電荷耦合器件固定亮點影響研究

楊小虎

摘要： 針對電荷耦合器件（Charge Coupled Devices， CCD）工作過程中出現(xiàn)的固定亮點，通過對同一探測器在不同條件下測試以及不同型號探測器之間的比對分析，確認了積分時間、溫度以及亮點閾值是固定亮點產(chǎn)生的最主要原因。進一步的研究表明，固定亮點對探測器影響有限，且可以通過數(shù)據(jù)處理予以消除。

關(guān)鍵詞： 電荷耦合器件；固定亮點；溫度

中圖分類號：TP732 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0178-02

1 引言

電荷耦合器件，自20世紀70年代發(fā)明以來，以其卓越的性能迅速占領(lǐng)從海底到太空幾乎所有領(lǐng)域的探測器市場，并為相關(guān)科學研究提供了不可替代的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。伴隨著CCD的廣泛應(yīng)用，其性能也逐漸完善，并衍生出各種針對特定性能較好的亞分支。本文主要針對背照式大面陣紫外增強型CCD使用過程中固定亮點的變化展開研究[1]。

2固定亮點

2.1 現(xiàn)象描述

對于紫外微弱信號探測，由于信號本身較小，為了獲得較高的信噪比條件，需要盡可能減小儀器的噪聲，其中暗噪聲正好是檢測電子學開發(fā)好壞的最關(guān)鍵指標。

在暗噪聲測試過程中，CCD像面上一些固定像素始終比周圍像素信號值略大，本文將這種現(xiàn)象定義為固定亮點。這里需要說明一下，CCD生產(chǎn)廠家給出的固定亮點定義是響應(yīng)大于周圍125倍以上，而本文探討的固定亮點最大不超過10倍，遠沒有達到上述標準，因而嚴格意義上并不能稱之為固定亮點（white spot）[2]。

圖1所示為某一通道CCD固定亮點隨時間的變化情況，不算劃痕，由圖1可知固定亮點出現(xiàn)位置、所占像素基本不變。

圖1 CCD固定亮點隨時間的變化示例（積分時間1s，溫度22°，閾值3倍）

2.2 原因分析

理論上，在暗噪聲測試過程中，CCD所有像素均應(yīng)輸出暗場信號疊加電路噪聲的隨機分布，但固定亮點的出現(xiàn)破壞了這一規(guī)律。

一般而言，需要對所有有關(guān)量進行逐一分析，為便于比對，同樣對上述2.1中數(shù)據(jù)進行處理，僅改變閾值，即認為大于平均值2倍的信號即為亮點，如圖2所示；同樣對上述CCD進行測試，僅改變積分時間，對比結(jié)果如圖3所示；同理，僅改變溫度，比對結(jié)果如圖4所示。

圖2 CCD固定亮點隨時間的變化示例（積分時間1s，溫度22°，閾值2倍）

圖3 CCD固定亮點隨時間的變化示例（積分時間0.5s，溫度22°，閾值2倍）

圖4 CCD固定亮點隨時間的變化示例（積分時間1s，溫度13°，閾值3倍）

可見，對于該通道CCD，其固定亮點受到積分時間、溫度以及閾值三者的影響，積分時間越大，溫度越高，閾值越小，固定亮點都會增加，且其個數(shù)及位置在測試誤差之內(nèi)基本不變。

為了驗證固定亮點是否是CCD共性，對不同批次、不同型號探測器以及美國普林斯頓公司高性能PI相機進行測試比對，結(jié)果均滿足上述規(guī)律，其不同之處僅在于相同條件下各探測器輸出圖像中固定亮點數(shù)量不同而已。事實上，固定亮點的出現(xiàn)與加工工藝及使用環(huán)境密切相關(guān)，目前的加工工藝無法保證所有像素點完全均勻一致，只能在使用過程中予以彌補，其中最有效的辦法就是制冷狀態(tài)工作。

3 數(shù)據(jù)處理

固定亮點與CCD的使用狀態(tài)有關(guān)，不同狀態(tài)下其個數(shù)、大小均有差異。對于制冷工作下，固定亮點幾乎看不出來，影響完全可以忽略，而對于非制冷工作狀態(tài)下，CCD探測器隨著工作時間的延長會有不均勻發(fā)熱，從而使得固定亮點變得易于察覺。固定亮點出現(xiàn)直接影響儀器探測信號的準確性，因而需要采取措施消除其帶來的影響。

一種辦法可以利用探測器自身均勻性及探測目標的連續(xù)性，選擇固定亮點周圍的信號進行平均，從而替換其響應(yīng)變化導致的信號不準確性；另一種辦法是通過測量同樣條件下的信號與暗信號之差從而去掉固定亮點變化帶來的影響。兩種方法均能減小固定亮點出現(xiàn)引起的探測數(shù)據(jù)不準確性，其應(yīng)用可依據(jù)具體的條件進行選擇。

4 結(jié)論

本文針對CCD探測器使用過程中出現(xiàn)的固定亮點進行了比對分析，給出了其出現(xiàn)的規(guī)律及特點。通過對其影響因素逐一分析比較，明確了固定亮點出現(xiàn)的影響因素，并依據(jù)其自身及探測目標的特點提出了兩種減小固定亮點影響測量信號的方法，對其他使用者具有較大的幫助。

參考文獻：

[1] STEVE B. HOWELL. HANDBOOK OF CCD ASTRONOMY[M]. Cambridge University Press， 2000.

[2] e2v technologies. CCD47-20 BACK Illuminated High Performance AIMO Back Illuminated CCD Sensor[Z]. e2v technologies（uk） limited 2006， A1A-100041 page 1～page 13， Issue 6， March 2006.