电荷耦合器件固定亮点影响研究

杨小虎

摘要： 针对电荷耦合器件（Charge Coupled Devices， CCD）工作过程中出现的固定亮点，通过对同一探测器在不同条件下测试以及不同型号探测器之间的比对分析，确认了积分时间、温度以及亮点阈值是固定亮点产生的最主要原因。进一步的研究表明，固定亮点对探测器影响有限，且可以通过数据处理予以消除。

关键词： 电荷耦合器件；固定亮点；温度

中图分类号：TP732 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0178-02

1 引言

电荷耦合器件，自20世纪70年代发明以来，以其卓越的性能迅速占领从海底到太空几乎所有领域的探测器市场，并为相关科学研究提供了不可替代的优质服务。伴随着CCD的广泛应用，其性能也逐渐完善，并衍生出各种针对特定性能较好的亚分支。本文主要针对背照式大面阵紫外增强型CCD使用过程中固定亮点的变化展开研究[1]。

2固定亮点

2.1 现象描述

对于紫外微弱信号探测，由于信号本身较小，为了获得较高的信噪比条件，需要尽可能减小仪器的噪声，其中暗噪声正好是检测电子学开发好坏的最关键指标。

在暗噪声测试过程中，CCD像面上一些固定像素始终比周围像素信号值略大，本文将这种现象定义为固定亮点。这里需要说明一下，CCD生产厂家给出的固定亮点定义是响应大于周围125倍以上，而本文探讨的固定亮点最大不超过10倍，远没有达到上述标准，因而严格意义上并不能称之为固定亮点（white spot）[2]。

图1所示为某一通道CCD固定亮点随时间的变化情况，不算划痕，由图1可知固定亮点出现位置、所占像素基本不变。

图1 CCD固定亮点随时间的变化示例（积分时间1s，温度22°，阈值3倍）

2.2 原因分析

理论上，在暗噪声测试过程中，CCD所有像素均应输出暗场信号叠加电路噪声的随机分布，但固定亮点的出现破坏了这一规律。

一般而言，需要对所有有关量进行逐一分析，为便于比对，同样对上述2.1中数据进行处理，仅改变阈值，即认为大于平均值2倍的信号即为亮点，如图2所示；同样对上述CCD进行测试，仅改变积分时间，对比结果如图3所示；同理，仅改变温度，比对结果如图4所示。

图2 CCD固定亮点随时间的变化示例（积分时间1s，温度22°，阈值2倍）

图3 CCD固定亮点随时间的变化示例（积分时间0.5s，温度22°，阈值2倍）

图4 CCD固定亮点随时间的变化示例（积分时间1s，温度13°，阈值3倍）

可见，对于该通道CCD，其固定亮点受到积分时间、温度以及阈值三者的影响，积分时间越大，温度越高，阈值越小，固定亮点都会增加，且其个数及位置在测试误差之内基本不变。

为了验证固定亮点是否是CCD共性，对不同批次、不同型号探测器以及美国普林斯顿公司高性能PI相机进行测试比对，结果均满足上述规律，其不同之处仅在于相同条件下各探测器输出图像中固定亮点数量不同而已。事实上，固定亮点的出现与加工工艺及使用环境密切相关，目前的加工工艺无法保证所有像素点完全均匀一致，只能在使用过程中予以弥补，其中最有效的办法就是制冷状态工作。

3 数据处理

固定亮点与CCD的使用状态有关，不同状态下其个数、大小均有差异。对于制冷工作下，固定亮点几乎看不出来，影响完全可以忽略，而对于非制冷工作状态下，CCD探测器随着工作时间的延长会有不均匀发热，从而使得固定亮点变得易于察觉。固定亮点出现直接影响仪器探测信号的准确性，因而需要采取措施消除其带来的影响。

一种办法可以利用探测器自身均匀性及探测目标的连续性，选择固定亮点周围的信号进行平均，从而替换其响应变化导致的信号不准确性；另一种办法是通过测量同样条件下的信号与暗信号之差从而去掉固定亮点变化带来的影响。两种方法均能减小固定亮点出现引起的探测数据不准确性，其应用可依据具体的条件进行选择。

4 结论

本文针对CCD探测器使用过程中出现的固定亮点进行了比对分析，给出了其出现的规律及特点。通过对其影响因素逐一分析比较，明确了固定亮点出现的影响因素，并依据其自身及探测目标的特点提出了两种减小固定亮点影响测量信号的方法，对其他使用者具有较大的帮助。

参考文献：

[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.