微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用研究

龚德铸，王 立，卢 欣

(北京控制工程研究所，北京 100190)

1 引 言

微光图像传感器自20世纪60年代问世以来被大量用于军工、医疗和天文观测。在航天领域，微光技术也有不少的应用，例如电子轰击CCD(EBCCD)、像增强CCD(ICCD)等，还有目前最新的电子倍增CCD(EMCCD)。EMCCD即将进入太空，意大利CARSO公司的ASTC1/2星敏感器就使用了EMCCD-CCD87,通过辐照试验后即将于2008年作为AMS-02试验的一部分运用于国际空间站。

2 普通微光探测器件

微光探测器件有近50年的发展历史，种类繁多，下面简要介绍主流器件的结构和性能特点等有关问题[1]。

2.1 电子轰击硅靶摄像管 (SiT管)

如图1所示，SiT管前端阴极受到光照后产生光电子，将目标光学图像转化成电荷图像，电荷图像经电子透镜电场的聚焦和加速后，高速轰击Si靶使图像信号放大。这种器件成像分辨率较低，Si靶过荷能量差，寿命短，无法承受剧烈振动。

图1 SiT管

2.2 电子轰击CCD (EBCCD)

如图2所示，微光图像通过光纤面板聚焦于光电阴极，产生相应的电子图像，经几千伏的加速电压加速后，轰击到CCD上使CCD各像元产生不同的信号电荷包。其缺点为CCD需装在真空管内，工艺和操作都很复杂，且失去了固体成像器件牢固、可靠的优点。

图2 倒像式EBCCD

2.3 像增强器与CCD的耦合

如图3所示，微光图像通过光学物镜成像于光电阴极完成光电转换，产生相应的电子图像，然后由电子透镜形成的电场聚焦和加速，高速轰击到荧光屏上后转换为可见的光学图像，这样可带来数十倍甚至上百倍的增益。而且像增强器可以多个级联，最终由高灵敏CCD接收。这种微光技术，相对来说较多用于航天领域。但它相对于下面要介绍的EMCCD，其体积较大，噪声高，分辨率低，工艺复杂且易损坏。

图3 倒像式像增强器

3 EMCCD

前面所提到的微光技术都有其自身的缺点，不是星敏感器的最优选择方案。对于CCD星敏感器，探测目标是微弱星光，CCD噪声决定了可探测的最小信号，要提高星敏感器的探测灵敏度，提高信噪比(SNR)才是关键。

要提高SNR，首先要提高输入信号的质量，一般可以采用下列措施来实现：

a.采用抗反射玻璃；

b.改善真空入射环境；

c.采用100%面积感光的全帧转移CCD；

d.采用背照式芯片结构，提高接收效率；

e.长时间进行积分处理。

另一方面，尽量减少系统噪声，一般可通过以下几方面做到：

a.改善制冷环境；

b.降低暗电流。

理论上，拍摄静止的物体使用长时间积分，甚至多帧积累方法可以得到满意的结果，但往往受到目标运动、要求高更新率等条件的限制，入射信号无法通过积分得到增强。

对于这些棘手的传统微光CCD问题，只能通过改变CCD芯片构造，从电荷形成、转移的内部过程入手，在信号读出之前，有规则地产生新电子，从而提高有效信号值。

3.1 结构组成

图4 普通CCD与EMCCD的构造对比

EMCCD属于帧转移CCD，其工作模式分为5个步骤：

a.在积分周期内，成像区将光子转化成电荷；

b.成像区电荷转移到存储区；

c.存储区电荷转移到读出寄存器；

d.读出寄存器电荷转移到倍增寄存器，并在其中使电子倍增；

e.倍增后的电荷通过低噪声读出放大器转换成电压输出。

以上5个步骤，a、b、c、e步骤与普通CCD相同，在d步中，对倍增寄存器施加了约50V的高电压，在电子通过时产生碰撞电离效应产生新电子。这样，通过多次累加，实现信号电子的倍增。EMCCD总共约有600级转移，最大增益可达1000倍。

由于CCD结构内部的电子倍增功能使信号在内部直接放大，而不是通过外部器件放大信号，故EMCCD外形与普通CCD一样，但与ICCD、EBCCD、SiT管等相比，具有分辨率高、量子效率高、体积小、可靠性高、抗振动、工艺简单和使用方便等优势，而且EMCCD可通过适当调整增益来消除额外噪声，强光下仍可以操作。

