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第３８卷第４期２００９年４月 光 子 学 报ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．３８Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ２００９国防基础科研基金和装备预研基金资助Ｔｅｌ：０２５８４３１５８６９ Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｗｅｎｗｅｎ１２０５＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２００７１１２０电子倍增ＣＣＤ噪音特性研究张闻文，陈钱（南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京２１００９４）摘 要：讨论了电子倍增ＣＣＤ的噪音组成及各自的产生机理，在此基础上建立了电子倍增ＣＣＤ的总噪音理论模型．按照信号倍增过程的随机性，推导了电子倍增ＣＣＤ的过剩噪音因子并求出了增益趋向无穷大时的极限值．对电子倍增ＣＣＤ相机进行了噪音测试，采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图．根据增益和噪音电压的函数曲线，结合理论模型对不同增益下的噪音组成进行了定性分析．结果表明：低增益时，电子倍增ＣＣＤ主要受限于读出噪音，高增益时则为暗电流噪音和时钟感生电荷．关键词：微光成像；电子倍增ＣＣＤ；噪音特性；过剩噪音因子中图分类号：ＴＮ２２３；Ｐ１１１．４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４４２１３（２００９）０４７５６５０ 引言电子倍增ＣＣＤ是微光成像领域的重大突破，它通过嵌入可控的增益寄存器使信号电荷在转移过程中得到放大倍增，从而实现了全固态成像［１４］．电子倍增ＣＣＤ克服了以往ＩＣＣＤ功耗大、寿命短、成本高、光电转换效率低、空间分辨率差以及高增益下怕强光的缺点，在实时快速动态探测方面具有先天的优势，其探测灵敏度可达到对真正单光子事件的检测，在军事侦察、天文观测、生物医学等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景［５９］．对于微光成像器件来说，噪音是制约其极限探测性能的重要参量，也是评价系统成像质量好坏的重要标准．噪音特性的测试与研究直接影响到成像器件的设计和应用的各个环节．目前国内对电子倍增ＣＣＤ的研究尚处于探索阶段，其噪音特性的研究尚未起步，这也限制了它的应用．本文研究了电子倍增ＣＣＤ成像过程中的各种噪音，推导出电子倍增ＣＣＤ的总噪音公式．深入分析了倍增过程中产生的过剩噪音，计算出过剩噪音因子的极限值．测量了电子倍增ＣＣＤ的噪音，根据实验数据并结合理论模型分析了不同增益下的噪音组成．研究结果对电子倍增ＣＣＤ的应用和设计具有重要的指导意义．１ 噪音组成１．１ 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［１０］．在微光成像系统中，当采取了所有可能的措施降低了各种噪音后，光子散粒噪音就成为主要的噪音源．假设入射光子数量为犘，量子效率为η，光电转换生成的信号电子数为犖ｅ，在理想状态下犖ｅ＝犘η（１）光子散粒噪音服从泊松分布，定义为σ犘＝犘槡η（２）１．２ 暗电流噪音在正常情况下，考虑一个既没有加电信号，也没有加光信号的ＣＣＤ，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ＣＣＤ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．电子倍增ＣＣＤ的暗电流分为ＳｉＳｉＯ２交界处的表面暗电流和衬底中的体内暗电流，体内暗电流又包括耗尽衬底内的本征产生电流和中性衬底内的扩散电流．暗电流受温度的强烈影响，且与光积分时间成正比，表面暗电流一般比体内暗电流高两个数量等级，如图１．暗电流每时每刻地加入到信号电荷包中，不仅引起附加的散粒噪音，而且还形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起固定图像噪音．尤其是因为工艺原因或半导体材料的某些缺陷引起高密度的产生－复合中心，个别处暗电流特别大（即暗电流尖峰），则在图像上出现白斑．暗电流是图像传感器的一个重要参量，必须控制它在信号电荷中占很小的一部分，否则会对图像造成失真［１１］．