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倍增CCD微光传感器件性能及其应用分析


第16卷第1期 2009年1月

电光与控制
Electronics Optics&Control

V01.16

No.1

Jan.2009

电子倍增CCD微光传感器件性能及其应用分析


闽1.杨胜杰2

/>(1.中国人民解放军驻中航工业洛阳电光设备研究所军事代表室,河南洛阳471009; 2.中航工业洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009) 摘要:阐述了新型微光传感器件电子倍增CCD(EMCCD)的基本工作原理.分析了EMCCD与普通CCD,增强型 CCD(ICCD)和电子轰击CCD(EBCCD)器件的优缺点,并对其微光探测能力和信噪比进行了比较.对比介绍当前国 外EMCCD芯片及EMCCD摄像机类型,简迷了EMCCD在军事,民用方面的应用前景. 关键词:微光夜视;传感器;EMCCD;ICCD;EBCCD;微光电视 中图分类号:V271.4 文献标志码:A 文章编号:1671—637x(2009)01—0047—04

Performance Analysis and Application
of

Electron—Multiplied--CCD
CHEN Minl,YANG

Shen6ie2
471009,China)

(1.Military Deputy Office of PLA in Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang 471009,CMna;
2.Luoyang Institute of Electro—Optical Equipment,AVIC,Luoyang

Abstract:The principle of Electron Multiplying Charge Coupled level photo—electronic
sensor,was described

Device(EMCCD),a
and

new

kind low—light of EMCCD,

in detail.The

advantages

disadvantages

ordinary CCD.Intensified

CCD(ICCD)and

Electron Bombed

CCD(EBCCD)were

studied,and their

signal·to—noise ratio and low—light level detection capability were analyzed and compared with each other. Current domestic EMCCD chips and EMCCD based low—light level video cameras were compared with that from foreign countries.AppHeafions of EMCCD in military and civil Key words:low—light level night
area

were

forecasted. level TV

vision;sensor;EMCCD;ICCD;EBCCD;low—light

0引言
微光夜视是在微弱光照条件下,通过各类微光夜 视传感器件进行光谱和光电转换,图像增强,处理,显 示,将人眼不能或不易看到的极微弱星光,近红外辐射 等景物图像,逼真地再现或记录下来,变成人眼易看 的,亮度被增强的可见光图像.从而弥补人眼在空间, 时间,能量,光谱和分辨能力等方面的局限性,极大地 扩展了人类的视野功能u引. 微光夜视传感器件是微光夜视技术中的核心器 件.目前的微光夜视传感器已经不仅仅局限于像增强 器及各种像管器件,经过CCD,ICCD,EBCCD"训等技 术的发展,微光探测能力已经得到了很大的提高.近

来出现的电子倍增CCD(EMCCD)喁.1¨,使得微光夜视传 感器的灵敏度得到进一步提高,自问世以来,EMCCD就 以其简洁的设计结构,很低的相对读出噪声,高量子效 率而成为微光夜视传感器件中的后起之秀,为微光和夜 视技术的发展注入新的活力,引起了广泛的关注.
1

EMCCD的基本原理
EMCCD是当前使用标准CCD生产工艺制造的成

像器件,它继承了CCD器件的优点,并具有与ICCD和
EBCCD相近的灵敏度.

·EMCCD基本结构如图1所示,相对一般的帧传输 CCD来说,成像区,存储区和读出寄存器都没有改变,但 是在读出寄存器和输出放大器之间多了一个增益寄存 器.增益寄存器的结构如图2所示,每一个单元都有四 个电极币.,中:,哦,中血组成.在增益寄存器中,中.和 中,都是由正常的电压(典型值为lO V)驱动,而中:的驱 动电压相对来说要高,在40~50 V之间.中也位于中:之

收稿日期:2008—08—19

修回日期:2008一ll—05

作者简介:陈闽(19r71一).男,福建福州人,工程师,研究方向为机 载火控/光电设备.

万方数据

48

电光与控制

第16卷

前,它的驱动电压很低,典型值为2 V的直流电压.由于

比较如表l所示.
表I几种微光成像器件比较
Table 1

中..和中:之间电压差别大,在硅表面所形成的势阱容量 差别很大,所以当电子从中.到中:的转移过程中,就发 生了类似雪崩放大的电子增益.虽然每一个单元的增 益非常小,一般为O.01~0.015,但单元格的数量较多, 常达数百个,则最终增益相当可观.
成像区 探测器类型

Comparison of different low light
level

image

sensor苫

优点

缺点

EMCCD

单光子灵敏度 高且宽的量子效率QE 很好的分辨率,由像元无纳秒或皮秒量级的快 尺寸决定 门(某些EMCCD传感 很好的动态范围 器已具有微秒级快门) 快,慢可选的读出速率 倍增噪卢(倍增噪声变 使用方式灵活,可工作为1.41倍) 于EMCCD,CCD模式 无光阴极

存储区
I I I I I I I l

鲁孳兽含辨率·仅像元读出噪声限制,达不到 星甚氅掣太捕田 DCC".1.'美霰复孚晃簟蓄莩酷甏每高,读出 堡短整慈奎范围 无qF倍球增噪声kHE-"眺'同…8美茎辜量n十RrK M…n ;I

图1
Fig.1

EMCCD内部结构

Configuration of electron multiplied CCD

a上—∑生上—[丑
]—厂厂—-7.