3.2 噪声

噪声是衡量CCD性能的重要指标。降低噪声等效于提高CCD的灵敏度。EMCCD在十几MHz的输出频率下，等效读出噪声<1e-。

EMCCD的噪声源有以下几方面[2]：

a.光子入射噪声

b.暗电流噪声

c.读出噪声

读出噪声Na来源于读出放大器，与输出频率成正比。对一般CCD说，当输出频率较高时，Na是主要噪声。

d.电子倍增增益噪声

e.KT/C 噪声和1/f 噪声

系统采用双采样电路可以抑制KT/C 噪声和1/f 噪声，计算中可以忽略。

对于EMCCD，由于电子倍增的作用，读出噪声对总噪声的贡献被很好地抑制。总噪声N表示为

(1)

式中，G为电子倍增增益，当其足够大时，Na被有效抑制。设读出噪声被抑制到其它噪声的10%，如下式表示。

(2)

由式(1)和(2)推导出CCD总噪声N为

(3)

3.3 SNR

要提高图象质量，就必须提高SNR。对一般CCD来说，SNR可简单表示为(背景噪声等不计)

(4)

对于EMCCD来说，SNR表示为

(5)

从式(5)可以看出，与普通CCD相比，EMCCD在电子倍增模式下，信号值变大G倍，但噪声值并没有增大G倍(远小于G)，读出噪声部分更是被大大减弱。总之，EMCCD的SNR明显增强，探测灵敏度和微光图像质量得到提升。

3.4 倍增增益

在EMCCD中，当电子进入倍增寄存器发生碰撞电离时，每一个单元的电离数量，即EM倍数是随机的，约为1.01～1.015。理论上每次都不一样，但概率上，其值固定在一个范围内。同时对倍增寄存器发生碰撞电离的级数也可以控制，即可以控制EM的级数以保证最终的增益值。具体来说，可以通过调整倍增时序Rφ2HV电压幅值来控制增益。图5表示Rφ2HV与Rφ1/2/3的相位关系。注意，Rφ2HV的峰值对应Rφ1的下降沿，且电压误差在±30mV内才能保证增益误差在±5范围内[3]。

4 基于EMCCD的星敏感器部分设计

4.1 CCD选型

4.2 EMCCD电路设计

可见光波段的星图通过透镜照射到EMCCD上，光子转换为电子，电子经过倍增再转换为电压模拟信号输出。该原始信号经视频信号处理电路进行视频处理，转换成数字差分信号存入图像存储器中供数据处理单元(DPU)进行处理、计算，最后得到卫星的姿态数据。

EMCCD电路包括时序电路、驱动电路、视频处理电路、差分输出电路和二次电源电路，图6为电路系统框图。时序电路主要提供CCD所需的时序信号和后端电路所需的同步信号及控制信号；驱动电路接收时序信号，输出能驱动CCD工作的驱动时序；视频处理电路接收CCD输出的原始模拟信号，进行去直流、双相关采样(CDS)、增益可变放大、偏置调整和AD转换等处理，转换成数字信号；差分输出电路则将数字信号转换为便于传输的差分信号送DPU处理；二次电源电路将一次电源转换并输出CCD和和其它电路所需的多种电源。

图6 电路系统框图

4.3 倍增增益选择

倍增增益G与CCD的探测灵敏度密切相关，选用准确的G值对于优化CCD性能是重要的。其值过低，不能有效消除系统读出噪声；其值过高，减弱可探测的峰值，对小信号有不必要的灵敏度。

根据波长λ的单色辐射出射度

M(λ,T)=2πhc2λ-5[exp(hc/λkBT)-1]-1

(6)

式中，h为普朗克常数，h=6.626×10-34 J·s，c为真空光速，c=3×108m/s，kB为波尔兹曼常数，kB=1.38×10-23J/K，T=5 800 K(很多恒星温度接近太阳)。

光子能量为

E=hc/λ

(7)

单位时间、单位面积恒星辐射能量对应的光子数为

Nphoto=M/E

(8)

由式(6)～(8)算出0等恒星的辐射响应为

N0photo=13000 e-/(mm2·s)

(9)

