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電子倍增CCD噪音特性研究

文檔作者：張聞文陳錢文檔來源：南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月27日
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第３８卷第４期
２００９年４月　　　　　　　　　　　　
光　子　學(xué)　報
ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．４
Ａｐｒｉｌ２００９
國防基礎(chǔ)科研基金和裝備預(yù)研基金資助
Ｔｅｌ：０２５ ８４３１５８６９?。牛恚幔椋欤海瑁幔睿纾鳎澹睿鳎澹睿保玻埃担溃保叮常悖铮?
收稿日期：２００７ １１ ２０
電子倍增ＣＣＤ 噪音特性研究
張聞文，陳錢
（南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京２１００９４）
摘　要：討論了電子倍增ＣＣＤ 的噪音組成及各自的產(chǎn)生機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立了電子倍增ＣＣＤ 的
總噪音理論模型．按照信號倍增過程的隨機(jī)性，推導(dǎo)了電子倍增ＣＣＤ 的過剩噪音因子并求出了增
益趨向無窮大時的極限值．對電子倍增ＣＣＤ 相機(jī)進(jìn)行了噪音測試，采集了不同增益下噪音的輸出
波形和頻譜圖．根據(jù)增益和噪音電壓的函數(shù)曲線，結(jié)合理論模型對不同增益下的噪音組成進(jìn)行了定
性分析．結(jié)果表明：低增益時，電子倍增ＣＣＤ 主要受限于讀出噪音，高增益時則為暗電流噪音和時
鐘感生電荷．
關(guān)鍵詞：微光成像；電子倍增ＣＣＤ；噪音特性；過剩噪音因子
中圖分類號：ＴＮ２２３；Ｐ１１１．４９　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ　　　文章編號：１００４４２１３（２００９）０４７５６５
０　引言
電子倍增ＣＣＤ 是微光成像領(lǐng)域的重大突破，它
通過嵌入可控的增益寄存器使信號電荷在轉(zhuǎn)移過程
中得到放大倍增，從而實現(xiàn)了全固態(tài)成像［１４］．電子
倍增ＣＣＤ 克服了以往ＩＣＣＤ 功耗大、壽命短、成本
高、光電轉(zhuǎn)換效率低、空間分辨率差以及高增益下怕
強(qiáng)光的缺點，在實時快速動態(tài)探測方面具有先天的
優(yōu)勢，其探測靈敏度可達(dá)到對真正單光子事件的檢
測，在軍事偵察、天文觀測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨
大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景［５９］．
對于微光成像器件來說，噪音是制約其極限探
測性能的重要參量，也是評價系統(tǒng)成像質(zhì)量好壞的
重要標(biāo)準(zhǔn)．噪音特性的測試與研究直接影響到成像
器件的設(shè)計和應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)．目前國內(nèi)對電子倍
增ＣＣＤ 的研究尚處于探索階段，其噪音特性的研究
尚未起步，這也限制了它的應(yīng)用．本文研究了電子倍
增ＣＣＤ 成像過程中的各種噪音，推導(dǎo)出電子倍增
ＣＣＤ 的總噪音公式．深入分析了倍增過程中產(chǎn)生的
過剩噪音，計算出過剩噪音因子的極限值．測量了電
子倍增ＣＣＤ 的噪音，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合理論模型
分析了不同增益下的噪音組成．研究結(jié)果對電子倍
增ＣＣＤ 的應(yīng)用和設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義．
１　噪音組成
