实验六ccd性能指标的测试

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1、实验六CCD性能指标的测试一、CCD成像原理1．CCD是电耦合器件组成电荷耦合器件的基本元件(光敏元件)是电荷贮存电容器。它与电子线路中的金属氧化物半导体电容器(MOS)电路非常相似，见图sh16.1。MOS是由金属、氧化层（绝缘层）、P型半导体三层材料组成的器件。电偶合器件的基本单元内金属层做成电极，在P型半导体上加上正电压（VG）并达到某个特定值（Vh）后，在半导体层内会形成一个电荷贮存区（也叫位阱），这时，如有光照，则该区内会有电荷积累，且其电荷数量与光辐射强度成正比。每一个电荷贮存电容器中电荷贮存区所积累的电荷，与相应像元的光强相对应成正比，那么所有元件电荷贮

2、存的分布情况便对应于观测对像的一个二维电子潜像。图sh16.1MOS的三层结构2．CCD的信号读出如何将二维电子潜像读出并重建观测图像呢？在CCD器件中信息的读出是采用了一种电荷耦合的方法。假定图sh16.1是CCD器件中某列的一组MOS管，在该图所示的偏压情况下，MOS管处于工作状态。但因第二个电极上电压为+10V，无疑该电极下的表面位阱的深度要远远大于其它电极，光生电荷（电子）将被储存在这一深位阱之中[图sh16.2（a）]。但是，若我们把第三个电极电压由2V增加到10V[图sh16.2（b）]，那么其电极下的表面位阱的深度就会和第二电极下的位阱一样，并且由于相距

3、很近使两个位阱相互耦合贯通，这样，第二电极位阱中的电荷就会流向第三电极的位阱，见图sh16.2（c）。如果此时把第二极的偏压由10V降到2V，那么所有信号电荷就会完全转移重叠在第三电极下的深位阱之中[图sh16.2(d)]。这样，连续改变电极的电压，就可以把信号电荷包连续传递下去，直到输出电极被读出并放大记录下来。这种电荷耦合输送效率很高，一般CCD的输送效率可以达到99.999％。每一个光敏元件称为一个像素，它是成像的基本单元，其面积可以做到15μm×15μm。例如一个576×384像素的CCD其成像面积相当于13.25mm×8.83mm。5图sh16.2ccd器件

4、中某列的一组MOS管及电荷耦合输送原理二、CCD的性能指标CCD性能优良，这主要表现在：1．量子效率高这是它最大的优点，平均量子效率为30％～50％，最高可达90％，大约是一般照相底片的100倍。2．分光相应范围宽CCD的分光响应范围为400～1100nm，比一般照相乳剂的灵敏波段范围（350～700nm）向近红外波段延展了很多。3．线性好成像强度与入射光流量成正比，而且有很好的线性关系。4．动态范围宽CCD动态范围是指可探测的最暗星与最亮星的星等差。CCD的动态范围可达105，远远优于底片。5．分辨本领高像素的尺度越小分辨率越高。目前生产的CCD其像素尺度为9～25

5、μm，这与细颗粒的底片分辨本领相当。CCD使用中也存在一些需要注意解决的问题和困难：1．CCD成像面积越大制造上越困难；采用小面积拼接的办法也需要尖端技术的支持。2．在不露光的情况下，由于栅偏压而引起的电子潜像也存在，叫零秒露光，也称做Bais(基底)。在CCD的观测资料处理中要扣除Bais。3．CCD与光电倍增管一样也有暗流，即在无光照时也有输出。暗流随温度而改变，一般每降低5～7℃，暗流就减小一半。所以应将器件冷却到足够低的温度。专业应用的CCD常用液氮（装在杜瓦瓶内）制冷，使其温度低于-110℃；业余观测使用的CCD系统，多采用半导体制冷。观测时需要单独测定暗流

6、，并在资料处理中加以扣除。4．CCD器件各个像素的量子效率不一，这种基底（也叫“平场”）的不均匀性会造成成像失真。因此观测天体之后通常要测定平场，即利用一均匀光源照射或对天空背景进行单独观测，存储其图像，然后在资料处理中加以扣除（天体的图像除以平场）。3.ST-型CCD性能简介ST-9XE型CCD是美国SBIG（SantaBarbaraInstrumentGroup）公司生产的系列CCD中较新型的一种，广泛用于行星、暗弱面天体、变星、双星等的观测。CCD与计算机共同组成一个探测器接收与处理系统。示意图如图sh16.3所示。5图sh16.3CCD与计算机共同组成的一个探

7、测器接收与处理系统示意图(1)系统有两块CCD，较小的用于跟踪导星（TrackingCCD），较大的用于成像（ImagingCCD）。这使ST-9XE具有自导星（SelfGuiding）功能，并适用于暗弱天体及需要较长曝光时间的观测项目。(2)系统采用半导体制冷，制冷温度可达到比环境温度低45℃。(3)每个像素点（Pixel）的大小为20μm×20μm，使分辨率达到1.03"/Pixel（未考虑望远镜的因素）。(4)采用高速USB接口，一幅满帧图像(包括数字化和下载)下载速度<1秒。ST-9XECCD照相机（Camera）性能CCD型号靶面大小靶面对