该值同试验结果接近，被视为经验值[5]。

推出12等恒星的辐射响应为(假设探测目标为12等恒星)

N12photo=N0photo/2.512=0.218 e-/(mm2·s)

(10)

假设星敏感器光学镜头参数为：相对孔径f/D=1.4，焦距f=56 mm，孔径D=40 mm，孔径面积AL=1257 mm2，透过率TL=0.75，波长范围为400～800nm。并已知CCD的量子效率QE=80%，曝光时间T=0.1s 。

CCD接收星光信号光子数Nph-el为

Nph-el=AL×TL×Nphoto×T×QE

(11)

星光信号为点目标,考虑采用亚像元细分技术对质心位置精度计算的要求,星点光斑要覆盖一定的像元数,那么探测到的光斑中心像元的能量大小与光斑的大小有关,用能量集中度K表示光斑中心像元占光斑能量的百分比

Scenter=Nph-el×Ecenter/Espot=Nph-el×K

(12)

代入式(11),得光斑中心像元接收的电子数

S=AL×TL×Nphoto×T×QE×K

(13)

一般质心位置精度计算采用3×3窗口,光斑大小一般要占4个像元,K值为0.25～0.4，文中取K=0.3[6]。

由式(9)、(10)和(13)得出1个像元在1帧内接收的0或12等星光信号光子数分别为

S0=294138 e-

(14)

S12=4.9 e-

(15)

对于CCD201芯片，暗电流260e-/pixel/s(T=293K)，读出噪声和为43e-，制冷到-20℃(T=253K)。根据暗电流计算公式(Qd0为T=293K时的暗电流)

(16)

得到-20℃暗电流Qd为

Qd=1.25 e-/pixel/s

1个像元1帧产生的暗电流为(1帧的曝光时间为0.1s)

1.25 e-/pixel/s×0.1s=0.125 e-/pixel

此外，已知固定暗电流每帧为0.1e-/pixel得到1帧总暗电流为

ND=0.225e-/pixel

(17)

根据式(2)、(15)和(17)得

NDF2+S12F2=2×0.225+2×4.9=10.25e-,

(18)

4.4 灵敏度计算

实现最佳探测的原则是在一定条件下,获取最大的探测率和最小的虚警率。比如当要求探测率大于99.9%,虚警率小于0.1%时,可求得SNR阈值TSRN为8.1。对于星敏感器而言,要对目标恒星实现有效探测,应满足以下判据[7]：

(19)

根据式(5)和(19)得

(20)

而TSRN=8.1，G=43，F2=2，ND=0.225，

代入式(20)得

因此,S=0.18 e-，即星敏感器探测灵敏度为0.18个光电子。

由式(14)S0=294138 e-,

x=15.6

即星敏感器可探测15.6等恒星。

4.5 难点分析

a.高速50V正弦驱动信号

如图5所示，实现EMCCD的倍增特性需要有1个高速50V正弦驱动信号，这在电路的实现上有一定难度。但已有不少商用仪器(如princeton公司的成像仪)已经克服该难点，故可以移植应用于航天任务。

b.CCD抗辐照性能

EMCCD(包括CCD201)目前尚没有明确的抗辐照参数。但引言中提到CARSO的ASTC1/2星敏感器已通过辐照试验即将用于空间站上，可见EMCCD

的抗辐照性能有一定保障性。通过筛选、抗辐照加固以及辐照试验能确认并保证其抗辐照性能。

5 应用展望

本文通过对比说明微光探测的主流技术，突出阐述了EMCCD的工作原理和特性。从噪声着手,分析了倍增增益和信噪比，并根据假设条件初步计算了EMCCD星敏感器的探测灵敏度。从计算结果看出,EMCCD应用于星敏感器的探测灵敏度水平为15.6等恒星，大大超出我们的想象。这个初步计算足以体现EMCCD应用到星敏感器这样的航天微光探测器上的优势。由于EMCCD的高灵敏度，可以大大缩短积分时间，满足高更新率的发展趋势。

虽然目前EMCCD在航天应用领域仍没有形成一定的趋势,但其应用于航天微光探测的优势明显,探测灵敏度极高,除了恒星敏感器外，小行星导航敏感器、行星/恒星导航敏感器等也有EMCCD的用武之地，EMCCD在航天领域的发展前景将会十分光明。