CN103852708B

CN103852708B - 一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法

Info

Publication number: CN103852708B
Application number: CN201410116526.6A
Authority: CN
Inventors: 王明富; 任国强; 刘非; 周向东; 马文礼
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: CN103852708A

Abstract

本发明是一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，包括步骤S1：利用电荷耦合器件的读出放大器的复位金属氧化物半导体管导通时，获取吸收浮置栅电容上储存的信号电子形成复位栅极微弱电流；步骤S2：通过纳安表检测读出放大器上复位金属氧化物半导体管的复位栅极微弱电流；步骤S3：根据复位栅极微弱电流计算出浮置栅电容上每个像素的平均电子总数，从而检测到被测相机的电子增益倍数。本发明旨在解决电荷耦合器件读出放大器的非线性特征及其产生的读出噪声将会增大电子增益倍数测量误差的问题，非常适合用于电荷耦合器件在电子增益标定过程中的电子增益倍数测量。

Description

一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法

技术领域

本发明属于微光成像领域，涉及一种电子倍增电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法。

背景技术

电子倍增电荷耦合器件(ElectronMultiplyingChargeCoupleDevice，EMCCD)是近十年来在CCD图像传感器领域出现的一项新技术，其在硅片上单独集成了数百级电子倍增寄存器，利用相邻两个栅极所形成的高压电场可在信号电子被读出放大器转换为信号电压之前将信号电子放大1000倍以上，从而抑制由于读出放大器和电路噪声所引入的增益后噪声，获得非常高的灵敏度，特别适合于微光成像。相比于传统带像增强器的电荷耦合器件(CCD)，其结构和体积大大简化，在某些重量和体积敏感的应用场合具有较大优势。

电子倍增电荷耦合器件的电子增益倍数测量是相机研制成功后必不可少的一项检测。传统的测量方法有两种：基于数字量的检测方法和基于模拟信号量的检测方法。基于数字量的检测方法是基于相机输出的数字灰度图像进行的，首先记录相机在没有光信号输入、无电子增益条件下的暗场灰度均值Y0_MIN，再记录相机在光信号输入量为M、无增益时输出的数字图像灰度均值Y1；然后记录没有光信号输入、有电子增益条件下的灰度暗场均值Y0_MAX，以及在光信号输入量为M、相同电子增益时输出的数字灰度均值Y2，然后利用公式：

G = \frac{Y 2 - Y 0_{M A X}}{Y 1 - Y 0_{M I N}}

计算出EMCCD的电子增益倍数。这种方法没有考虑到CCD读出放大器、CCD前端预处理电路的非线性特征以及这些部分所产生的噪声引入的测量误差，导致测量结果不准确。

另一种基于模拟信号量的测量方法与基于数字量的测量原理一致，只是将观测对象变为CCD输出的模拟信号量幅度：采用示波器直接观测CCD在有增益和无增益时的模拟信号量幅度大小来判定电子增益倍数，可屏蔽由于CCD前端预处理电路所引入的非线性及其产生的电路噪声，相对第一种方法有所改进，但依然没有考虑到EMCCD的读出放大器的非线性特征以及读出噪声所引入的误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对电子倍增CCD原有电子增益测量方法无法消除由于CCD读出放大器的非线性特征和读出噪声对电子增益倍数测量所形成的误差，发明了一种基于平均电子数测量的电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法。

(二)技术方案

本发明提供的一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，该方法包括步骤如下：

步骤S1:利用电荷耦合器件的读出放大器的复位金属氧化物半导体管导通时，获取吸收浮置栅电容上储存的信号电子形成复位栅极微弱电流；

步骤S2:通过纳安表检测读出放大器上复位金属氧化物半导体管的复位栅极微弱电流；

步骤S3:根据复位栅极微弱电流计算出浮置栅电容上每个像素的平均电子总数，从而检测到被测相机的电子增益倍数。

(三)有益效果

本发明采用纳安表直接测量电荷耦合器件复位栅极上的微弱电流的方法来测量电荷耦合器件的电子增益倍数，在信号电子转换为信号电压之前就检测出了电子增益倍数，避免了由于电荷耦合器件读出放大器和后续预处理电路的非线性以及这些部分所产生的噪声对测量结果的影响，可极大地提高电荷耦合器件电子增益倍数测量精度，适用于电荷耦合器件相机的电子增益标定过程。

