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user: 4. 噪声分析与讨论 事实上，根据微光成像系统的结构和工作机理可以确定噪声的主要来源于MCP的影像增强器(也称像管)的噪声和CCD本身的噪声，而像增强器的噪声对于成像质量的影响更大。下面具体分析。像管所接收的入射光子、光电阴极出射的光电子、微通道板的倍增电子、荧光屏输出光子都具有量子性，都可视为离散的随机过程 [ 13 ] [ 14 ]。 4.1. 光电阴极产生的噪声 由入射光子数的涨落导致发射光电子数的涨落所引起的噪声可表示为： N c 1 = n ¯ A τ η c (50) 式中 η c ，为光电阴极的量子效率。 光电阴极的量子效率 η c 具有泊松分布几率，这是由光电阴极发射本身的随机性所决定的，可将产生的光电子噪声 N c 2 表示为： N c 2 = n ¯ A τ η c (51) 式(50)，(51)的两项噪声线性无关，则所得的光电阴极光电子发射总量子噪声 N c 为 N c = N c 1 2 + N c 2 2 = n ¯ A τ η c 2 + n ¯ A τ η c (52) 由于不同的光电阴极的量子效率 η 不一样，当 η 远小于1时，忽略 η 的平均项，则有 N c = n ¯ A τ η c (53) 上式表明光电阴极的光电子发射的量子噪声是主要因素，光子的噪声的影响甚微，可忽略不计。 4.2. 微通道板电子倍增过程产生的噪声 1) 当微通道板没有输入信号时，仍然存在输出，一般称谓背景噪声。它是由工作电压所产生的场强导致通道内壁产生了微弱的场致发射，然后经后继的倍增变为大的输出而产生的。它有通道内壁的材料性质、工作电压和表面状态所决定。在系统中，它和光阴极的发射电流相比，要小两个数量级，也可以不计算在内。 2) 当微通道板有信号输入时，大体上有三种情况会导致微通道板的输出信号产生噪声(也就是增益起伏的变化)。 ① 微通道板输入端的开口面积是有限的，这就可能使得随机变化的入射电子不能落入开口面积而被阻隔，造成部分入射电子的损失。 ② 随机变化的入射电子并不是总能得到倍增，当它们的运动方向与通道轴线平行时，就直接穿过通道。 ③ 由于通道内被倍增的二次电子的数目会随每个二次电子的出射角以及初量的不同而有所不同，逸出几率也与多种因素相关，其输出中伴随有量子噪声。 总而言之，微通道板倍增电子噪声的大小可表示为： N m = n ¯ A τ η c P 0 G 2 + n ¯ A τ η c P 0 η [ 1 + δ δ + P ( 1 + δ ) δ P − 1 ] G 2 (54) 公式中的第一项是由于输入到微通道板的光电子数本身所具有的涨落而引起的输出电子噪声，公式子中的第二项是由微通道板的多级二次电子倍增的随机涨落而引起的输出电子噪声。两者相比，后者大于前者。 4.3. 荧光屏上的光子噪声 微光ICCD像管荧光屏发射出的光子数所引起的量子涨落情况，大体有以下两个方面 [ 15 ]： 1) 轰击到荧光屏上的电子数具有涨落变化，因此引起了输出光子噪声 N S 1 。 2) 经测量和理论分析证明，荧光屏发光本身的量子效率是一个符合泊松分布律的离散变量。它所引起的噪声为 N S 2 。 综合计算上述两项噪声，则荧光屏输出光子的总量子涨落噪声( N S )为 N S = N S 1 2 + N S 2 2 = n ¯ A τ η c η P 0 G 2 [ 1 + 1 + δ δ + P ( 1 + δ ) δ P − 1 ] ( η s 2 + η s ) (55) 由于荧光屏的量子效率 η s 远大于1，可将式(55)中的 η s 一次方项略去，即 N S ≈ n ¯ A τ η c η P 0 G 2 [ 1 + 1 + δ δ + P ( 1 + δ ) δ P − 1 ] η s 2 (56) 它表明像管的总量子噪声主要是光电阴极的量子噪声和微通道板的噪声。 4.4. 荧光屏上表现出的颗粒噪声 荧光屏的发光特性会受它的空间上的非均匀性结构所限制。