楊小虎

摘要： 針對(duì)電荷耦合器件（Charge Coupled Devices， CCD）工作過程中出現(xiàn)的固定亮點(diǎn)，通過對(duì)同一探測(cè)器在不同條件下測(cè)試以及不同型號(hào)探測(cè)器之間的比對(duì)分析，確認(rèn)了積分時(shí)間、溫度以及亮點(diǎn)閾值是固定亮點(diǎn)產(chǎn)生的最主要原因。進(jìn)一步的研究表明，固定亮點(diǎn)對(duì)探測(cè)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(diǎn)；溫度

中圖分類號(hào)：TP732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）31-0178-02

1 引言

電荷耦合器件，自20世紀(jì)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(cè)器市場(chǎng)，并為相關(guān)科學(xué)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(duì)特定性能較好的亞分支。本文主要針對(duì)背照式大面陣紫外增強(qiáng)型CCD使用過程中固定亮點(diǎn)的變化展開研究[1]。

2固定亮點(diǎn)

2.1 現(xiàn)象描述

對(duì)于紫外微弱信號(hào)探測(cè)，由于信號(hào)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(cè)電子學(xué)開發(fā)好壞的最關(guān)鍵指標(biāo)。

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

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

圖1 CCD固定亮點(diǎn)隨時(shí)間的變化示例（積分時(shí)間1s，溫度22°，閾值3倍）

2.2 原因分析

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

一般而言，需要對(duì)所有有關(guān)量進(jìn)行逐一分析，為便于比對(duì)，同樣對(duì)上述2.1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，僅改變閾值，即認(rèn)為大于平均值2倍的信號(hào)即為亮點(diǎn)，如圖2所示；同樣對(duì)上述CCD進(jìn)行測(cè)試，僅改變積分時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖3所示；同理，僅改變溫度，比對(duì)結(jié)果如圖4所示。

圖2 CCD固定亮點(diǎn)隨時(shí)間的變化示例（積分時(shí)間1s，溫度22°，閾值2倍）

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

圖4 CCD固定亮點(diǎn)隨時(shí)間的變化示例（積分時(shí)間1s，溫度13°，閾值3倍）

可見，對(duì)于該通道CCD，其固定亮點(diǎn)受到積分時(shí)間、溫度以及閾值三者的影響，積分時(shí)間越大，溫度越高，閾值越小，固定亮點(diǎn)都會(huì)增加，且其個(gè)數(shù)及位置在測(cè)試誤差之內(nèi)基本不變。

為了驗(yàn)證固定亮點(diǎn)是否是CCD共性，對(duì)不同批次、不同型號(hào)探測(cè)器以及美國普林斯頓公司高性能PI相機(jī)進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，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(cè)器輸出圖像中固定亮點(diǎn)數(shù)量不同而已。事實(shí)上，固定亮點(diǎn)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(diǎn)完全均勻一致，只能在使用過程中予以彌補(bǔ)，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(diǎn)與CCD的使用狀態(tài)有關(guān)，不同狀態(tài)下其個(gè)數(shù)、大小均有差異。對(duì)于制冷工作下，固定亮點(diǎn)幾乎看不出來，影響完全可以忽略，而對(duì)于非制冷工作狀態(tài)下，CCD探測(cè)器隨著工作時(shí)間的延長會(huì)有不均勻發(fā)熱，從而使得固定亮點(diǎn)變得易于察覺。固定亮點(diǎn)出現(xiàn)直接影響儀器探測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)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(cè)器自身均勻性及探測(cè)目標(biāo)的連續(xù)性，選擇固定亮點(diǎn)周圍的信號(hào)進(jìn)行平均，從而替換其響應(yīng)變化導(dǎo)致的信號(hào)不準(zhǔn)確性；另一種辦法是通過測(cè)量同樣條件下的信號(hào)與暗信號(hào)之差從而去掉固定亮點(diǎn)變化帶來的影響。兩種方法均能減小固定亮點(diǎn)出現(xiàn)引起的探測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確性，其應(yīng)用可依據(jù)具體的條件進(jìn)行選擇。

4 結(jié)論

本文針對(duì)CCD探測(cè)器使用過程中出現(xiàn)的固定亮點(diǎn)進(jìn)行了比對(duì)分析，給出了其出現(xiàn)的規(guī)律及特點(diǎn)。通過對(duì)其影響因素逐一分析比較，明確了固定亮點(diǎn)出現(xiàn)的影響因素，并依據(jù)其自身及探測(cè)目標(biāo)的特點(diǎn)提出了兩種減小固定亮點(diǎn)影響測(cè)量信號(hào)的方法，對(duì)其他使用者具有較大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[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.