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电子倍增CCD的工作模式及其光子计数成像研究

周蓓蓓  
【摘要】:一直以来,微光成像技术在科学研究和军事战争等诸多方面都起着极其重要的作用。目前,以像增强电荷耦合器件(Intensified Charge Coupled Device, ICCD)为代表的传统微光成像技术虽仍占据主导地位,但随着在恶劣环境应用的需求不断提高,对现有微光成像技术必须在技术本质上进行革新的要求也逐渐显现出来,而电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Device, EMCCD)正是这一技术革新的产物。 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。作为一种新型的微光成像器件,电子倍增CCD比普通CCD增加了电荷倍增的功能,具有体积小、噪声低、灵敏度高、动态范围大等诸多优点,且具备了单光子探测能力,在微光成像领域具有很大的发展潜力和广阔的应用前景,更是实现光子计数成像的有效途径之一。而由于英美等发达国家的技术封锁,对电子倍增CCD开展自主研究工作更具有极其重要的意义。我国的电子倍增CCD研究工作处于刚起步阶段,为了为我国实现电子倍增CCD核心技术自主化提供理论依据,本文主要对电子倍增CCD工作原理、工作模式、噪声分析、光子计数成像模式及其光子图像的恢复等几个方面开展研究工作。 本文从电子倍增CCD的器件基本结构及其工作原理出发,详细讨论了电子倍增CCD中电荷载流子倍增寄存器(Charge carrier multiplier, CCM)的电荷倍增机制以及电荷传输方式。针对不同的外部环境情况给出了电子倍增CCD的三种不同工作模式,并对这三种工作模式的具体应用场合、工作原理、增益设置、噪声来源以及信噪比大小等进行了分析。通过建立电路等效模型,实现了对CCM中电荷传输现象的分析和仿真,建立了可用于计算机仿真的IC模型,并最终用于计算机仿真。借助概率生成函数(PGF)及其性质,推导出了电子倍增CCD中多级CCM结构的输出概率密度函数(PDF),讨论了输入信号、倍增增益等参数对电荷倍增过程中过噪声的影响,为过噪声的模型建立打下理论基础。 文中针对电子倍增CCD成像系统中的噪声,尤其是四类主要噪声的产生机制、抑制方法及其对系统信噪比的影响逐一进行了分析讨论,深入分析了多针相(Multi Pinned Phase, MPP)模式的工作原理与其在电子倍增CCD中的应用。从过噪声的定义出发,通过串联系统性质推导了过噪声的数学模型,给出了高增益下过噪声因子的近似值,并最终给出了整个电子倍增CCD总噪声的数学模型,为电子倍增CCD光子计数模式下的倍增及噪声特性分析打下基础。 以光子的特性和光子计数成像的基本原理为基础,文中对电子倍增CCD的光子计数模式进行了深入的研究,对电子倍增CCD光子计数模式的工作原理、光子计数率和该模式下的三种误计数以及三种主要噪声进行了详细分析,并给出了相应的定量模型。且通过实验对电子倍增CCD的倍增性能、增益常数、光子转移曲线及其光子响应特性进行测试。通过实验证明电子倍增CCD可以对10-6 Lux甚至更低的照度条件产生有效响应,对单个光子信号具有实时动态探测的能力。 针对电子倍增CCD在光子计数模式下的工作特点,文中分析了阈值法的工作原理,从原理和算法上完善了针对普通制冷电子倍增CCD光子图像恢复的双重阈值法,详细推导了其幅度阈值和频率阈值的计算公式。针对一般阈值法无法恢复光子图像灰度级以及符合误差无法避免的问题,文中还提出了贝叶斯统计的方法来对电子倍增CCD在极低照度下所成的光子图像进行恢复,并给出了其具体算法步骤。最后通过四组在不同的照度下的实验对单阈值法、双重阈值法和贝叶斯统计的方法对光子图像的恢复效果进行了对比。


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