CCD類成像器件的噪聲研究
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1 CCD成像器件的概念及其分類
電荷耦合器件是一種金屬一氧化物一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型器件，其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的MOS電容器，能夠存儲(chǔ)由入射光在CCD像敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當(dāng)相序的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，把存儲(chǔ)的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自掃描，完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通常這種電信號(hào)是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見(jiàn)光像，也可以將信號(hào)存儲(chǔ)在磁帶機(jī)內(nèi)，或輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、識(shí)別、存儲(chǔ)等處理。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。
普通的科學(xué)CCD器件在微光下探測(cè)能力受到限制，不適合微光成像。隨著光電成像技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)以下幾種微光CCD成像器件：增強(qiáng)型CCD(ICCD)，電子轟擊CCD(EBCCD)和電子倍增CCD(EMCCD)。
2 CCD成像器件的噪聲分析
電荷耦合器件(CCD)已經(jīng)普遍應(yīng)用于科學(xué)成像。它在成像方面有如下幾方面優(yōu)勢(shì)：
(1)具有比其他可用探測(cè)器更高、更寬的量子效率；
(2)僅由像素大小決定的很高分辨率；
(3)實(shí)際上沒(méi)有串?dāng)_和像暈圈的分辨缺陷。
但是不管在什么樣的情況下，信號(hào)出現(xiàn)時(shí)總是有噪聲相伴隨的，當(dāng)然用CCD成像耦合器件也不例外。噪聲是決定畫質(zhì)的重要因素。
CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)是空間采樣的離散模擬信號(hào)，其中夾雜著各種噪聲和干擾，而噪聲會(huì)影響CCD成像器件探測(cè)微弱光的能力。
對(duì)于光電器件來(lái)說(shuō)，其能否探測(cè)到足夠小的輻射功率，是至關(guān)重要的問(wèn)題。所以一般都把最小可探測(cè)輻射功率列為一切光電探測(cè)器件的重要參數(shù)。定義Pmin為當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測(cè)器入射輻射功率。因此可得入射輻射功率為：
式中：P為入射輻射功率；un為噪聲電壓均方值；Us為輸出信號(hào)電壓；Pmin為最小可探測(cè)功率。Pmin越小，器件的探測(cè)能力越強(qiáng)，也就是探測(cè)微弱光的能力越強(qiáng)。由式(1)可知，在輸出信號(hào)電壓一定的情況下，噪聲un越小，Pmin就越小，器件探測(cè)微弱光的能力也就越強(qiáng)。因此，對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行處理的目的就是在不損失圖像細(xì)節(jié)的前提下，盡可能地消除噪聲和干擾，以提高信噪比，獲取高質(zhì)量的圖像。為此，必須對(duì)CCD噪聲的種類、特性有所了解，針對(duì)各種噪聲進(jìn)行相應(yīng)的去噪處理。所以對(duì)CCD成像器件噪聲部分的研究，有利于提高CCD成像器件的分辨率，也能提高探測(cè)微弱光的能力。
2．1 轉(zhuǎn)移噪聲
當(dāng)電荷包由一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，由于種種原因，會(huì)從前一個(gè)電荷包中得到一些電荷，同時(shí)還會(huì)向后一電荷包留下一些電荷。這些電荷的量都是隨機(jī)的，所以會(huì)出現(xiàn)漲落，構(gòu)成噪聲。考慮到在每次轉(zhuǎn)移中都包括得到電荷和失去電荷2個(gè)過(guò)程，所以漲落噪聲應(yīng)取為二者之和。如有完全電荷轉(zhuǎn)移模型，則得失電荷相等，故噪聲為單一過(guò)程的二倍。當(dāng)Nε1時(shí)，各次轉(zhuǎn)移過(guò)程中的漲落是獨(dú)立的，則N次轉(zhuǎn)移的漲落噪聲為：
式中：Ns為每個(gè)電荷包中的信號(hào)載流子數(shù)；Ns0為每個(gè)電荷包中的基底載流子數(shù)。
2．2 復(fù)位噪聲
復(fù)位噪聲是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)介入電容帶來(lái)的電壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)切到OFF后出現(xiàn)噪聲，也是采樣電路必然發(fā)生的噪聲。即使是CCD圖像傳感器，在信號(hào)電荷檢測(cè)之前，必須復(fù)位FD電源電壓等，復(fù)位后恢復(fù)基準(zhǔn)的FD電源電壓，就會(huì)加上噪聲kTC。
當(dāng)二極管輸出信號(hào)之后，為了連續(xù)接收下一個(gè)電荷包，需要將其電壓復(fù)位。由MOST構(gòu)成的復(fù)位電路，在工作時(shí)必然有噪聲饋入輸出電路。這種噪聲即復(fù)位噪聲可以通過(guò)相關(guān)雙取樣法加以消除?？梢园褟?fù)位過(guò)程看作通過(guò)電阻R對(duì)電容C的光電過(guò)程。
Qc(t)所產(chǎn)生的噪聲為：
2．3 散粒噪聲
即使光強(qiáng)度一定，由于光具有光子的粒子特性，一次儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)入射到光電二極管的光，其每次的光子數(shù)不會(huì)相同，這樣的變動(dòng)特性引發(fā)出了光的散粒噪聲。
評(píng)論