理论知识
科学级CCD 相机的噪声分析及处理技术(一)
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时间:2012-02-03 15:21:20

   自从20 世纪60 年代末期美国贝尔实验室的W. S. Boyle 和G. F. Smit h 提出了电荷耦合这一新概念以来,电荷耦合器件(Charge CoupledDevice ,CCD) 在数字存贮、模拟信号处理以及像传感器领域得到了广泛的应用 。目前,CCD 器件以其自扫描、高分辨率、易与计算机连接等特点,以及输出噪声低、动态范围大、量子效率高、电荷转移效率高、光谱响应范围宽、几何稳定性好等突出优点,被认为是可见光成像、空间光学、微光夜视等领域最有前途的探测器件 。

     随着CCD技术的发展, 频率高、数字化的新型科学级CCD相机不断出现 。在评价科学级CCD 相机优劣的诸多性能参数中,噪声特性是最重要的指标之一。本文分析了选用DALSAIL2E2 TDI CCD图像传感器设计的相机在工作时存在的几种主要噪声源和硬件电路设计中采用的消噪技术以及具体的CCD 相机实现电路。

  关于DAL SA IL2E2 TDI2CCD 图像传感器

  CCD 图像传感器是科学级CCD 相机的关键组成部件, 其性能的优劣直接影响着相机的功能和使用效果。该科学级CCD 相机选用了加拿大DAL SA 公司生产的IL2E2 型TDI2CCD 图像传感器, TDI2CCD 具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点,使其在高速、微光领域具有广泛的应用前景。该TDI2CCD 的像素结构为2 048 ×96 。它为单向、单端输出、级数可选、具有蓝光响应增强功能的TDI2CCD。它的基本结构如图1 所示,整个TDI2CCD 可以分为3 个功能区,即光敏元探测区、电荷传输区、检测输出区,下面分别进行阐述。TDI2CCD 光敏区中光敏元为N ×M 排列结构, N 为水平方向像元数(2 048 个有效光敏元,两侧各有若干个隔离像素和行间暗参考像素) ,M为垂直方向的像元数(最大为96 像素) 。TDI2CCD 不仅在线列方向而且在TDI 级数方向存在移位时钟驱动,这样才能保证信号电荷包有序地  传输到检测单元。电荷沿TDI 方向移动由CI1 、CI2 、CI3 、CI4 移位驱动时钟信号控制。另外TDI2CCD 可以灵活控制级数,使其工作于6 、12 、24 、48 、96 级5 种工作方式。输出检测结构采用缓冲型视频输出放大器,为了减小1/ f 噪声,采用掩埋沟道二级源射随放大器;为了减小宽带白噪声,对MOSFET 的沟道宽度进行优化。

  噪声分析及处理

  3. 1  散粒噪声

  光注入CCD 光敏区产生信号电荷的过程可看作独立、均匀、连续发生的随机过程。单位时间内产生的信号电荷数目并非绝对不变,而是在一个平均值上作微小的波动。这一微小的起伏便形成散粒噪声。散粒噪声一个重要的特性是与频率无关,在很宽的频率范围内都有均匀的功率分辨通常又称白噪声。散粒噪声功率等于信号幅度,故散粒噪声不会限制CCD 器件的动态范围,但是它决定了CCD 的噪声极限值,特别是当CCD 在低光照、低反差下应用时,由于采取了一切可能的措施降低各种噪声,光子散粒噪声便成为主要的噪声源。它是CCD 敏感器件所固有的噪声,不能被后续电路所抑制或抵消 。

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