附图说明

图1本发明电荷耦合器件电子增益倍数测量原理示意图；

图2本发明电荷耦合器件读出放大器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示出本发明一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，是使用由积分球、遮光罩、衰减片组、被测相机、暗室、相机控制计算机、纳安表组成的电子倍增电荷耦合器件的电子增益倍数测量装置对电子倍增电荷耦合器件测量。

本发明是针对电荷耦合器件(CCD)的实施例，所述电荷耦合器件为面阵电荷耦合器件，本领域技术人员通过本发明下面的实施例，能实现涉及任一面阵电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，实施例中被测相机选用被测电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)相机，下面仅以被测电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)相机中电子倍增电荷耦合器件为例介绍电子增益倍数测量方法的技术方案，该方案包括步骤如下：

步骤S1:利用电子倍增电荷耦合器件的读出放大器的复位金属氧化物半导体(MOS)管导通时，获取吸收浮置栅电容上储存的信号电子形成复位栅极微弱电流；

步骤S2:通过纳安表检测读出放大器上复位金属氧化物半导体(MOS)管的复位栅极微弱电流；

步骤S3:根据复位栅极微弱电流计算出浮置栅电容上每个像素的平均电子总数，从而检测到被测电子倍增电荷耦合器件相机的电子增益倍数。

所述测量方法通过以下步骤实现：

第一步积分球工作：开启积分球电源，保持积分球稳定工作至少10分钟以上，该步骤的主要目的在于保证在测试过程中积分球工作状态不会发生变化，以免影响测试结果；

第二步被测EMCCD相机工作：开启被测EMCCD相机的电源，设定被测EMCCD相机工作参数，将被测EMCCD相机的模拟数字转换器(ADC)的增益设置为1，并使被测EMCCD相机保持恒定的像素时钟频率和帧频工作至少10分钟以上，该步骤的主要目的在于保证在测试过程中被测EMCCD相机的工作状态不会发生变化，以免影响测试结果；

第三步：调节输入到电子倍增电荷耦合器件的靶面的通光量。将积分球输出辐亮度调节到最低，等待10分钟保证积分球输出光均匀稳定后将被测EMCCD相机电子增益调节到最大，不断调节衰减片组来调节电子倍增电荷耦合器件进光量，同时观察被测EMCCD相机输出图像，直到被测EMCCD相机在该输入辐亮度下设置为最大增益工作时不会饱和为止，该步骤主要是为了保证被测EMCCD相机在最大增益输出时，不会出现饱和一面影响测试结果；

第四步：计算被测EMCCD相机有效像素比K。维持积分球、衰减片组设置不变，关闭被测EMCCD相机电子增益，确认被测EMCCD相机单帧总行数H_T，有效行数H_V，每行总列数V_T，有效列数V_V，采用下式计算被测EMCCD相机有效像素比K：

K = \frac{H_{V} \times V_{V}}{H_{T} \times V_{T}}

第五步：确认被测EMCCD相机输出像素时钟频率F，单位为像素每秒(pixel/s)；

第六步：计算电流为1安培时通过复位管栅极的电子总数C＝1/(电子电量)＝1/(1.6×10^-19)＝6.25×10¹⁸电子每安培(e-/A)；

第七步：测量无光信号注入、无电子增益条件下的平均暗场电子数。保持被测EMCCD相机电子增益功能关闭，推动不透光遮光罩阻断光路，使进入到电子倍增电荷耦合器件靶面的光通量为0，采用纳安表3次测量电子倍增电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值ID(安倍)，并通过下式计算暗场、无电子增益条件下每个像素内的平均暗场电子数量E_D(e-/Pixel)：

E_{D} = \frac{C \cdot I_{D}}{F}

第八步：测量有光信号注入、无电子增益条件下的平均平场电子数。保持被测EMCCD相机电子增益功能关闭，去掉遮光罩使积分球输出光信号进入电子倍增电荷耦合器件的靶面，采用纳安表3次测量此时电子倍增电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值I_S(安培)，并采用下式计算有效像素在有光照输入且无电子增益时的原始净信号平均电子数量E_S，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{S} = \frac{C \cdot I_{S} - E_{D} \cdot F}{F \cdot K}

