EMCCD噪声特性分析与测试技术研究

论文摘要

EMCCD(Electron Multiplication CCD)作为一种新型的微光成像器件,具有体积小、噪声低、灵敏度高等诸多优点,因此在微光成像领域具有广阔的应用前景。但在微光条件下,随着图像亮度和对比度的下降,加上各种噪声的干扰,EMCCD成像系统获取图像的信噪比随之下降,图像分辨率也受到较大影响。因此,研究EMCCD的工作原理和倍增特性,对EMCCD成像系统的常见噪声进行测试和分析,对于改善EMCCD系统成像质量,推动微光成像技术的发展具有深刻而长远的意义。本文在研究EMCCD电荷倍增机理的基础上,建立了EMCCD的电荷转移模型,并通过系统MTF模型的建立和研究,总结分析出电荷倍增过程对改善图像质量的影响；本文分别讨论了光子散粒噪声、暗电流噪声、时钟感生电荷噪声、读出噪声、转移噪声、倍增噪声的产生机理,并通过二项分布模型、泊松分布模型分析推导了EMCCD噪声因子F的极限理论值,并建立了EMCCD噪声的等效噪声模型。为了对理论模型进行验证,本文搭建了EMCCD成像系统的噪声测试平台,通过实验首先完成了倍增寄存器实际增益与数／模转换器增益设置的关系测试,接着采用统计方法对暗电流噪声、噪声因子F、倍增噪声进行测试和统计,并结合理论模型将实际测试结果进行总结分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.1.1 ICCD的现状和发展
• 1.1.2 EBCCD的现状和发展
• 1.1.3 EMCCD的现状和发展
• 1.2 本文的研究目的和意义
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 EMCCD的工作原理和MTF特性
• 2.1 EMCCD的工作原理
• 2.2 基于中心极限定理的电荷转移模型
• 2.3 EMCCD的MTF模型与分析
• 2.3.1 EMCCD的MTF模型
• 2.3.2 MTF测试结果和分析
• 2.3.3 MTF模型验证
• 3 EMCCD的噪声特性分析
• 3.1 暗电流噪声
• 3.2 读出噪声
• 3.3 光子散粒噪声
• 3.4 时钟感生电荷噪声
• 3.5 转移噪声
• 3.6 倍增噪声
• 3.7 噪声因子F
• 3.7.1 二项分布模型
• 3.7.2 泊松分布模型
• 3.8 EMCCD噪声特性小结
• 4 EMCCD噪声特性测试
• 4.1 实验方案
• 4.2 实际增益与DAC增益设置关系测试
• 4.3 暗电流噪声测试
• 4.4 噪声因子F的测试
• 4.5 倍增噪声测试
• 结束语
• 致谢
• 参考文献