CCD表面暗电流特性研究

针对电荷耦合器件表面暗电流的温度特性和辐照特性进行了研究。研究结果表明,在不同温度下,表面暗电流不仅是CCD总暗电流的主要来源,且是CCD暗电流非均匀性的主要影响因素;CCD栅介质的硅-二氧化硅界面态密度随辐照剂量的增加而增加,导致CCD表面暗电流显著增加,是CCD经辐照后暗电流变大的主要影响因素。     

MPP CCD扩散暗电流温度特性分析

研究了MPP CCD扩散暗电流的温度特性,分析了扩散暗电流在不同温度下对器件总暗电流的贡献和不同处理方式对评估器件高温暗电流的影响,并对此进行了实验验证。结果表明,扩散暗电流在高温下对器件总暗电流的影响很大,占据支配地位,是器件高温暗电流的主要来源。提出了两种优化方法,以降低扩散暗电流对器件高温暗电流的影响,提高MPP CCD的高温环境工作能力。     

科学级光学CCD像素非均匀性的测试

像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标,反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声,且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差,计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上,厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法,再结合帧转移型CCD的工作方式,提出了设置多档曝光时间,每档曝光时间下采集多帧暗（亮）图像,再通过拟合求得暗电流（暗电流+光电流）后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时,建立CCD像素非均匀性测试系统,验证其光源的稳定性和均匀性,以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上,利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e-/pixels-1,PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性,所得结果更具普遍适用性。     

工艺过程对MPP CCD暗电流的影响研究

采用测试硅材料少子寿命的方法评价了MPP CCD制作工艺中各工艺过程对器件暗电流的影响,然后对CCD的工艺过程进行了优化,并将优化后的工艺过程应用到了1024×1024可见光MPP CCD的工艺制作中。采用优化后的工艺制作的器件暗电流比优化工艺前的下降了50%,典型值为20~30pA/cm2。     

CCD MPP结构制作工艺技术研究

在1024×1024可见光电荷耦合器件(CCD)的基础上增加了MPP(Multi-PinnedPhase)结构设计和工艺制作.制得的1024×1024可见光MPP CCD实现了MPP功能,有效抑制了CCD表面暗电流的产生.当MPP注入剂量为(6±2)×10~(11)cm~(-2)时,其暗电流密度下降了2/3,满阱电荷下降了1/2.

Abstract：

Multi-Pinned Phase (MPP) structure is designed and fabricated on the base of 1024×1024 visible light CCD. The 1024×1024 visible light MPP CCD achieves MPP function and suppresses the surface dark current effectively. Its dark current density and full well capacity decrease 2/3 and 1/2, respectively, when MPP implant dose is(6±2)×10~(11) cm~(-2).     

TG-2/MAI CCD暗电流特征及其通道依赖性分析与校正

多角度偏振成像仪(MAI)采用背照式面阵CCD探测器,用于定量获取云与气溶胶参数。暗电流是影响面阵CCD探测器数据质量及其定量应用的主要因素之一。为了分析CCD暗电流特征及其通道依赖性,并改进CCD成像质量,在分析MAI 0级数据特征的基础上,提出基于夜间场景对MAI各通道暗电流特征进行分析的方法,并于2018年2月2日—16日开展了MAI夜间场景观测实验。通过对比MAI挡光通道白天和夜间的观测结果可知,白天和夜间观测到的暗电流特征无明显差异。故基于夜间观测数据对MAI 13个通道的暗电流特征开展分析,结果表明:各通道暗电流分布均存在一定程度的非均匀性及"坏点",且单个通道的分布具有较好的稳定性,但各通道之间存在显著差异。基于图像法对"坏点"进行校正,基于线性、非性线关系对像元间的不均匀分布进行校正后,暗电流图像的标准差由12.1%降至6.9%。以晴空洋面观测值为参考,暗电流及"坏点"对像元观测的最大相对误差由9.1%降至3.0%。分析结果表明:相对于设置暗电流监测通道,基于夜间观测的暗电流监测不仅可以监测各通道的暗电流特征,还可以处理暗电流的通道依赖性问题。因此,在后续的星载观测仪器设计中,无需单独设置暗电流监测通道就可以直接利用CCD夜间观测对各通道暗电流进行在轨监测与校正。     

大视场空间相机CCD 性能测试及筛选方法

空间相机使用CCD 拼接技术组成长焦平面,可有效地增加空间相机的视场和幅宽。拼接 CCD 之间的性能差异会影响空间相机的成像质量,为了在大视场空间相机研制时挑选高性能且性能一致的CCD,提出了一种大视场空间相机CCD 性能测试与筛选方法。首先,介绍了CCD 的成像电路设计、以及CCD 光谱特性和辐射特性的测试方法。然后,介绍了CCD 的筛选流程,第一步是从各 CCD 裸片的几何特性、信噪比、相对光谱响应、响应非均匀性、非线性、暗电流以及动态范围等角度进行筛选,将不满足指标的CCD 剔除,第二步是依据辐射响应一致性筛选出满足要求的CCD,通过数据分析比较得出饱和辐照度筛选法优于响应度筛选法。最后,采用饱和辐照度筛选法从10 片CCD 中筛选出饱和辐照度一致性最好的4 片CCD,饱和辐照度相对偏差为0.23%,该组CCD 已经被应用于某大视场空间相机的研制,并获得了良好的效果。     