４期张闻文，等：电子倍增ＣＣＤ噪音特性研究图１ 表面暗电流和体内暗电流与温度的关系Ｆｉｇ．１ Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｂｕｌｋｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔｖｅｒｓｕｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ１．３ 时钟感生电荷时钟感生电荷（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．１．４ 读出噪音读出噪音是由输出放大器和后续处理电路产生的，包括复位噪音（ＫＴＣ噪音）和１／ｆ噪音［１２，１３］．对于普通ＣＣＤ来说，器件工作在高帧频时，读出噪音较为明显，影响成像质量，是主要的噪音源．电子倍增ＣＣＤ在电荷转换成电压前，对电荷进行低噪音倍增，将信号提高到读出噪音门限以上，有效降低了读出噪音，在高增益时消除了读出噪音对器件工作频率的限制．１．５ 总噪音由电子倍增ＣＣＤ的结构可知，进入增益寄存器的噪音都会随信号电荷一起倍增，包括光子散粒噪音、暗电流噪音及时钟感生电荷，并且受过剩噪音因子的影响．假设各种噪音之间互相独立，可以得到电子倍增ＣＣＤ的总噪音σ＝犉２犌２（σ２Ｐ＋σ２Ｄ＋σ２Ｃ）＋σ２槡Ｒ（３）式中，犉为过剩噪音因子，犌为增益，σＰ为光子散粒噪音，σＤ为暗电流噪音，σＣ为时钟感生电荷，σＲ为读出噪音．２ 过剩噪音因子由式（３）可知，电子倍增ＣＣＤ的总噪音与过剩噪音因子有关，它描述了系统的输入输出特性，是电子倍增成像系统特有的噪音参量，表征了电荷随机倍增过程中产生的额外噪音（即过剩噪音），定义为［１４１５］犉２＝σ２ｏｕｔ／犌２σ２ｉｎ（４）式中，犌为增益，σ２ｉｎ为输入信号方差，σ２ｏｕｔ为输出信号方差．首先考虑单一倍增极的情况犿＝犵狀（５）式中，狀为倍增极上平均输入电子数，犿为倍增极上平均输出电子数，犵为单一倍增极的增益．假设犵和狀相互独立，则σ２犿／犿２＝σ２狀／狀２＋σ２犵／犵２（６）式中，σ２狀为倍增极上输入电子数方差，σ２犿为倍增极上输出电子数方差，σ２犵为增益方差．将倍增过程看作贝努利试验，则增加的电子数服从参量为狀，α的二项分布，方差为σ２ａｄｄｅｄ＝狀α（１－α）（７）α＝犵－１（８）式中，α为倍增事件发生的概率．σ２犵＝σ２ａｄｄｅｄ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）其次考虑犖个倍增极的情况，犛ｉｎ是平均输入信号，假设输入信号为散粒噪音，服从泊松分布，即σ２ｉｎ＝犛ｉｎ，则输出信号方差σ２ｏｕｔ可以用式（１０）迭代得到．犖＝１，σ２ｏｕｔ＝σ２ｉｎ（３α＋１）（１１）犖＝２，σ２ｏｕｔ＝σ２ｉｎ（α＋１）（２α２＋５α＋１）（１２）犖＝３，σ２ｏｕｔ＝σ２ｉｎ（α＋１）２（２α３＋６α２＋７α＋１）（１３）对于任意的犖，（α＋１）犖＝犌（１４）σ２ｏｕｔ＝σ２ｉｎ（α＋１）（犖１）（２（α＋１）犖＋α－１）＝σ２ｉｎ犌（２犌＋α１）α＋１）（１５）根据定义式（４）可得犉２＝１犌（２犌＋α－１α＋１）＝２＋（α－１）／犌α＋１（１６）α１，当犌→∞时，犉２＝２，犉槡＝２，如图２．图２ 过剩噪音因子和增益关系Ｆｉｇ．２ Ｅｘｃｅｓｓｎｏｉｓｅｆａｃｔｏｒｓｑｕａｒｅｄａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｇａｉｎ７５７光 子 学 报３８卷３ 实验结果与分析实验采用了Ａｎｄｏｒ公司的电子倍增ＣＣＤ相机———Ｌｕｃａ进行噪音测试．室温下，关闭相机光圈调节环并盖上镜头盖，在不同的增益下，分别采集了噪音的输出波形和频谱，实验中读出速率和积分时间保持不变．如图３，增益为１的时候，相当于普通ＣＣＤ，噪图３ 增益为１时的噪音波形和频谱Ｆｉｇ．３ Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｗｈｅｎ犌＝１音幅度很小，比较稳定，没有突出的脉冲尖峰，电压维持在１３ｍＶ（ｐｐ）左右，信噪比４９．９ｄＢ．如图４，增益调到１５０，此时噪音波形有了一些变化，可以看到个别脉冲突起，幅度也有所增加，达到１８ｍＶ（ｐｐ）左右，信噪比也随之降低到４７．０ｄＢ．如图５，增益调至最大２５５，此时噪音波形变化非常明显，幅度整体提高，不断有随机的脉冲尖峰出现，幅度超过４００ｍＶ（ｐｐ），信噪比降低到２１．３ｄＢ．图４ 增益为１５０时的噪音波形和频谱Ｆｉｇ．４ Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｗｈｅｎ犌＝１５０图５ 增益为２５５时的噪音波形和频谱Ｆｉｇ．５ Ｎｏｉｓｅｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｗｈｅｎ犌＝２５５采用多次实验取平均值的方法，得到增益和噪音电压的测试平均曲线，如图６．８５７４期张闻文，等：电子倍增ＣＣＤ噪音特性研究图６ 噪音电压和增益的测试曲线Ｆｉｇ．６ Ｎｏｉｓｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｒｓｕｓｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｇａｉｎ实验是在无入射光条件下进行的，光子散粒噪音为零，测试结果可认为是暗电流噪音、时钟感生电荷以及读出噪音的总和．从图６可以看出：１＜犌≤１５０时，噪音电压随增益变化很小，近似为常量．从图２可以看出，过剩噪音因子在该增益范围内单调递增，当犌＝１５０时，犉２＝１．９７，接近极限值．由式（３）可知，暗电流噪音和时钟感生电荷受过剩噪音因子和增益的共同影响．所以可以认为，此时读出噪音远大于暗电流噪音和时钟感生电荷，是电子倍增ＣＣＤ的主要噪音源；１５０＜犌≤２００时，噪音电压逐渐增加，在该增益区间内过剩噪音因子不再增加，可看作常量．这说明暗电流和时钟感生电荷经放大倍增后超过读出噪音，开始起主导作用；２００＜犌≤２５５时，噪音电压对增益非常敏感，曲线变得十分陡峭．这说明在该范围内暗电流噪音和时钟感生电荷呈指数级增长，读出噪音与其相比可以忽略不计．图７是增益为１，１５０，２５５时分别拍摄的图像，充分体现了暗电流噪音和时钟感生电荷的变化过程，同时验证了上述结论．图７ 增益为１，１５０，２５５时拍摄的图像Ｆｉｇ．７ Ｉｍａｇｅｔａｋｅｎｗｈｅｎ犌＝１，１５０，２５５ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ４ 结论通过实验测量了电子倍增ＣＣＤ的噪音，采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图，根据增益和噪音电压的函数曲线，结合总噪音公式对不同增益下的噪音进行了定性分析．结果表明，１＜犌≤１５０时，暗电流噪音跟时钟感生电荷很小，电子倍增ＣＣＤ主要受限于读出噪音；１５０＜犌≤２５５时，暗电流噪音和时钟感生电荷迅速增加，远大于读出噪音，成像质量明显下降．由此可见，增益并非越大越好，信号电荷获得倍增的同时噪音也被放大了，降低了图像信噪比，也削弱了器件的动态范围．初步分析高增益下是暗电流噪音和时钟感生电荷共同作用的结果，究竟是哪一种噪音起主要作用，还需分别建立理论模型，借助于数值模拟及进一步实验测量得到确切结论．参考文献［１］ ＤＥＮＶＩＲＤＪ，ＣＯＮＲＯＹＥ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇＣＣＤｓ［Ｃ］．犛犘犐犈，２００３，４８７７：５５６８．［２］ ＤＥＮＶＩＲＤＪ，ＣＯＮＲＯＹＥ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇＣＣＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ｔｈｅｎｅｗＩＣＣＤ［Ｃ］．犛犘犐犈，２００３，４７９６：１６４１７４．［３］ ＨＹＮＥＣＥＫＪ．Ｉｍｐａｃｔｒｏｎａｎｅｗｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｉｍａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ［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，２００１，４８（１０）：２２３８２２４１．［４］ ＪＥＲＲＡＭＰ，ＰＯＯＬＰ，ＢＥＬＬＲ，犲狋犪犾．ＴｈｅＬＬＬＣＣＤ：Ｌｏｗｌｉｇｈｔｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｎｅｅｄｆｏｒａｎｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ［Ｃ］．犛犘犐犈，２００１，４３０６：１７８１８６．［５］ ＤＥＮＶＩＲＤＪ，ＣＯＡＴＥＳＣＧ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇＣＣＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ａ