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)相序的時鐘脈沖驅(qū)動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)自掃描，完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。通常這種電信號是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見光像，也可以將信號存儲在磁帶機內(nèi)，或輸入計算機，進行圖像增強、識別、存儲等處理。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：
(1)具有比其他可用探測器更高、更寬的量子效率；
(2)僅由像素大小決定的很高分辨率；
(3)實際上沒有串?dāng)_和像暈圈的分辨缺陷。
但是不管在什么樣的情況下，信號出現(xiàn)時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是空間采樣的離散模擬信號，其中夾雜著各種噪聲和干擾，而噪聲會影響CCD成像器件探測微弱光的能力。
對于光電器件來說，其能否探測到足夠小的輻射功率，是至關(guān)重要的問題。所以一般都把最小可探測輻射功率列為一切光電探測器件的重要參數(shù)。定義Pmin為當(dāng)輸出信號電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時的探測器入射輻射功率。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為輸出信號電壓；Pmin為最小可探測功率。Pmin越小，器件的探測能力越強，也就是探測微弱光的能力越強。由式(1)可知，在輸出信號電壓一定的情況下，噪聲un越小，Pmin就越小，器件探測微弱光的能力也就越強。因此，對CCD信號進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CCD噪聲的種類、特性有所了解，針對各種噪聲進行相應(yīng)的去噪處理。所以對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，也能提高探測微弱光的能力。
2．1 轉(zhuǎn)移噪聲
當(dāng)電荷包由一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時，由于種種原因，會從前一個電荷包中得到一些電荷，同時還會向后一電荷包留下一些電荷。這些電荷的量都是隨機的，所以會出現(xiàn)漲落，構(gòu)成噪聲?？紤]到在每次轉(zhuǎn)移中都包括得到電荷和失去電荷2個過程，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，故噪聲為單一過程的二倍。當(dāng)Nε1時，各次轉(zhuǎn)移過程中的漲落是獨立的，則N次轉(zhuǎn)移的漲落噪聲為：
式中：Ns為每個電荷包中的信號載流子數(shù)；Ns0為每個電荷包中的基底載流子數(shù)。
2．2 復(fù)位噪聲
復(fù)位噪聲是因為開關(guān)介入電容帶來的電壓，當(dāng)開關(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，在信號電荷檢測之前，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，就會加上噪聲kTC。
當(dāng)二極管輸出信號之后，為了連續(xù)接收下一個電荷包，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)位噪聲可以通過相關(guān)雙取樣法加以消除?？梢园褟?fù)位過程看作通過電阻R對電容C的光電過程。
Qc(t)所產(chǎn)生的噪聲為：
2．3 散粒噪聲
即使光強度一定，由于光具有光子的粒子特性，一次儲存時間內(nèi)入射到光電二極管的光，其每次的光子數(shù)不會相同，這樣的變動特性引發(fā)出了光的散粒噪聲。
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