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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：南京理工大學電子工程與光電技術學院		點擊數：	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　報
ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．４
Ａｐｒｉｌ２００９
國防基礎科研基金和裝備預研基金資助
Ｔｅｌ：０２５ ８４３１５８６９　Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｗｅｎｗｅｎ１２０５＠１６３．ｃｏｍ
收稿日期：２００７ １１ ２０
電子倍增ＣＣＤ 噪音特性研究
張聞文，陳錢
（南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京２１００９４）
摘　要：討論了電子倍增ＣＣＤ 的噪音組成及各自的產生機理，在此基礎上建立了電子倍增ＣＣＤ 的
總噪音理論模型．按照信號倍增過程的隨機性，推導了電子倍增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 相機進行了噪音測試，采集了不同增益下噪音的輸出
波形和頻譜圖．根據增益和噪音電壓的函數曲線，結合理論模型對不同增益下的噪音組成進行了定
性分析．結果表明：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　　　文獻標識碼：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移過程
中得到放大倍增，從而實現了全固態成像［１４］．電子
倍增ＣＣＤ 克服了以往ＩＣＣＤ 功耗大、壽命短、成本
高、光電轉換效率低、空間分辨率差以及高增益下怕
強光的缺點，在實時快速動態探測方面具有先天的
優勢，其探測靈敏度可達到對真正單光子事件的檢
測，在軍事偵察、天文觀測、生物醫學等領域具有巨
大的發展潛力和廣闊的應用前景［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，也是評價系統成像質量好壞的
重要標準．噪音特性的測試與研究直接影響到成像
器件的設計和應用的各個環節．目前國內對電子倍
增ＣＣＤ 的研究尚處于探索階段，其噪音特性的研究
尚未起步，這也限制了它的應用．本文研究了電子倍
增ＣＣＤ 成像過程中的各種噪音，推導出電子倍增
ＣＣＤ 的總噪音公式．深入分析了倍增過程中產生的
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，根據實驗數據并結合理論模型
分析了不同增益下的噪音組成．研究結果對電子倍
增ＣＣＤ 的應用和設計具有重要的指導意義．
１　噪音組成
１．１　光子散粒噪音
光注入光敏區產生信號電荷的過程可看作獨
立、均勻、連續發生的隨機過程．單位時間內產生的
信號電荷數目并非絕對不變，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，不會限制器件的動態范圍，但它
是器件本身的固有噪音，無法通過后續電路抑制或
消除，因此決定了器件的噪音極限值［１０］．在微光成
像系統中，當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．
假設入射光子數量為犘，量子效率為η，光電轉
換生成的信號電子數為犖ｅ，在理想狀態下
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，熱產生的少數載流子被收集
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
中的體內暗電流，體內暗電流又包括耗盡襯底內的
本征產生電流和中性襯底內的擴散電流．暗電流受
溫度的強烈影響，且與光積分時間成正比，表面暗電
流一般比體內暗電流高兩個數量等級，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
為工藝原因或半導體材料的某些缺陷引起高密度的
產生－復合中心，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　表面暗電流和體內暗電流與溫度的關系
Ｆｉｇ．１　Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｂｕｌｋｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔｖｅｒｓｕｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
１．３　時鐘感生電荷
時鐘感生電荷（ＣＩＣ）是信號電荷在轉移過程中
碰撞電離產生的，因此與積分時間無關．所有的
ＣＣＤ 都會產生時鐘感生電荷，大約１００次轉移才會
產生一個電子，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，轉移頻率，時鐘邊緣等
因素有關．
１．４　讀出噪音
讀出噪音是由輸出放大器和后續處理電路產生
的，包括復位噪音（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，影響成像質量，是主要的噪音源．電子倍
增ＣＣＤ 在電荷轉換成電壓前，對電荷進行低噪音倍
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 的結構可知，進入增益寄存器
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，它描述了系統的輸入輸出特性，是電子
倍增成像系統特有的噪音參量，表征了電荷隨機倍增
過程中產生的額外噪音（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，犿為倍增
極上平均輸出電子數，犵為單一倍增極的增益．
假設犵和狀相互獨立，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方差，σ２
犿為倍增極上
輸出電子數方差，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
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，當犌→∞時，犉２＝２，犉＝槡２，如圖２．
圖２　過剩噪音因子和增益關系
Ｆｉｇ．２　Ｅｘｃｅｓｓｎｏｉｓｅｆａｃｔｏｒｓｑｕａｒｅｄａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｏｆｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｇａｉｎ
７５７
光　子　學　報３８卷
３　實驗結果與分析
實驗采用了Ａｎｄｏｒ 公司的電子倍增ＣＣＤ 相
機———Ｌｕｃａ進行噪音測試．室溫下，關閉相機光圈
調節環并蓋上鏡頭蓋，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，相當于普通ＣＣＤ，噪
圖３　增益為１時的噪音波形和頻譜
Ｆｉｇ．３　Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｈｅｎ犌＝１
音幅度很小，比較穩定，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
到１８ｍＶ（ｐｐ）左右，信噪比也隨之降低到４７．０ｄＢ．
如圖５，增益調至最大２５５，此時噪音波形變化
非常明顯，幅度整體提高，不斷有隨機的脈沖尖峰出
現，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　Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍ 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行的，光子散粒噪
音為零，測試結果可認為是暗電流噪音、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單調
遞增，當犌＝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．所以可以認為，此時讀出噪音
遠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
區間內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放大倍增后超過讀出噪
音，開始起主導作用；
２００＜犌≤２５５時，噪音電壓對增益非常敏感，曲
線變得十分陡峭．這說明在該范圍內暗電流噪音和
時鐘感生電荷呈指數級增長，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，同時驗證了上述結論．
圖７　增益為１，１５０，２５５時拍攝的圖像
Ｆｉｇ．７　Ｉｍａｇｅｔａｋｅｎｗｈｅｎ犌＝１，１５０，２５５ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
４　結論
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，根據增益和
噪音電壓的函數曲線，結合總噪音公式對不同增益
下的噪音進行了定性分析．結果表明，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，遠大于讀出噪音，
成像質量明顯下降．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
果，究竟是哪一種噪音起主要作用，還需分別建立理
論模型，借助于數值模擬及進一步實驗測量得到確
切結論．
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ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｗｅｎ，ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ
（犛犮犺狅狅犾狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵牔犗狆狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔
狅犳犛犮犻犲狀犮犲牔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犖犪狀犼犻狀犵２１００９４，犆犺犻狀犪）
Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２００７ １１ ２０
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｂｏｕｔｎｏｉｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎ
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犣犎犃犖犌犠犲狀狑犲狀　ｗａｓｂｏｒｎｉｎ１９８１ｉｎ．ＮｏｗｓｈｅｉｓａＰｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅｏｎｏｐｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
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