子沿面预闪络和闪络现象的研究[D];华北电力大学;2001年
6 石晶;基于硅微通道板的新型三维传感器[D];华东师范大学;2011年
7 余达;面阵CCD高速成像电路技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2012年
8 潘京生;微通道板及其成像探测应用的研究[D];长春理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐濛;基于FPGA的电子倍增CCD图像采集传输系统的实现[D];南京理工大学;2014年
2 沈吉;基于FPGA的电子倍增CCD成像系统设计[D];南京理工大学;2014年
3 程国新;高功率微波输出窗真空—介质界面击穿研究[D];国防科学技术大学;2008年
4 王大勇;低噪声微光图像采集系统的研究[D];浙江大学;2012年
5 张龙;电子倍增CCD模拟前端设计与信号优化[D];南京理工大学;2013年
6 李远;有机无机复合电致发光中电子行为的研究[D];北京交通大学;2008年
7 丁树芹;SOI硅光衰减器及硅微通道打拿极的初步研究[D];华东师范大学;2008年
8 田菲;硅微通道氧化特性的进一步研究[D];华东师范大学;2009年
9 钱蕾蕾;基于EMCCD的彩色夜视技术及自动增益控制研究[D];南京理工大学;2009年
10 王超;神经系统的生物光子辐射及其生理意义[D];中南民族大学;2011年
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