電子倍增CCD的倍增機制及其在光子計數(shù)成像的應用.pdf

1、電子倍增CCD采用碰撞電離機制實現(xiàn)了光生電荷信號在固態(tài)器件內的放大倍增，實現(xiàn)了器件的全固態(tài)化，是微光成像技術重點發(fā)展的關鍵技術之一。本論文在歸納總結普通CCD工作原理及其在微弱光成像應用方面的不足，重點分析電子倍增CCD中電荷倍增寄存器實現(xiàn)電荷倍增的原理，提出了電荷倍增的數(shù)學模型，討論了微弱光環(huán)境中電荷倍增對電子倍增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)下暗電流噪聲對電子倍增CCD單光子探測

2、性能的影響，使得采用低成本半導體制冷的電子倍增CCD可以實現(xiàn)光子計數(shù)成像。本文的研究內容主要包括普通CCD工作原理、電荷倍增機制及其模型、電子倍增CCD成像模型、基于電子倍增CCD的光子計數(shù)成像原理以及電子倍增CCD的測試分析實驗裝置的建立和試驗。通過對電子倍增CCD工作機制及其在光子計數(shù)成像的應用研究，可以為我國實現(xiàn)電子倍增CCD核心技術自主化提供理論依據(jù)，為盡快突破英美發(fā)達國家的技術封鎖貢獻力量。
　　 在CCD工作原理研究

3、方面，本文重點對埋層溝道CCD器件內的二維電勢場分布進行了研究。通過求解一維泊松方程和傳輸線波動方程，得到了埋層溝道CCD的二維電勢場分布的解析表達式，分析了電極間中心距、電極偏置電壓和電極內存儲電荷容量等關鍵因素對二維電勢場分布的影響，明確了埋層溝道CCD器件內的二維電勢場分布。
　　 電荷倍增寄存器實現(xiàn)電荷倍增的原理研究方面，本文重點分析了電荷倍增寄存器實現(xiàn)電荷倍增的四個要點：強電場、大電荷勢阱容量、溢出控制器和直流偏置相。

4、同時，依據(jù)電荷倍增過程是否具備Markov性，本文將電荷倍增過程分為兩種模式：高增益模式和普通增益模式。在不同模式下，分別通過求解Markov-擴散方程和Malthusian方程得到倍增寄存器的增益統(tǒng)計特性、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，倍增電極內信號電荷包的大小也影響到電子倍增CCD的電荷倍增過程。
　　 在電子倍增CCD成像模型研究方面，本文通過建立電子倍增

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

6、于電子倍增CCD的單光子響應模型，討論并分析了利用雙重閾值方法實現(xiàn)光子事件檢測的原理，并給出了幅度閾值和頻率閾值選擇的依據(jù)。
　　 通過單光子探測效率與誤差實驗，本論文分析了電子倍增CCD在光子計數(shù)成像模式下的性能。通過光子計數(shù)成像實驗測試證明：采用光子計數(shù)模式，電子倍增CCD的最小響應度可以達到0.1個電荷/像素/幀，明顯優(yōu)于相同情形下的其他成像方式的結果。
　　 本文研究工作受到部委科研項目“XXXXXX成像技術(4