电子倍增CCD噪声来源和信噪比分析

作为一种高灵敏度的图像传感器,电子倍增CCD(EMCCD)在微光成像领域应用前景非常广泛.详细分析了其噪声来源,重点讨论EMCCD相比普通科学级CCD特有的乱真电荷和噪声因子,计算信噪比.在噪声来源和信噪比分析过程中提出驱动波形优化设计方法,为成像系统电子学部分设计提供理论参考.     

微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用初探

文中以微光探测为基础,阐述了微光探测的主流技术,重点突出EMCCD(Electron Multiplying CCD)的结构、功能、优点,并以星敏感器运用为目的,初步进行了EMCCD的设计和计算.     

基于EMCCD和CMOS的天基微光成像

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声,适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展,具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求,分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机,并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明:当采用凝视成像模式,积分时间为2 s,相机入瞳辐亮度为10-9 Wcm-2sr-1m-1时,基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20℃的条件下的信噪比为23.78,相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20℃时,基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533,而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。     

一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。     

电子倍增CCD 模拟前端设计与信号优化

基于电子倍增CCD（EMCCD）在微光低照度条件下的实时应用,针对EMCCD 对驱动信号相位、频率、幅度的严格要求,以及输出信号的特点,在深入分析模拟前端各部分功能的基础上,提出一种改善EMCCD 驱动电路,优化驱动信号质量,降低模拟前端噪声水平的驱动策略,设计一款实时、低噪、 稳定、适用于微光环境的EMCCD相机。工程验证表明,在环境照度为110-3 lx,信号时钟为12.5MHz,帧频为25帧/s 的条件下,EMCCD 相机具有实时快速成像能力,输出的模拟视频信号低噪稳定,成像系统捕获的图像清晰信噪比高,基本满足EMCCD 成像系统在微光低照度环境下的实时应用需求。     

微光摄像器件的发展趋势

主要概述微光摄像技术、真空微光摄像器件、像增强CCD(ICCD)、电子轰击CCD(EBCCD)以及微光摄像器件的发展趋势。     

微光摄像器件的发展趋势

主要概述微光摄像技术、真空微光摄像器件、像增强CCD(ICCD)、电子轰击CCD(EBCCD)及微光摄像器件的发展现状。     

微光像传感器技术的最新进展

在回顾微光像传感器的发展历程、现状和跟踪最近10年的发展轨迹的基础上,提出了确定新一代微光像传感器的原则和发展方向。并重点介绍了微光像传感器的最新进展。包括带前置增强级的CCD/CMOS,如增强CCD/CMOS、电子轰击CCD/COMS,固体微光CCD/CMOS、CCD和CMOS混合微光像传感器、电子倍增CCD,铟镓砷短波红外微光像传感器。     

电子倍增CCD驱动电路设计

提供了一种针对电子倍增CCD(EMCCD)驱动电路的设计方案。通过FPGA编程产生符合EMCCD时序要求的信号波形,采用EL7457高速MOSFET驱动芯片对FPGA输出信号进行电平转换以满足EMCCD驱动电压要求,并由分立的推挽放大电路驱动高电压信号,输出电压20~50 V可调,像素读出频率达5 MHz。实验结果表明,该驱动电路能够使EMCCD正常工作输出有效信号。     

微光视频器件及其技术的进展

微光夜视技术作为当今拓展人眼夜间视觉感知的主要技术之一,在军事和民用领域都有广泛的应用。随着数字图像处理技术的发展,微光视频器件为通过图像处理进一步提升夜视图像质量,为与红外热成像的图像信息融合,为提高夜间对目标探测/识别和场景理解能力等方面提供了广泛空间,成为当前国内外夜视技术发展的重要方向之一。论文综述了微光视频器件发展,分析了电真空+固体微光视频成像器件(如像增强CCD/CMOS(ICCD/ICMOS)器件、电子轰击EBCCD/EBCMOS器件等)、全固体微光视频成像器件(如电子倍增CCD器件、超低照度CMOS器件等)的特点和发展趋势,并结合法国PHOTONIS公司的LYNX计划,对微光夜视技术的发展进行了分析和讨论。     

The noise performance of electron multiplying charge-coupled devices

Electron multiplying charge-coupled devices (EMCCDs) enable imaging with subelectron noise up to video frame rates and beyond, providing the multiplication gain is sufficiently high. The ultra-low noise, high resolution, high-quantum efficiency, and robustness to over exposure make these sensors ideally suited to applications traditionally served by image intensifiers. One important performance parameter of such low-light imaging systems is the noise introduced by the gain process. This work investigates the noise introduced by the electron multiplication within the EMCCD. The theory and measurements of the excess noise factor are presented. The measurement technique for determining the excess noise factor is described in detail. The results show that the noise performance matches that of the ideal staircase avalanche photodiode. A Monte Carlo method for simulating the low-light level images is demonstrated and the results compared with practical experience.     