１．１　光子散粒噪音
光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可看作獨
立、均勻、連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程．單位時間內(nèi)產(chǎn)生的
信號電荷數(shù)目并非絕對不變，而是在一個平均值上
作微小的波動．這一微小的起伏便形成光子散粒噪
音．它與頻率無關(guān)，不會限制器件的動態(tài)范圍，但它
是器件本身的固有噪音，無法通過后續(xù)電路抑制或
消除，因此決定了器件的噪音極限值［１０］．在微光成
像系統(tǒng)中，當(dāng)采取了所有可能的措施降低了各種噪
音后，光子散粒噪音就成為主要的噪音源．
假設(shè)入射光子數(shù)量為犘，量子效率為η，光電轉(zhuǎn)
換生成的信號電子數(shù)為犖ｅ，在理想狀態(tài)下
犖ｅ＝犘η （１）
光子散粒噪音服從泊松分布，定義為
σ犘＝槡犘η （２）
１．２　暗電流噪音
在正常情況下，考慮一個既沒有加電信號，也沒
有加光信號的ＣＣＤ，此時所有電極的ＭＯＳ 電容器
均處于深耗盡層狀態(tài)，熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子被收集
在勢阱中，使ＣＣＤ 在全暗條件下工作時仍有電流．
這個電流與光電流不同，它是由熱生載流子形成的
電流，通常把這個電流稱為暗電流．電子倍增ＣＣＤ
的暗電流分為ＳｉＳｉＯ２ 交界處的表面暗電流和襯底
中的體內(nèi)暗電流，體內(nèi)暗電流又包括耗盡襯底內(nèi)的
本征產(chǎn)生電流和中性襯底內(nèi)的擴(kuò)散電流．暗電流受
溫度的強(qiáng)烈影響，且與光積分時間成正比，表面暗電
流一般比體內(nèi)暗電流高兩個數(shù)量等級，如圖１．
暗電流每時每刻地加入到信號電荷包中，不僅
引起附加的散粒噪音，而且還形成一個暗信號圖像，
疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪音．尤其是因
為工藝原因或半導(dǎo)體材料的某些缺陷引起高密度的
產(chǎn)生－復(fù)合中心，個別處暗電流特別大（即暗電流尖
峰），則在圖像上出現(xiàn)白斑．暗電流是圖像傳感器的
一個重要參量，必須控制它在信號電荷中占很小的
一部分，否則會對圖像造成失真［１１］．
４期張聞文，等：電子倍增ＣＣＤ 噪音特性研究
圖１　表面暗電流和體內(nèi)暗電流與溫度的關(guān)系
Ｆｉｇ．１?。樱酰颍妫幔悖澹幔睿洌猓酰欤耄洌幔颍耄悖酰颍颍澹睿簦觯澹颍螅酰螅簦澹恚穑澹颍幔簦酰颍?
１．３　時鐘感生電荷
時鐘感生電荷（ＣＩＣ）是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中
碰撞電離產(chǎn)生的，因此與積分時間無關(guān)．所有的
ＣＣＤ 都會產(chǎn)生時鐘感生電荷，大約１００次轉(zhuǎn)移才會
產(chǎn)生一個電子，概率非常小，容易被讀出噪音淹沒，
但是在電子倍增ＣＣＤ 中，高增益使得單個電子也會
形成明顯的尖峰，不能和普通ＣＣＤ 一樣忽略．時鐘
感生電荷與器件的工作模式，轉(zhuǎn)移頻率，時鐘邊緣等
因素有關(guān)．
１．４　讀出噪音
讀出噪音是由輸出放大器和后續(xù)處理電路產(chǎn)生
的，包括復(fù)位噪音（ＫＴＣ 噪音）和１／ｆ噪音［１２，１３］．對
于普通ＣＣＤ 來說，器件工作在高幀頻時，讀出噪音
較為明顯，影響成像質(zhì)量，是主要的噪音源．電子倍
增ＣＣＤ 在電荷轉(zhuǎn)換成電壓前，對電荷進(jìn)行低噪音倍
增，將信號提高到讀出噪音門限以上，有效降低了讀
出噪音，在高增益時消除了讀出噪音對器件工作頻
率的限制．
１．５　總噪音
由電子倍增ＣＣＤ 的結(jié)構(gòu)可知，進(jìn)入增益寄存器
的噪音都會隨信號電荷一起倍增，包括光子散粒噪
音、暗電流噪音及時鐘感生電荷，并且受過剩噪音因
子的影響．假設(shè)各種噪音之間互相獨立，可以得到電
子倍增ＣＣＤ 的總噪音