第九步：测量无光信号注入、有电子增益条件下的平均暗场电子数。开启被测EMCCD相机电子增益功能，并设定电子增益，推动遮光罩阻断光路，使进入到电子倍增电荷耦合器件的靶面的光通量为0，采用纳安表3次测量电子倍增电荷耦合器件的复位电流并求3次的平均值I_GD(安培)，并通过下式计算有电子增益时的暗场条件下每个像素内的平均暗场电子数量E_GD，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{G D} = \frac{C \cdot I_{G D}}{F}

第十步：测量有光信号注入、有电子增益条件下的平均暗场电子数。维持被测EMCCD相机的电子增益不变，去掉遮光罩使积分球输入光信号进入电子倍增电荷耦合器件的靶面，采用纳安表3次测量此时电子倍增电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值I_GS(安培)，并采用下式计算有效像素在有光照输入且有电子增益时的倍增后净信号平均电子数量E_GS，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{G S} = \frac{C \cdot I_{G S} - E_{G D} \cdot F}{F \cdot K}

第十一步：计算增益倍数。通过下式计算被测EMCCD相机的电子增益倍数M表示如下：

M = \frac{E_{G S}}{E_{S}} .

以上测量过程均保持积分球输出、衰减片组不变化，维持同一设置；衰减片组设置在暗室内部的进光口，衰减片组安装在滤波盘上，＝，转动滤波盘就可调整入射到电子倍增电荷耦合器件靶面的通光量。转动滤波盘可以对通过的光信号进行固定倍数衰减。遮光罩设置在暗室的进光口处，通过拉动遮光罩可使积分球输出的光线通过或被阻断。

如图2示出电子倍增电荷耦合器件的读出放大器内部结构图，当复位金属氧化物半导体(MOS)管被复位电极R_D的高电平驱动为开启状态时，复位MOS管导通，通过输出栅极OTG输出到浮置栅电容上面的有效信号电子将会被栅极电压V_REF复位，从而在栅极电压V_REF上形成微弱电流，该电流大小与浮置栅电容上的平均电子数量成正比，因此可以通过测量该复位栅极上的电流大小来推算出每个像素所包含的平均电子数，进而可求得电子倍增电荷耦合器件的增益倍数。当复位MOS管被复位电极R_D低电平驱动为关闭状态时，复位MOS管关闭，有效信号电子通过浮置栅电容转换为信号电压，通过后端的输出MOS管进行射随以后通过对地电阻RL输出到被测电子倍增电荷耦合器件片外，其中V_DD为输出MOS管提供供电电压，RL放在CCD外部，以减小CCD读出放大器的功耗。

假设在被测EMCCD相机在没有光照输入的暗场条件下，每个像素内由于暗电流噪声等因素产生的平均暗场电子数为E_D(e^-/Pixel)，而当有光照且被测EMCCD相机没有饱和的条件下由于光子所产生的净信号平均电子数为E_S(e^-/Pixel)，且被测EMCCD相机像素时钟频率为F(Pixel/s)，有效像素占所有像素的比重为K，则当读出放大器复位MOS栅极电流为I(A)时，成立以下关系：

F×K×(E_D+E_S)+F×(1-K)×E_D＝C×I

其中，C为当电流强度为1A时在1秒钟内通过复位管栅极的总电子数，约为6.25×10¹⁸e^-/A。

由上式，可计算出净信号平均电子数E_S为：

E_{S} = \frac{C \times I - E_{D} \times F}{F \times K}

当没有光照时，净信号平均电子数为0，则可计算出没有光照条件下的暗场平均电子数为：

E_{D} = \frac{C \times I}{F}

对于以上两式，其中C＝6.25×10¹⁸，当被测EMCCD相机确定时，被测EMCCD相机工作像素时钟频率F，有效像素所占比例K都是已知量，只需要测出通过复位栅极的电流I就可计算出被测EMCCD相机暗场条件下的每个像素平均包含的电子数E_D，以及有光照条件下的净信号电子总数E_S，在相同光照条件下再改变被测EMCCD相机电子增益倍数，利用相同的方法由可测出被测EMCCD相机在有电子增益时的暗场平均电子总数E_GD以及净信号电子总数E_GS，利用关系式增益倍数M等于增益后净信号总电子数E_GS除以增益前净信号总电子数E_S，就可测量出电子倍增被测EMCCD相机的总增益倍数。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

