CCD的噪声来源.doc

CCD的噪声来源1噪声的主要来源12 CCD中噪声的主要类别12.1散粒噪声12.2暗电流噪声22.3转移噪声22.4光子噪声32.5肥零噪声32.6 输出噪声31噪声的主要来源在经过良好设计的CCD数字照相机或扫描仪中，系统的噪声特性主要由CCD 元件的噪声决定，可见成像系统的信噪比（信号噪声比）主要受到CCD 元件的限制，尽管成像系统的电子部件（线路）与CCD 传感器有关联，但电子部件对噪声的贡献并不明显。CCD图像传感器的信噪比基本上决定了成像系统性能的优劣，表示测量光信号与组合噪声信号之比，其中的组合噪声信号由各种不希望出现的噪声分量组成，反映CCD元件的固有属性和物理本质，随入射光子通量的增加而变化。考虑到CCD传感器在离散的物理位置阵列上收集电荷，因而与传感器测量（模拟电信号输出）数据的CCD传感器的噪声源不确定性相比，可以认为噪声是信号量值相对于每一个传感器像素的偏压。如果从工程细节的角度考虑，则CCD 传感器噪声源于多种因素的贡献，通常情况下可以将噪声的来源组合成更一般的种类，或归结为典型成像系统或设备有用输出信号水平以外的、数值更不明显的信号。CCD的噪声主要来自两个方面，一个是CCD器件本身所固有的噪声，如暗电流噪声、电荷转移噪声、信号起伏噪声、复位噪声、水平时钟串扰等，再一个就是CCD工作过程中的各种噪声干扰，即随机噪声。如KTC噪声和1/f噪声。2 CCD中噪声的主要类别2.1散粒噪声光注入CCD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散粒噪声。散粒噪声一个重要的特性是与频率无关，在很宽的频率范围内都有均匀的功率分辨，通常又称为白噪声。散粒噪声功率等于信号幅度，故散粒噪声不会限制CCD器件的动态范围，但是它决定了CCD的噪声极限值，特别是当CCD在低光照、低反差下应用时，由于采取了一切可能的措施降低各种噪声，光子散粒噪声便成为主要的噪声源。目前高质量的CCD摄像器件在冷却条件下工作，其噪声等值电子数只有10个左右，如果光生信号电子为l个，那就是说暗电流等带来的热噪声和电子元件本身的噪声已经降到散粒噪声水平。2.2暗电流噪声源于构成CCD 传感器关键结构材料硅的内部由于发热导致的电荷数量统计波动，尽管发热生成的电荷独立于光感应信号，但这种信号与CCD 传感器的温度却高度相关。在给定的CCD传感器温度条件下，热电荷的生成速率通常被称之为暗电流。CCD暗电流产生的噪声可以分为两部分，其一是由耗尽层热激发产生，这是一种随机过程，可用泊松分布描述；其二是暗电流产生的复合(产生中心非均匀分布)，特别是在某些单元位置上缺陷密集，而形成暗电流尖峰。由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些暗电流尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是造成很大的背景起伏，这就是常见的CCD噪声的起因。如在天文观察应用中，CCD器件工作在低照度、长时间积分状态，这时暗电流噪声便是起限制作用的因素。因此，器件必须工作在致冷状态，如果从室温冷却至液氮温度，硅中暗电流可以减小三个数量级，此时暗电流引起的噪声将不是重要的限制因素了。所有的CCD 传感器都会受到暗电流的影响，它的存在限制了器件的灵敏度和动态范围。由于热运动产生的暗电流噪声的大小与温度的关系极为密切，温度每增加5 6 ，暗电流将增加到原来的两倍。它还与电荷包在势阱中存储时间的长短有关，存储时间越长，暗电流噪声越大。在弱信号条件下，CCD 采用长时间积分的方法进行观测,暗电流将是主要的影响因素。另外，在CCD 阵列中,局部晶格缺陷或杂质的存在还可造成暗电流尖峰。随着掺杂浓度增大，离表面距离越近,电场强度就越大。在最接近表面处，电场强度达到最大，暗电流峰值就越容易出现。暗电流峰值会给图像背景造成很大涨落。2.3转移噪声CCD转移噪声产生的原因有：转移损失引起的噪声，界面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。采用浮置栅放大器能够得到更低的噪声值，因为它能够避免复位噪声，而且检测端总电容很小，KTC噪声小。不过，在CCD中应用浮置栅放大器受到限制。输出结构采用分布浮置栅放大器，噪声最小。它的主要噪声是输入MOSFET噪声，而浮置栅放大器本身引入的噪声是很低的。CCD器件的固定模式噪声可以通过数字信号处理消除，所以我们更多的是评估CCD相机的随机噪声。2.4光子噪声光子发射是随机的,因此,势阱收集光信号电荷也是一个随机过程,这就构成了一种噪声源,它是由光子的性质决定的。这种噪声在低照度摄像时会较严重。2.5肥零噪声肥零，即采用肥零电荷填充势阱位置，使信号电荷可以通过杂乱无章的区域进行转移，分为光学肥零和电子肥零。其产生的噪声分为光学肥零噪声和电子肥零噪声，光学肥零噪声由所使用的CCD的偏置光的大小决定,电子肥零噪声由电子注入肥零机构决定。2.6 输出噪声CCD 信号的输出是通过浮置电容将CCD 的信号电荷转换成为相应的电压，并多采用浮置扩散型电容输出,其原理如图1所示。T1是复位开关,其漏极接至复位电平；T2 是浮置扩散放大器,实际上是一个电压跟随器；D 是电荷包收集二极管,工作于反偏电压状态下；CS 是浮置扩散电容,用来存储电荷。图(1)在每个像元的输出过程中，复位脉冲R 先将CS 置为高电平VR ，当时钟驱动输出脉冲S 到来时，待输出电荷转移到输出端，对CS进行充电,使其电压下降，下降的幅度与读出电荷量成正比，由T2输出。在将CS 置为高电平时，由于参考电源滤波不足，通过源漏极之间的导通电阻将电源的波动引入到CS，产生一定压降VR。当输出信号被后续电路采集后，浮置扩散电容CS将被放电，从而为下一个像元的电荷转换做好准备。将CS 放电的复位开关启动时有随机温度噪声加在CS 上，产生k TC 噪声( T表示绝对温度，C表示浮置电容值，k为玻耳兹曼常量) 。另一方面，当CCD的像元输出速率较高时，电容将没有足够的时间放电，这就造成电容上每次都有剩余电荷，从而使CCD输出信号发生畸变，这种噪声和由VR 产生的噪声为复位噪声。目