电子倍增CCD的性能参数测试方法

1、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，EM

2、CCD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图1.1EMCCD基本结构1.1 EMCCD基本原理图1.1E

3、MCCD基本结构电子倍增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。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

4、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

5、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

6、微光成像、高帧频输出。1.2.5总噪声。=,源2G 2(。2 +b 2 +b 2)+b 2P D C R式中，F为过剩噪音因子，G为增益，。尸为光子散粒噪音，气为暗电流 噪音，QC为时钟感生电荷，Qr为读出噪音。1.2.6过剩噪声因子Q 1.2.6过剩噪声因子F = ouG 2Q 2in式中，G为增益，Q2为输入信号方差，Q2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

7、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J2作为噪声(纵轴)。考虑到平场图像在边缘处的输出

8、值有所降低，为了获得均匀的实验数据， 提高实验的准确性，计算时我们选择了电子倍增CCD成像光敏面中间20pixelx20 pixel的子阵列作为统计区域。将PTC中散粒噪声区域内的数据点进行 拟合，得到斜率为1/2的直线，该直线与横轴的交点即为转换增益。将PTC中 读出噪声区域内的数据点进行拟合，得到斜率为0的直线，该直线与纵轴的交点 即为读出噪声。PTC中图像噪声的最高点即是满阱。如下图。图2.2 电子倍增CCD PTC本次实验中由于图像亮度很低的点测试不够，斜率为0的直线不容易得到， 因此采用求本底图像噪声均值的方法得到读出噪声。由以上方法得到电子倍增CCD满阱为14692DN，读出噪声为

9、7.4541DN， 转换增益为1.7699 e / DN。2.2倍增增益电子倍增CCD是通过一个8位的电子倍增数/模转换器(EMDAC)来调节芯 片上倍增寄存器的增益的，0是指“无增益”情况，1255是指“增益打开”情 况，255表示增益调至最大。但是需要注意的是EMDAC的数值并不是真实的倍 增增益，如果直接将EM DAC的值作为增益进行实验会导致错误的结果，因此 在测试与倍增增益有关的参数前必须先确定电子倍增CCD的真实增益。由电子 倍增CCD增益的定义可知，倍增寄存器的输出信号与输入信号之比就是倍增增益。实验时只需要测量某一照度水平下电子倍增CCD在无增益和有增益时的输 出，扣除相应的本

10、底图像就能计算出电子倍增CCD的真实增益，计算公式如下x = 0,1,2.,255S (DN) B (DN)x = 0,1,2.,255S0 (DN) - B； (DN)式中，X为EMDAC的值，S为不同EM DAC时的输出信号，B为不同 EMDAC时的本底，S0为不开增益时的输出信号，B0为不开增益时的本底。具体实验步骤为：1）调节光源到一个合适的强度，保证电子倍增CCD在EMDAC = 255时依 然工作在线性区域，不出现饱和现象；2）令EM DAC = 0，测量电子倍增CCD的输出信号均值，减去本底后即为 无增益时的输出信号强度；3）EM DAC从1开始逐渐递增，分别测量不同的EMDAC

11、值时电子倍增CCD的输出信号均值和本底，相减后即为倍增后的输出信号强度；将2）和3）的实验结果代入倍增增益公式，得到EMDAC和真实增益的曲线 如图2.3。n_o_in_o_illi&图2.3电子倍增CCD真实增益2.3时钟感生噪声在测量本底噪声过程中，我们发现随着增益的增大，本底噪声也迅速增加。 不开增益时，电子倍增CCD的本底值很稳定，当增益较大时，输出值出现起伏， 相应的本底噪声也明显增大。分析本底噪声的组成，其中读出噪声与增益无关，只有暗电流噪声和时钟感 生电荷噪声会随着增益的增加而增大。考虑到器件为制冷型电子倍增CCD， 电流噪声比较微弱，因此忽略不计，时钟感生电荷噪声为8 2 b

12、2 c BGF 实验时，分别测量了 EM DAC为170，180，190，200，210和220时电子 倍增CCD的本底噪声，乘以转换增益后得到以电子为单位的本底噪声值，得到 每个EM DAC值对应的真实增益值。在该增益范围内电子倍增CCD的噪声因子的平方已趋于2,因此在计算时钟感生电荷噪声时，噪声因子为2。读出噪声 已知，将这些参数代入时钟感生噪声公式便可计算出不同增益下的时钟感生电荷 噪声。结过见下表：表2.2电子倍增CCD EMDAC为170到220时的时钟感生噪声EMDAC170180190200210220CIC(DN)0.07930.09360.10750.12180.13780.

13、15232.4暗电流实验采用的电子倍增CCD为制冷型器件，暗电流很小，即使在长时间积分 条件下依然不是很明显，因此无法通过统计暗场计算出电子倍增CCD的暗电流 噪声。但是，我们从暗场图像中发现个别像素特别亮，其输出值远高于周围像素， 这是由半导体制造工艺和材料的缺陷引起的，暗电流在这些像素中积累的特别 快，这些对暗电流特别敏感的像素叫做热像素，热像素中暗电流的特性也从某种 程度上反映了电子倍增CCD的暗电流特性。通过分析暗场图像我们统计出部分 热像素，用坐标表示它们在电子倍增CCD光敏面上的位置，然后拍摄不同积分 时间下的暗场，减去本底后计算这些热像素中的暗电流。以积分时间为横坐标， 暗电流为

14、纵坐标，得到电子倍增CCD热像素中的暗电流曲线，如图2.4。表2.2电子倍增CCD部分热像素中的暗电流值积分时间 坐标位 置-.2s5s10s20s60s100s(409,32)1805141071217962649950(409,418)103316649131538236201(642,8)99275595118033585373(649,442)1153376941401421667791200010000q 8000Q 6000蜜 40002000020406080100120积分时间(s)图2.4电子倍增CCD部分热像素中的暗电流变化曲线实验结果分析根据2中的实验数据，我们得到电子倍

15、增 CCD相机读出噪声电子数为 7.4541DNx1.7699e- /DN = 13.1930e-，小于电子倍增CCD相机说明上提供的值15e-。倍增增益曲线随EMDAC增大而上升，大致呈指数形式，与理论相符。本底噪声由多种噪声组成，其中读出噪声与增益无关，只有暗电流噪声和时钟感 生电荷噪声会随着增益的增加而增大。由于本实验采用的是制冷型电子倍增 CCD，因此暗电流很小，只有在热像素中可以测量到，倍增增益较大时时钟感生 噪声占据本底噪声中的大部分。以上结果表明，本文运用的测试方法基本正确，可以快速、准确地得到电子 倍增CCD的参数，对电子倍增CCD系统设计工作有重要意义。参考文献James R. Janesick. Scientific Charge-Coupled Devices, J. SPIE, 2001.Michael J. DeWeert, Jeffrey B. Cole, Andrew W. Sparks, and Andrew Acker. Photon Transfer Methods and Results for Electron Multiplication CCDsJ. SPIE,2004.Mark Stanford Robbins, and Benjamin James Hadwen.The noise performance