電子倍增CCD的倍增機(jī)制及其在光子計(jì)數(shù)成像的應(yīng)用.pdf

1、電子倍增CCD采用碰撞電離機(jī)制實(shí)現(xiàn)了光生電荷信號(hào)在固態(tài)器件內(nèi)的放大倍增，實(shí)現(xiàn)了器件的全固態(tài)化，是微光成像技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文在歸納總結(jié)普通CCD工作原理及其在微弱光成像應(yīng)用方面的不足，重點(diǎn)分析電子倍增CCD中電荷倍增寄存器實(shí)現(xiàn)電荷倍增的原理，提出了電荷倍增的數(shù)學(xué)模型，討論了微弱光環(huán)境中電荷倍增對(duì)電子倍增CCD成像的影響，創(chuàng)新性的提出了基于單光子響應(yīng)模型的雙重閾值原理，克服了常態(tài)制冷狀態(tài)下暗電流噪聲對(duì)電子倍增CCD單光子探測(cè)

2、性能的影響，使得采用低成本半導(dǎo)體制冷的電子倍增CCD可以實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)成像。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括普通CCD工作原理、電荷倍增機(jī)制及其模型、電子倍增CCD成像模型、基于電子倍增CCD的光子計(jì)數(shù)成像原理以及電子倍增CCD的測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)裝置的建立和試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)電子倍增CCD工作機(jī)制及其在光子計(jì)數(shù)成像的應(yīng)用研究，可以為我國(guó)實(shí)現(xiàn)電子倍增CCD核心技術(shù)自主化提供理論依據(jù)，為盡快突破英美發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖貢獻(xiàn)力量。
　　 在CCD工作原理研究

3、方面，本文重點(diǎn)對(duì)埋層溝道CCD器件內(nèi)的二維電勢(shì)場(chǎng)分布進(jìn)行了研究。通過(guò)求解一維泊松方程和傳輸線波動(dòng)方程，得到了埋層溝道CCD的二維電勢(shì)場(chǎng)分布的解析表達(dá)式，分析了電極間中心距、電極偏置電壓和電極內(nèi)存儲(chǔ)電荷容量等關(guān)鍵因素對(duì)二維電勢(shì)場(chǎng)分布的影響，明確了埋層溝道CCD器件內(nèi)的二維電勢(shì)場(chǎng)分布。
　　 電荷倍增寄存器實(shí)現(xiàn)電荷倍增的原理研究方面，本文重點(diǎn)分析了電荷倍增寄存器實(shí)現(xiàn)電荷倍增的四個(gè)要點(diǎn)：強(qiáng)電場(chǎng)、大電荷勢(shì)阱容量、溢出控制器和直流偏置相。

4、同時(shí)，依據(jù)電荷倍增過(guò)程是否具備Markov性，本文將電荷倍增過(guò)程分為兩種模式：高增益模式和普通增益模式。在不同模式下，分別通過(guò)求解Markov-擴(kuò)散方程和Malthusian方程得到倍增寄存器的增益統(tǒng)計(jì)特性、增益期望和方差和增益概率密度函數(shù)。利用搭建的電子倍增CCD測(cè)試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，除了倍增電極的偏置電壓外，倍增電極內(nèi)信號(hào)電荷包的大小也影響到電子倍增CCD的電荷倍增過(guò)程。
　　 在電子倍增CCD成像模型研究方面，本文通過(guò)建立電子倍增

5、CCD的電荷轉(zhuǎn)移模型和器件模型，得到了電子倍增CCD的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)和幅頻響應(yīng)特性，并分析了電荷倍增過(guò)程對(duì)成像的影響。借助于實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知：盡管電荷倍增過(guò)程并沒有改變電子倍增CCD的幅頻響應(yīng)的分布特征，但是由于電荷倍增過(guò)程提高了響應(yīng)幅度，電荷倍增過(guò)程可以有效提高電子倍增CCD在低照度條件下的細(xì)節(jié)分辨力。
　　 在基于電子倍增CCD的光子計(jì)數(shù)成像研究方面，本文通過(guò)離散單光子響應(yīng)模型得到了判斷電子倍增CCD是否滿足單光子探測(cè)的依據(jù)。借助

6、于電子倍增CCD的單光子響應(yīng)模型，討論并分析了利用雙重閾值方法實(shí)現(xiàn)光子事件檢測(cè)的原理，并給出了幅度閾值和頻率閾值選擇的依據(jù)。
　　 通過(guò)單光子探測(cè)效率與誤差實(shí)驗(yàn)，本論文分析了電子倍增CCD在光子計(jì)數(shù)成像模式下的性能。通過(guò)光子計(jì)數(shù)成像實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明：采用光子計(jì)數(shù)模式，電子倍增CCD的最小響應(yīng)度可以達(dá)到0.1個(gè)電荷/像素/幀，明顯優(yōu)于相同情形下的其他成像方式的結(jié)果。
　　 本文研究工作受到部委科研項(xiàng)目“XXXXXX成像技術(shù)(4