σ＝ 犉２犌２（σ２
Ｐ＋σ２
Ｄ＋σ２
Ｃ）＋σ２ 槡Ｒ （３）
式中，犉為過剩噪音因子，犌為增益，σＰ 為光子散粒
噪音，σＤ 為暗電流噪音，σＣ 為時鐘感生電荷，σＲ 為讀
出噪音．
２　過剩噪音因子
由式（３）可知，電子倍增ＣＣＤ 的總噪音與過剩噪
音因子有關(guān)，它描述了系統(tǒng)的輸入輸出特性，是電子
倍增成像系統(tǒng)特有的噪音參量，表征了電荷隨機(jī)倍增
過程中產(chǎn)生的額外噪音（即過剩噪音），定義為［１４１５］
犉２＝σ２
ｏｕｔ／犌２σ２
ｉｎ （４）
式中，犌為增益，σ２
ｉｎ為輸入信號方差，σ２
ｏｕｔ為輸出信號
方差．
首先考慮單一倍增極的情況
犿＝犵狀（５）
式中，狀為倍增極上平均輸入電子數(shù)，犿為倍增
極上平均輸出電子數(shù)，犵為單一倍增極的增益．
假設(shè)犵和狀相互獨立，則
σ２
犿／犿２＝σ２
狀／狀２＋σ２
犵／犵２ （６）
式中，σ２
狀為倍增極上輸入電子數(shù)方差，σ２
犿為倍增極上
輸出電子數(shù)方差，σ２
犵為增益方差．
將倍增過程看作貝努利試驗，則增加的電子數(shù)
服從參量為狀，α 的二項分布，方差為
σ２
ａｄｄｅｄ＝狀α（１－α） （７）
α＝犵－１ （８）
式中，α 為倍增事件發(fā)生的概率．
σ２
犵＝
σ２
ａｄｄｅｄ
狀２ ＝
α（１－α）
狀
（９）
把式（５）和（９）代入式（６），得到
σ２
犿＝（１＋α）２σ２
狀＋狀α（１－α） （１０）
其次考慮犖個倍增極的情況，犛ｉｎ是平均輸入信
號，假設(shè)輸入信號為散粒噪音，服從泊松分布，即σ２
ｉｎ＝
犛ｉｎ，則輸出信號方差σ２
ｏｕｔ可以用式（１０）迭代得到．
犖＝１，σ２
ｏｕｔ＝σ２
ｉｎ（３α＋１） （１１）
犖＝２，σ２
ｏｕｔ＝σ２
ｉｎ（α＋１）（２α２＋５α＋１） （１２）
犖＝３，σ２
ｏｕｔ＝σ２
ｉｎ（α＋１）２（２α３＋６α２＋７α＋１）（１３）
對于任意的犖，
（α＋１）犖＝犌（１４）
σ２
ｏｕｔ＝σ２
ｉｎ（α＋１）（犖１）（２（α＋１）犖＋α－１）
＝σ２
ｉｎ犌（２犌＋α１）
α＋１
） （１５）
根據(jù)定義式（４）可得
犉２＝
１
犌
（２犌＋α－１
α＋１
）＝
２＋（α－１）／犌
α＋１
（１６）
α１，當(dāng)犌→∞時，犉２＝２，犉＝槡２，如圖２．
圖２　過剩噪音因子和增益關(guān)系
Ｆｉｇ．２　Ｅｘｃｅｓｓｎｏｉｓｅｆａｃｔｏｒｓｑｕａｒｅｄａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｏｆｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｇａｉｎ
７５７
光　子　學(xué)　報３８卷
３　實驗結(jié)果與分析
實驗采用了Ａｎｄｏｒ 公司的電子倍增ＣＣＤ 相
機(jī)———Ｌｕｃａ進(jìn)行噪音測試．室溫下，關(guān)閉相機(jī)光圈
調(diào)節(jié)環(huán)并蓋上鏡頭蓋，在不同的增益下，分別采集了
噪音的輸出波形和頻譜，實驗中讀出速率和積分時
間保持不變．
如圖３ ，增益為１的時候，相當(dāng)于普通ＣＣＤ，噪
圖３　增益為１時的噪音波形和頻譜
Ｆｉｇ．３?。危铮椋螅澹鳎幔觯澹妫铮颍恚幔睿洌螅穑澹悖簦颍酰?ｗｈｅｎ犌＝１
音幅度很小，比較穩(wěn)定，沒有突出的脈沖尖峰，電壓
維持在１３ｍＶ（ｐｐ）左右，信噪比４９．９ｄＢ．
如圖４，增益調(diào)到１５０，此時噪音波形有了一些
變化，可以看到個別脈沖突起，幅度也有所增加，達(dá)
到１８ｍＶ（ｐｐ）左右，信噪比也隨之降低到４７．０ｄＢ．
如圖５，增益調(diào)至最大２５５，此時噪音波形變化
非常明顯，幅度整體提高，不斷有隨機(jī)的脈沖尖峰出
現(xiàn)，幅度超過４００ｍＶ（ｐｐ），信噪比降低到２１．３ｄＢ．
圖４　增益為１５０時的噪音波形和頻譜
Ｆｉｇ．４　Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｈｅｎ犌＝１５０
圖５　增益為２５５時的噪音波形和頻譜