电子倍增CCD性能参数测试方法研究

电子倍增CCD（EMCCD）性能参数测试是电子倍增CCD芯片及其成像系统研制的重要辅助手段和设计依据。在对 EMCCD的工作原理进行了阐述之后,介绍了 EMCCD 的各项特性参数,分析了相关参数的测试方法。针对测试过程中出现的单位转换问题,引入了转换增益的概念,提出了基于改进的光子转移技术的EMCCD性能参数的测试方法,建立了EMCCD性能参数测试系统,该系统包括高稳定度可控标准钨灯、光学系统、暗箱、数据采集与处理系统等。对Andor Luca相机的转换增益、满阱容量、倍增增益、读出噪声、时钟诱导噪声和暗电流进行了测试。实验结果表明:测试值与相机的指标值基本一致,测试结果准确,证明了所提出的测试方法有效可靠。     

CCD图像传感器发展与应用

主要介绍了线阵CCD、面阵CCD、帧转移CCD、ITO-CCD和电子倍增CCD等图像传感器的发展现状.以CMOS器件作为比较,探讨和研究CCD图像传感器的应用领域以及未来发展趋势.     

基于EMCCD的驱动电路设计

提出了一种高速EMCCD图像传感器CCD97时序驱动电路的设计方法。采用FPGA进行时序逻辑设计,利用EL7457集成器件对标准时钟进行电平转换。分立电路对快速高压（电子增益）时钟进行电平转换,从而建立EMCCD工作环境。仿真与实验结果表明,该方法能提供多路驱动时序,驱动频率高,硬件电路简单,编程方便,具有较好的性价比及应用推广价值,已用于CCD图像采集系统的研制。     

超弱发光成像的分水岭法光子信息提取

对电子倍增CCD(EMCCD)超弱光子成像图像灰度的特性分析发现,一个像素的灰度值与相邻的8个像素的灰度值有强相关性。这一特征说明,简单地使用阈值法对其进行光子信号的数量和位置信息提取和图像处理,将会有较大的失真性。在超弱发光的条件下(如生物超弱发光),一幅图像中的光子信号数远小于像素数,光子信号在图像中呈现散粒状态。据此,在阈值法的基础上引入数学形态学分水岭法,将处理后光子灰度图像中孤立的峰值区作为光子信号响应。新算法克服阈值法只能对单个像素进行判断的局限,考虑到局部像素群的整体特征。结果表明,新算法的处理结果更加真实可靠,稳定性更好。通过绿豆芽的超弱自发光成像实验,验证了新算法的灵敏度和可靠性。     

电子倍增CCD噪声参数的估计方法

为定量评价电子倍增CCD(EMCCD)图像噪声的大小,实现对EMCCD 图像噪声参数的准确估计,研究了EMCCD 的噪声分布模型及其参数估计方法。首先,讨论了EMCCD 图像的噪声来源及其统计特性,由此建立了适于EMCCD 的噪声分布模型。然后,提出了两种EMCCD 噪声参数估计方法矩估计法和高斯-牛顿法,采用Monte Carlo 仿真验证其性能。仿真结果表明,矩估计法和高斯-牛顿法的平均相对误差和相对标准偏差均为10-2 量级,估计精度较高,且高斯-牛顿法的估计精度要高于矩估计法。采集一系列无增益时积分时间为50 s的暗场图片和增益为50 的本底图片,利用矩估计法和高斯-牛顿法分别估计出EMCCD 的暗电流噪声、时钟感生电荷噪声和读出噪声,实验结果表明,估计值与EMCCD 指标值一致,证明矩估计法和高斯-牛顿法能有效估计噪声参数且具有较高的精度。     

4路长积分时间CCD成像电路的设计与实现

基于CCD47-20和CCD55-30探测器设计了一种4路探测器成像电路。由于积分时间长,该系统可以在弱光条件下实现高灵敏度成像。建立了探测器的驱动电路模型,分析了CCD探测器对驱动的要求,以选择合适的驱动芯片;在分析探测器噪声特性的基础上,通过相关双采样法和合理的滤波器设置抑制了电路噪声。针对4路探测器信号处理电路之间的串扰问题进行了分析和对比,为合理的PCB布局布线提供了参考。该成像电路与商用镜头搭配使用后已成功获取了微光条件下的低噪声外景图像。     

背照明CCD微光成像技术

背照明ＣＣＤ（ＢＣＣＤ）以及电子轰击ＣＣＤ（ＥＢＣＣＤ）是当今微光实时摄像技术的最新进展之一,在中等微光条件下,ＢＣＣＤ的性能优于目前的ＩＣＣＤ和ＳＩＴ。文中对ＢＣＣＤ、ＥＢＣＣＤ以及ＩＣＣＤ的性能进行了比较,并讨论了在我国开展ＢＣＣＤ和ＥＢＣＣＤ技术研究和应用的有关问题。