基于模糊中值滤波算法的EMCCD噪声抑制研究(3)

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在微光成像领域，常规CCD因为灵敏度相对太低而无法与ICCD(intensified CCD)和EBCCD(electron bombardment CCD)相比。ICCD最大的优点是可以通过微通道板MCP(micro channel plate)获得很高的电子增益，但ICCD量子效率不高，噪声因子很大，空间分辨率低。EBCCD了克服IBCCD的一些缺点，性能上具有与ICCD类似的高增益，噪声因子比ICCD小得多，具有比ICCD更高的空间分辨率。但是EBCCD容易因曝光过度而损坏，而且它结构复杂，造价高。MCCD(electron multiplying CCD)的出现是CCD技术一个新的突破，它采用了芯片上电子增益技术，不仅具有与ICCD和EBCCD一样的高灵敏度，还具有高分辨率、高读出速度、低噪声等诸多优点，特别适合各种微光快速成像领域的应用。2001年，美国德州仪器公司(Texas instrument)、英国Marconi应用技术公司和E2V公司相继推出了自己的EMCCD芯片产品。同年，Andor公司也推出了他们的EMCCD相机产品。几年来，EMCCD在技术和应用上都得到较快的发展。

2.2 EMCCD组成及工作原理

电子电荷倍增耦合器件（Electronic Multiplying Charge Coupled Device, EMCCD）是一块硅基半导体芯片，其由二维矩阵排列的光电传感器或像素组成。EMCCD是一种全新的微弱光信号增强探测技术。EMCCD通过在移位寄存器的后面加增益寄存器从而实现“片上增益”这一功能。这种寄存器使得信号在噪声产生之前就得到一定程度的倍增，并使放大器的读出噪声的噪声不影响该信号的质量，或减少对信号的影响，因而能提高较大的增益从而得到较好的信噪比。

EMCCD同样由成像区，存储区和读出寄存器组成，其结构和传统帧转移CCD结构相似，只是在读出寄存器和输出放大器间添加了一串增益寄存器结构，信号电荷在增益存储器得到倍增放大并输出。

EMCCD组成

EMCCD属于帧转移CCD器件，工作模式可分为以下5个步骤：（1）在积分周期内，成像区将光信号转化成信号电荷；（2）成像区电荷在场转移信号的控制下将信号电荷转移到存储区；（3）存储区电荷在行信号的控制下被转移到读出寄存器；（4）读出寄存器将电荷转移到倍增寄存器，并使电子倍增；（5）倍增后的电荷经过低噪声读出放大器读出，并转换成电压输出。

2.3 EMCCD噪声特性

EMCCD 的噪声来源主要包括4个方面：

（1）光子散粒噪声：即在光子入射到感光区表面产生光电子的过程中产生的噪声。光电子的产生是一个独立、均匀、连续的随机过程，单位时间内产生光电子的数目并不是一个固定值，而是围绕一个特定值而上下波动，这个微小波动引起了光子散粒噪声。

（2）暗电流噪声：CCD在无光照条件下也会有微弱的电流，它是由热生载流子形成的，与正常状态下的电流有本质区别。信号电荷包中一直存在暗电流，其不仅会产生暗电流噪声，而且会给原始光信号图像附加一层噪声信号图像，从而形成固定图像噪声。暗电流噪声是CCD噪声的重要组成部分，必须加以严格控制。

（3）时钟感生电荷噪声：由信号电荷在传递过程中碰撞电离而形成的感生电荷引起的噪声。一般CCD可忽略不计，但对EMCCD而言，其高增益会对噪声感生电荷产生明显的放大，故而必须加以考虑。

（4）读出噪声：由读出装置和后续放大器产生的噪声。包括复位噪声和噪声。一般情况下可以近似忽略。

EMCCD 的噪声除了上面提到的4个方面外，还有噪声因子。电荷在增益寄存器中倍增的过程是个随机的过程。在一定外部条件下，一定数量的电子经过增益寄存器后会以很小的概率输出不同数目的电子。由于电子倍增过程的这种随机性和增益区中某些电荷损失机制的影响，倍增过程会引入一个额外的噪声。这个额外的噪声被称作噪声因子。这个噪声是在信号倍增的过程中产生的。