步骤S3:根据复位栅极微弱电流计算出浮置栅电容上每个像素的平均电子总数，从而检测到被测相机的电子增益倍数；

获取所述电子总数的步骤如下：

步骤S31：开启积分球电源，保持积分球稳定工作至少10分钟以上；

步骤S32：开启被测相机电源，设定被测相机工作参数，将被测相机的模拟数字转换器增益设置为1，并使被测相机保持恒定的像素时钟频率和帧频工作至少10分钟以上；

步骤S33：将积分球输出辐亮度调节到最低，将被测相机的电子增益调节到最大，不断调节衰减片组来调节电荷耦合器件进光量，同时观察被测相机的输出图像，直到被测相机在该输入辐亮度下设置为最大增益工作时不会饱和为止；

步骤S34：关闭被测相机电子增益，确认被测相机的单帧总行数H_T、单帧有效行数H_V、单帧每行总列数V_T、单帧有效列数V_V，采用下式计算被测相机有效像素比K：

K = \frac{H_{V} \times V_{V}}{H_{T} \times V_{T}}

步骤S35：确认被测相机输出像素时钟频率F，单位为像素每秒(pixel/s)；

步骤S36：计算电流为1安培时通过复位金属氧化物半导体管的栅极的电子总数C＝1/电子电量＝1/1.6×10^-19＝6.25×10¹⁸电子每安培(e-/A)。

2.根据权利要求1所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于，所述电子增益倍数M表示如下：

M = \frac{E_{G S}}{E_{S}}

其中：E_S为有效像素在有光照输入且无电子增益时的原始净信号平均电子数量，E_GS为有效像素在与形成E_S信号时的相同光照输入条件下且有电子增益时的倍增后净信号平均电子数量。

3.根据权利要求2所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于，获得所述原始净信号平均电子数量E_S的步骤如下：

步骤S3A1:保持被测相机电子增益功能关闭，推动不透光遮光罩阻断光路，使进入到电荷耦合器件靶面的光通量为0，采用纳安表3次测量电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值I_D，并通过下式计算暗场、无电子增益条件下每个像素内的平均暗场电子数量E_D，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{D} = \frac{C \cdot I_{D}}{F}

步骤S3A2：保持被测相机电子增益功能关闭，去掉遮光罩使积分球输出光信号进入电荷耦合器件的靶面，采用纳安表3次测量此时电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值I_S，并采用下式计算有效像素在有光照输入且无电子增益时的原始净信号平均电子数量E_S，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{S} = \frac{C \cdot I_{S} - E_{D} \cdot F}{F \cdot K} .

4.根据权利要求3所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于，获得所述电子增益时的倍增后净信号平均电子数量E_GS的步骤如下：

步骤S3B1:开启被测相机电子增益功能，并设定电子增益，推动遮光罩阻断光路，使进入到电荷耦合器件的靶面的光通量为0，采用纳安表3次测量电荷耦合器件的复位电流并求3次的平均值I_GD，并通过下式计算有电子增益时的暗场条件下每个像素内的平均暗场电子数量E_GD，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{G D} = \frac{C \cdot I_{G D}}{F}

步骤S3B2：维持被测相机的电子增益不变，去掉遮光罩使积分球输入光信号进入电荷耦合器件的靶面，采用纳安表3次测量此时电荷耦合器件的复位栅极电流并求3次的平均值I_GS，并采用下式计算有效像素在有光照输入且有电子增益时的倍增后净信号平均电子数量E_GS，单位为电子每像素(e-/Pixel)：

E_{G S} = \frac{C \cdot I_{G S} - E_{G D} \cdot F}{F \cdot K} .

5.根据权利要求1所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于：测试过程中保持所述积分球输出、衰减片组不变化，维持同一设置。

6.根据权利要求1所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于：所述衰减片组设置在暗室内部的进光口处，衰减片组安装在滤波盘上，转动滤波盘就可调整入射到电子倍增电荷耦合器件靶面的通光量。

7.根据权利要求3或4所述电荷耦合器件的电子增益倍数测量方法，其特征在于：所述遮光罩设置在暗室外部的进光口处，通过拉动遮光罩使积分球输出的光线通过或被阻断。