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题名:
电子倍增CCD 驱动技术及其噪声特性研究
作者: 王明富
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 吴钦章 ; 杨世洪
关键词: 电子倍增CCD ; 驱动电路 ; 高压增益 ; 热电制冷
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 电子倍增CCD(Electron Multiplication Charge Coupled Device,EMCCD)作为新
型的全固态微光成像器件,相比于传统微光成像器件具有体积小、寿命长、量子
效率高、功耗低、灵敏度高等优点,在微光成像领域有很大的发展潜力和应用前
景。深入研究EMCCD 噪声特性及其抑制方法、驱动电路和密封制冷等EMCCD
成像关键技术对设计出高性能EMCCD 相机具有十分重大的意义。
噪声是影响微光成像器件探测灵敏度的关键因素,对EMCCD 各种噪声的产
生机理及相应的噪声抑制方法进行了讨论,包括光子散粒噪声、热生暗电流噪声、
时钟感生电荷噪声和读出噪声,并重点讨论了EMCCD 特有的噪声因子,从理论
上推导了它的极限值;在得到总噪声模型的基础上分析了EMCCD 特有的信号读
出前倍增作用对相机信噪比的影响;EMCCD 可工作于反转(IMO)与非反转(NIMO)
两种模式下,不同的工作模式具有不同的噪声特性,以总噪声最小为基本准则,
以积分时间为零界条件,推导出当曝光时间大于90us 时,EMCCD 器件CCD60 应
工作在IMO 模式下,对指导CCD60 硬件设计具有重大意义。
设计了EMCCD 外围驱动电路及前端模拟信号预处理电路,其中高压增益驱
动电路设计是驱动电路的难点及关键。目前,设计的相机样机最高帧频可达到
745F/s,BIN 模式下最高帧频可达1400F/s;在曝光时间为10ms、CCD 工作温度为
20℃的情况下,信噪比可达到60dB;在曝光时间为10ms、CCD 工作温度为-20℃
的情况下,信噪比可达到61dB;可通过串口手动设置相机的曝光时间、输出模式(正
常模式、BIN 模式)、电子倍增增益以及相机的工作温度等。设计了EMCCD 的显
示电路,在没有Camera Link 采集卡和系统PC 机的情况下也可观察相机输出的图
像。
为提高EMCCD 在安全驱动电压范围内的总增益倍数以及降低暗电流噪声,
利用热电制冷器设计了EMCCD 制冷装置;为防止EMCCD 在低温下凝露或结霜,
采用气体置换的气密封方式设计了密封腔体;通过PID 温度控制算法,可使
EMCCD 的最低工作温度达到-22℃,稳定度为±1℃;在将密封腔内气压抽成0.9
个大气压后,密封腔漏气速率仅为3.74×10-7 Pa﹒m3/s。在腔体置换一个大气压的
干燥氮气并密封后,能保证良好的密封效果,可有效防止EMCCD 及腔体前端玻
璃视窗在低温环境下结霜或凝露,较好地保护了EMCCD。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/558
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王明富. 电子倍增CCD 驱动技术及其噪声特性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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