当电子不断地击打荧光屏使它产生新的光子时，它所输出的光分布呈现出颗粒状的亮点闪烁，常将这一噪声称谓荧光屏颗粒噪声，用输出的光子数表示为： N g = n ¯ A τ η c η P 0 β 2 ( x ， y ) ¯ G η s (57) 其中， β 2 ( x ， y ) ¯ 的数值通常是取一定的像元面积作为采样窗口来实测荧光屏的光出射度，再由计算确定。对分辨率为201 p/mm的等效像元来说，此 β 2 ( x ， y ) ¯ 的实际值约为(0.015) 2 。 4.5. CCD本身的噪声 一般来说，CCD本身的噪声主要指的是光子散粒噪声、暗电流噪声以及读出噪声 [ 15 ] [ 16 ]。 1) 光子散粒噪声 光子入射到成像区光敏面是一个随机过程，是一束不连续的光子流，而且是独立的、均匀的。光敏面接收到的光子数目在单位时间内不是一成不变的，它围绕均值有微小旳变化。光子散粒嗓声就是由这种微小的变化所形成的。 2) 暗电流噪声 没有加光信号和电信号的CCD仍有电流，它是在MOS电容器处于深耗尽状态，被收集在势讲中的有热激发产生的少数载流子所形成，常把这个电流称为暗电流。它是导致暗白点、白色损伤或颗粒的原因，也是决定像质的重要因素。暗电流噪声的大小与温度有关，还与点荷包在势讲中存储的时间长短有关，暗电流噪声随存储时间越长而越大。 3) 读出噪声 读出噪声主要是复位噪声和1/f噪声，其中，复位噪声也叫KTC噪声。它主要来源于输出放大器和后续处理电路，且呈高斯分布状态。 a) 复位噪声 微光ICCD的输出结构通常釆用浮置扩散放大器，其输出结构如图3所示，信号电荷通过浮置电容变成相应的电压输出。T 1 是复位MOS场效应管，它的漏极接到复位电平上；D是输出二极管，在反偏电压状态下工作；T 2 是读出MOS场效应管，也可以称为电压跟随器；C为浮置扩散电容，它的作用就是能存储电荷。 图3. 浮置扩散放大器的输出结构图 在每个像素的输出过程中，由于输出二极管D都工作在强反偏的状态下，因此电容C被充电至高电平V R ，在复位脉冲Φ R 为正时，场效应管T 1 导通，读出场效应管T 2 的输出电平V 0 被复位至V R 电平上，为接受下一个电荷包做准备。当Φ R 正脉冲截止时，T 1 也截止。 在时钟驱动下，出现脉冲Φ S 时，到达输出端的信号电荷开始对电容C进行充电，电容C的电压就下降。随之下降的还有T 2 的输出电平V 0 ，降幅形成了输出信号电压。当输出信号被后续电路采集后，电容C开始放电，为下一个像素的电荷转换做准备。在此过程中，复位MOS管T 1 反复在导通和切断状态下工作。当T 1 工作在导通状态时，会产生导通沟道电阻R，电容C两端遇到电阻R热噪声会干扰输出信号，常将此热噪声称为复位噪声。复位整个过程可视为复位管漏极电压V R 经由电阻R对电容C进行充电的过程，如图4所示。在RC电路的带限作用下，电容C两端的噪声已不再是白噪声。另外，RC的等效噪声带宽可知为 Δ f e = 1 / 4 R C ，电容C两端的噪声电压的均方值可由下式计算得到 V n 2 ¯ = 4 k T R Δ f e = k T / C (58) 图4. 输出噪声等效电路 其中，T为绝对温度，k为波尔兹曼常数。换算噪声电压为电子数，则有 Δ n = k T C / e (59) 复位噪声也称为KTC噪声。并且，复位噪声会随着浮置扩散电容的变大而变大。通过采用相关釆样法(CDS)可以减小复位噪声，它的原理如图5所示。在输出参考电平和信号电平时，由于等效电容C上噪声电压的涨落是缓慢的，因此可使得两次采样S 1 和S 2 在一个像素周期内完成，并且两次采样的时间间隔也比时间常数RC小得多，这样噪声电压在两次采样中就无太大的差别，可认为两次取样的时间是相关的。复位噪声可以通过两次采样值的相减运算得以滤除，运算结果所得的差值就是实际的有用信号。 图5. 相关双采样的原理电路及时序波形 b) 低频噪声(1/f噪声) 经验表明，低频噪声是半导体器件在有电流流过时产生的，但目前不清楚它的原因。最新的研究结果指出，低频噪声产生的原因主要是PN结空间电荷区和周围的陷阱对载流子的复合和发射所导致的。在表面进入耗尽状态后，由于表面势的增加而导致噪声亦随之迅速上升，并且在将要反型时会形成一个峰值，易知通过PN结的电流I与1/f噪声频谱 S I ( f ) 存在如下关系 S I ( f ) ∝ I β (60) 其中，体分量 β ≈ 1 ，表面分量 β ≈ 2 。