ICcD

眦n嬲‰级时骥赫俄点
可实现纳秒和皮秒级时筝未=嚣谨=""""
易损坏

耘菇最箸量瓮 鲤瓮嚣,出;毒山:击盘 快,毪要蠹i!岂≯率 该属 R光阴极选择 ;j 裎筠'芳笺1幕复活,无 IN弩蕈芜

b

图2电子增益示意图
Fig.2 Principle of electron multiplication

这里取增益为g=O.014,增益寄存器单元数目 t/,=500,计算其增益如下: G=(1+g)4=1
044

(1)

2.1探测能力分析 对微光目标进行探测,器件探测能力主要表现在 信噪比上.有研究¨1以假设利用探测器探测照度为 1.05×10"lux的六等星为例,计算和比较了几种微光 器件的信噪比.为便于定量比较,二代,三代,四代像 增强CCD分别选取中国一家公司生产的1XZl8/ 18WHS,荷兰生产的XD一4TM和xR5TM以及采用第 4代光阴极的EBCCD产品,它们分别是同类器件中的 佼佼者.EMCCD选用背照式的CcD97—00.经过同 样的光学系统后,所计算出的信噪比如表2所示.

式中:g为每个单元的增益;,l为单元格的数量;G为整个 增益寄存器的增益.增益G通常是可以调节的,改变电 的值即可实现.G一般可达1—103量级.当调整倍增电 压是电子倍增增益C=1时,此时电子倍增CCD就等同于 普通CCD工作模式,可适应较高的环境照度.
2

EMCCD与几种微光成像器件的比较
EMCCD与普通CCD,ICCD,EBCCD优缺点的定性

表2几种微光成像器件的信噪比对比
Table 2

Comparison of S/N of different low·-Ught-·level image

sensor

万方数据

第1期

陈闽等:

电子倍增CCD微光传感器件性能及其应用分析

49

从表2中可以看出,EMCCD在微光下的探测能力 明显强于各代像增强CCD,与高压电子轰击EBCCD的 探测能力基本相当.
2.2微光性能比较

几种微光成像器件的性能对比如表3所示.
表3几种微光成像器件的微光性能对比
Table 3

Comparison of low-light·level performance
of different

image

sensors

EMCCD和EBCCD在对图像增强方面.原理基本 相同,都是将电子图像进行放大.所不同的是EBCCD 是在高压(10~15 kV)情况下对电子进行加速,增益可
达2 000—3 000;EMCCD则利用雪崩效应,增益也能在

微光器件

量淼邮粼

103数量级,但量子效率却大大提高. 由于EBCCD和ICCD中有光阴极的存在,不论是 多碱光阴极还是负电子亲和势砷化镓(GaAs)光电阴 极,其量子效率均比前照式CCD的要小,仅为背照式
EMCCD的1/9—1/5. 3

EMCCD应用研究现状
国外制造EMCCD器件的主要有E2V公司和,11

在一般低照度条件下(10~~10.lux),ICCD,EB. CCD,EMCCD都能对目标进行成像,这时对图像的质 量要求较高,MTF函数成为衡量的主要标准,EBCCD 对图像进行更有效的放大,这时探测效果比EMCCD 要好,而ICCD成像环节多,损失大,图像质量受到很 大影响,比EBCCD和EMCCD逊色.当光照条件小于 10.lux时,这时能够探测目标成为主要的目的,信噪 比成为衡量器件性能的最重要的参数,受光电阴极探 测能力的影响,ICCD和EBCCD的信噪比急剧下降,当 光照继续降低时,噪声将淹没信号;而此时的EMCCD 优势将会更明显,在极低的照度下(10.8lux)信噪比还 要高,能够在EBCCD探测不到的极低微光下成像. 由于光电阴极量子效率的限制,EBCCD在极低微 光下的探测能力受到很大制约,主要是信噪比不能大 于1,而EMCCD凭着硅面板的高量子效率.能够探测 到更低光亮度下的目标,从而扩大人类的视见范围.
表4
Table 4

公司.两家公司的EMCCD芯片主要产品规格如表4
所示.

EMCCD具有很高的探测灵敏度和很低的噪声,虽 然能制造EMCCD芯片的公司仅有E2V和11,但已有 很多公司开始了基于EMCCD探测器芯片的低照度摄 影机产品的开发,主要应用在最需要微光和大动态范 围的场景.这些探测器使人们对科学级相机对灵敏度 有了更高的期望,探测极限可达到单光子量级.对微 光生命科学成像应用如单分子探测,活细胞荧光显微 术(包括共焦显微术),离子信号和弱发光探测,天文 探测,自适应光学,层析摄影,断层摄影,等离子体诊断 等方面都有很大的作用.当前正在深入研究EMCCD 应用的公司有Andor
Technology,E2V Technology,Pho— toMetrics,Princeton Instruments Action,SALVADOR Ima-

6ng等,表5是其代表产品及其主要特征参数.