Ｆｉｇ．５?。危铮椋螅澹鳎幔觯澹妫铮颍恚幔睿洌螅穑澹悖簦颍酰?ｗｈｅｎ犌＝２５５
采用多次實驗取平均值的方法，得到增益和噪音電壓的測試平均曲線，如圖６．
７５８
４期張聞文，等：電子倍增ＣＣＤ 噪音特性研究
圖６　噪音電壓和增益的測試曲線
Ｆｉｇ．６　Ｎｏｉｓｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｒｓｕｓｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｇａｉｎ
實驗是在無入射光條件下進(jìn)行的，光子散粒噪
音為零，測試結(jié)果可認(rèn)為是暗電流噪音、時鐘感生電
荷以及讀出噪音的總和．從圖６ 可以看出：１＜犌≤
１５０時，噪音電壓隨增益變化很小，近似為常量．從
圖２可以看出，過剩噪音因子在該增益范圍內(nèi)單調(diào)
遞增，當(dāng)犌＝１５０ 時，犉２ ＝１．９７，接近極限值．由式
（３）可知，暗電流噪音和時鐘感生電荷受過剩噪音因
子和增益的共同影響．所以可以認(rèn)為，此時讀出噪音
遠(yuǎn)大于暗電流噪音和時鐘感生電荷，是電子倍增
ＣＣＤ 的主要噪音源；
１５０＜犌≤２００時，噪音電壓逐漸增加，在該增益
區(qū)間內(nèi)過剩噪音因子不再增加，可看作常量．這說明
暗電流和時鐘感生電荷經(jīng)放大倍增后超過讀出噪
音，開始起主導(dǎo)作用；
２００＜犌≤２５５時，噪音電壓對增益非常敏感，曲
線變得十分陡峭．這說明在該范圍內(nèi)暗電流噪音和
時鐘感生電荷呈指數(shù)級增長，讀出噪音與其相比可
以忽略不計．
圖７是增益為１，１５０，２５５時分別拍攝的圖像，
充分體現(xiàn)了暗電流噪音和時鐘感生電荷的變化過
程，同時驗證了上述結(jié)論．
圖７　增益為１，１５０，２５５時拍攝的圖像
Ｆｉｇ．７　Ｉｍａｇｅｔａｋｅｎｗｈｅｎ犌＝１，１５０，２５５ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
４　結(jié)論
通過實驗測量了電子倍增ＣＣＤ 的噪音，采集了
不同增益下噪音的輸出波形和頻譜圖，根據(jù)增益和
噪音電壓的函數(shù)曲線，結(jié)合總噪音公式對不同增益
下的噪音進(jìn)行了定性分析．結(jié)果表明，１＜犌≤１５０
時，暗電流噪音跟時鐘感生電荷很小，電子倍增
ＣＣＤ 主要受限于讀出噪音；１５０＜犌≤２５５ 時，暗電
流噪音和時鐘感生電荷迅速增加，遠(yuǎn)大于讀出噪音，
成像質(zhì)量明顯下降．由此可見，增益并非越大越好，
信號電荷獲得倍增的同時噪音也被放大了，降低了
圖像信噪比，也削弱了器件的動態(tài)范圍．初步分析高
增益下是暗電流噪音和時鐘感生電荷共同作用的結(jié)
果，究竟是哪一種噪音起主要作用，還需分別建立理
論模型，借助于數(shù)值模擬及進(jìn)一步實驗測量得到確
切結(jié)論．
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包軍林，莊奕琪，杜磊，等．光電耦合器件閃爍噪音模型［Ｊ］．光
子學(xué)報，２００５，３４（９）：１３５９１３６２．
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犇犲狏犻犮犲狊，２００３，５０（１）：２３９２４５．
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ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．犐犈犈犈犜狉犪狀狊
狅狀犈犾犲犮狋狉狅狀犇犲狏犻犮犲狊，２００３，５０（５）：１２２７１２３２．
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Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２００７ １１ ２０
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