66、硅基图像传感器：原理、性能与应用

硅基图像传感器：原理、性能与应用

1. 电子倍增（EM）CCD

传统的简单 CCD 是将光生电荷（电子）直接传输到输出电路进行测量。而 EMCCD 在此基础上增加了一个额外的传输寄存器，能在信号到达输出端之前对电子信号进行放大，从而降低放大器噪声的影响，其增益通常可达 1000 倍。例如，当放大器噪声为 100 e⁻ rms 时，经 1000 倍增益后，相当于光信号电荷仅为 0.1 e⁻。这种高增益配合近 100% 的量子效率，使得 EMCCD 能够检测到单个光子。同时，由于放大器噪声影响降低，它可以在更高的像素频率下工作。

不过，EMCCD 通过电荷倍增工作，会给信号引入随机噪声。在零信号水平下，读出噪声可低于一个电子；但在有信号时，有效噪声通常为 √2×信号。而且，它需要一个约 50V 幅度的高压时钟，操作相对复杂。

2. 读出频率与读出时间

CCD 通过并行和串行电荷移动相结合的方式读出信号。大多数应用中，输出端口以 10 kHz 至 10 MHz 的像素频率工作。总读出时间主要取决于采样所有像素所需的时间，计算公式为：读出时间 = 总像素数（X * Y）/（像素频率 * 输出数量）。随着设备尺寸增大，使用 4 或 16 个输出端口能有效降低读出时间。现代设备即使在 1 MHz 左右的像素频率下，也能实现极低的读出噪声。

在一些应用（如导星仪）中，设备采用窗口模式读出，感兴趣区域相对总帧尺寸较小，行与行之间的电荷转移时间对总读出时间影响更大。而对于大面积波前传感等应用，需要在接近 1 ms 的时间内读出较大尺寸的图像（如 1000×1000 像素），CCD 很难满足要求，此时有源像素传感器（CMOS 设备）具有优势。