EMCCD芯片型号及冥特性
of current

Specifications

EMCCD chips 读出模式 帧转移 帧转移 帧转移 全帧转移 帧转移 帧转移 防光晕 放大器选择 增益老化 是 是 是 是 可忽略 0--I,忽,略 可忽略

型号
CCD 97

厂商
E2V

有效像素
512×512

像素ti尺m寸/
16×16

有效m尺寸/lTl嚣蕊
烈翠UⅣ物
92.5 8.2×8.2 13.3×13.3 3.1×3.1 92.5 92.5

CCD 201 CCD 60

E2V E2V

l

024×1 024 128×128

13×13 24×24

否馨鬟琶右 否饕嚣蔓器
否 否 是 是 仅EMCCD
EMCCD

CCD 207

E2V芸黑岔翟岛
TI TI 1

16×·6

嚣6x×6.3.24
8 X8 4.85×3.67

92.5

TC 285 TC283

004(h)×1 002(V)8×8 7.4 x7.4 656(h)x496(v)

65 65

仅EMCCD 仅EMCCD

堡!竺



箜!f 12 1兰!!112

11 1 1Q

!:i!:!:!!

丝——盥堑垫丝整



堡兰竖cD

万方数据

电光与控制 表5
Table 5

第16卷

目前国外EMCCD研发公司及代表产品特性
Specifications of current

EMCCD cameras

像面特征 参数/公司
AndorTechnology
E2V Technology

产品型号 分辨率
iXon2"DV885LC L3C95 CascadeII:1024 PhotoMax
1

像元尺寸/tim
8
x8

有效像面/mm
8
x

增益
004×1 002 024 8
1—1

帧速率(f酗)
24


000

768×288
1 x1

15×30

1I.52×8.64 13.3×13.3 8.2×8.2

1—1 000 1—1
1一l 000

PhotoMeta'ica
Princeton Instruments Action

024

13×13 16×16

8.5 30

512×512

000

!垒兰∑皇望竺坚!哑!E
4
4.1

!!:!坐!:兰丛

!!坐:!塑!

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!Q

EMCCD的应用需求分析
EMCCD在军事中的应用需求 军事上,EMCCD主要应用前景是高性能微光电视

测能力.在公安,天文,航天,航海,生物,医学,核物理, 卫星监测,高速摄影等许多领域中均有较大的应用潜
力. 5

探测设备.微光电视主要用来观察敌方的夜间行动和 发现隐蔽目标.目前国外各兵种都有装备,优良的歼 击机和轰炸机,潜水艇和新型坦克上也都装配有微光 电视和红外前视装置.借助微光电视可发现许多肉眼 不能发现的目标.微光电视还可与前视红外装置,激 光测距机,计算机等联网组成新型光电火控指挥系统 和快速反应的侦察,射击指挥系统. 未来高性能微光电视主要有下述新的发展要求: 1)寻求新的高灵敏度和低噪声的摄像器件.随 着观察距离的增加和更低照度下观察的要求,微光电 视需要研制新的高灵敏度,低噪声的摄像器件. 2)向多功能全天候方向发展.要求微光电视系 统既能在夜间观察,也能在白天及一些特殊环境下观 察,因此,必须扩大微光电视系统的动态范围. 3)向小型化发展.固体摄像器件性能和电子线路 集成度的提高,促进微光电视向小型化发展,有利于减 小体积,质量和能耗,这对军用微光电视更有突出意义. 4)向数字化发展.信息数字化是当前军队装备 发展的重要趋势,微光夜视图像的视频化是数字化的 基础,因此,夜视视频化的需求日益提高;此外,结合当 前迅速发展的数字视频技术,采用数字图像处理技术, 可使图像质量进一步提高,促进数字视频微光电视技 术的迅速发展. EMCCD具有低噪声,高灵敏度,高动态范围等特 点,因此在微光夜视中也具有较大优势.基于EMCCD 的摄像探测技术,可满足微光电视的这些发展需求. 它灵敏度高,噪声低,能适应更低照度下观察目标的需 要;配合AGC技术,能昼夜连续工作,可实现全天候工 作;EMCCD器件基于常规CCD设计与制造技术,更具 小型化潜力;读出速率高,易于数字视频化.因此. EMCCD在未来军事应用中,有着很大的发展潜力和应
用前景.
4.2

总结
阐述了新型微光传感器件电子倍增CCD(EMC—

CD)的基本工作原理.分析了EMCCD与普通CCD,增 强型CCD(ICCD)和电子轰击CCD(EBCCD)器件的优 缺点,并对其微光探测能力和信噪比进行了比较. EMCCD由于其低噪声,高增益,数字化,高动态范围特 点.必将成为未来微光电视发展的主力探测器件,在未 来军,民用方面有着巨大的应用前景. 参考文献
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new

EMCCD在民用方面的需求 由于EMCCD具有很高量子效率和极强的微光探

technology:the

ICCD[R].Andor

Technology Lid.

万方数据

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