4096×4096元全帧转移CCD的设计和研制

重点讨论了像元尺寸为11μm×11μm的4096×4096元可见光CCD全帧转移结构和技术性能参数的设计,采用CCD埋沟工艺和辐射加固技术,研制出了高性能4096X4096元可见光CCD。结果表明器件动态范围达到75dB,读出噪声电子数为30,暗电流产生率为2mV／s,响应非均匀性为2％,非线性为0．4％,且具有抗γ射线辐射能力。     

强激光近场分布测量中科学级CCD 的非均匀性校正

首先分析了引起CCD 非均匀性的原因,将其归纳为两个方面,一为因制作工艺、材料、偏置等因素引起的空间噪声,二为CCD 响应特性随时间的漂移而引起的时间噪声,两者的共同作用将严重影响CCD 的测量性能。为了能够定量描述空间噪声和时间噪声对CCD 产生非均匀性的影响,文中基于CCD 光电响应曲线呈线性状态这一假设建立了CCD 光电响应的数学模型,然后在该模型的基础上提出了利用最小二乘法来估计校正系数,从而消除CCD 的非均匀性,实验证明该算法是有效的。     

微测辐射热计焦平面阵列非均匀性及片上校正电路的研究

非均匀性研究对于无温度稳定装置的微测辐射热计焦平面阵列极其重要.通过建立模型研究了各种因素对焦平面非均匀性的影响.在此基础上,提出了一种新的片上校正电路结构及其校正因子的计算方法,并采用为各像元提供不同暗电流的方法对输出非均匀性进行了校正.最后使用该结构模型进行了模拟仿真.结果显示,经过7位片上校正后,输出最大偏移从输出摆幅的49.7%降到了0.8%,输出均匀性得到了很大提高.     

Performance analysis of a color CMOS photogate image sensor

The performance of a color CMOS photogate image sensor is reported. It is shown that by using two levels of correlated-double sampling it is possible to effectively cancel all fixed-pattern noise due to read-out circuit mismatch. Instead the fixed-pattern noise performance of the sensor is limited by dark current nonuniformity at low signal levels, and conversion gain nonuniformity at high signal levels. It is further shown that the imaging performance of the sensor is comparable to low-end CCD sensors but inferior to that reported for high-end CCD sensors due to low quantum efficiency, high dark current, and pixel cross-talk. As such the performance of CMOS sensors is limited at the device level rather than at the architectural level. If the imaging performance issues can be addressed at the fabrication process level without increasing cost or degrading transistor performance, CMOS has the potential to seriously challenge CCD as the solid-state imaging technology of choice due to low power dissipation and compatibility with camera system integration     

多CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正

CCD图像传感器不均匀特性是影响光电测量设备精度的一个重要因素.在分析了单片CCD图像传感器不均匀特性基础上,提出了多CCD拼接相机系统中不均匀特性的校正方法.大量实验结果表明,利用该校正方法不仅保持原图像的目标,而且简单快速,具有通用性,能够显著提高系统测量精度.该方法可行且对其他光电测量设备有参考意义.     

基于逐元暗电流抑制的红外探测器读出电路研究

在航天应用领域,大部分中长波红外探测器都工作在高背景下.由于线列碲镉汞(HgCdTe)红外探测器本身的暗电流较大且各像元的暗电流具有很大的非均匀性,采用常规读出电路方案时的输出信号动态范围过小,甚至部分像元的信号电压也无法读出.采用将电压 电流转换和电流存储单元相结合的方法,设计了一种具有逐元背景抑制功能的中波红外探测器线列读出电路.该方法不仅可以抑制不同像元的暗电流,而且还可以有效提高电路的信噪比,并可增大输出信号的动态范围.电路测试结果表明,在90 K低温下,电路输出摆幅为2V,输出电压的非均匀性下降了70％,因此该研究对中长波红外探测器的工程化设计具有重要的指导意义.     

红外成像传感器系统非均匀性成因研究

从探测器的响应特性、光学系统的相对辐射和外壳的杂散光三个方面对红外成像传感器系统非均匀性的产生原因进行了理论研究。红外焦平面阵列中,探测元与探测元间的结构及材料差异会影响量子效率及暗电流,从而影响探测元的响应特性。光学系统主要通过光瞳畸变矩阵影响场景辐射通量的分布,光学系统本身的辐射对非均匀性的贡献可以忽略。外壳的杂散光可分为高温部分和低温部分,忽略低温部分,引入系统冷屏效率的概念,建立了高温组件的辐射模型。该理论研究对光学系统的设计及非均匀性校正具有一定的参考意义。     

三镜头偏振CCD相机响应的非一致性校正

简要介绍了三镜头偏振CCD相机.在分析三镜头偏振CCD相机探测元响应的不均匀性和三个偏振方向响应的非一致性的基础上,介绍了一种基于辐射定标的校正方法.通过偏振测量实验,分别计算得到偏振光的真实偏振度、偏振成像原始图像和经非一致性校正后的图像的偏振度.结果表明,非一致性校正可提高成像偏振信息的解析精度.     

Very low dark current heterojunction CCD's

A model has been formulated which accounts for the major sources of dark current (JD) associated with a single pixel of a heterojunction, Schottky gate charge-coupled device (CCD). This model predicts the temperature dependence of JDand shows that for properly fabricated gates, bulk generation in the channel is the primary source of dark current. To verify the model, the dark current of Al0.3Ga0.7As/ GaAs n-p⁺heterostructure CCD's was measured over the temperature range 23-55°C. At room temperature,J_{D} approx 83pA/cm², typically, and some pixels have JDas low as 43 pA/cm². These are the lowest dark currents reported to date for a CCD structure. The data at 55°C show that, typically, JDincreases to ∼ 1 nA/cm². Furthermore, the data confirm the temperature dependence of JDpredicted by the model.