Разработка телевизионного приёмника, использующего эффект внутреннего электронного умножения для повышения эффективности регистрации и исследований малофотонных изображений

• Автор: Казначеев, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА. 1. ФОТОННЫЙ ШУМ И РЕГИСТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
1.1. Основные статистические свойства фотонного шума
1.2. Моделирование малофотонных изображений
1.3. Выводы
ГЛАВА 2. ОБЗОР ВЫСОКОЧУВТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1. Основные виды высокочувствительных приёмников изображений
2.2. Проблемы использования лавинного умножения в полупроводниковых приёмниках изображений
2.3. Анализ характеристик приёмников изображений. Преимущества ПЗС матриц с внутренним электронным умножением (ЕМССБ)
2.4. Основные шумовые характеристики и параметры ЕМССБ матриц
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТВ-ПРИЁМНИКА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА БАЗЕ ПЗС МАТРИЦЫ С ВНУТРЕННИМ ЭЛЕКТРОННЫМ УМНОЖЕНИЕМ..
3.1. Выбор типа ЕМССБ приёмника
3.2. Управление ЕМССЭ матрицей
3.3. Средство управления ЕМССЭ матрицей - ПЛИС
3.4. Структурная схема макета ТВ-камеры
3.5. Разработка преобразователя сигнала управления внутренним электронным умножением
3.6. Электронные блоки и модули ТВ-камеры
3.7. Разработка печатных плат
3.8. Монтаж макетного образца ТВ-камеры
3.9. Структура охлаждаемого фотоприёмного устройства
3.10. Использование результатов разработки. Макет многоканальной ТВ-системы
3.11. Выводы
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОРОДНЫХ СВЕРХМАЛЫХ ФОТОННЫХ ПОТОКОВ
4.1. Задачи регистрации сверхмалых фотонных потоков
4.2. Величины и термины, характеризующие оптическое излучение
4.3 Методика формирования сверхмалых фотонных потоков для формирования малофотонных изображений
4.4 Установка для получения сверхмалых потоков излучения
4.5. Энергетический расчёт установки
4.6. Выводы
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
5.1. Задачи экспериментальных исследований
5.2. Подготовка к эксперименту
5.3. Результаты экспериментов
5.4 Особенности работы внутреннего электронного умножения при высоких значениях коэффициента умножения
5.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Развитие электронных устройств регистрации изображений сопровождается постоянным повышением чувствительности матричных приёмников к оптическому излучению.
Фундаментальным ограничением предельной чувствительности приёмников оптического излучения является фотонный шум, обусловленный квантовой природой оптического излучения. Одиночные приёмники оптического излучения, чувствительность которых позволяет получить электрический отклик при регистрации отдельных фотонов, существуют уже длительное время.
Однако создание телевизионных (ТВ) матричных приёмников изображения наталкивается на принципиальное ограничение, обусловленное процессом преобразования сигнальных зарядовых пакетов в напряжение и, в частности, собственными шумами преобразователя, которые получили название «шумы считывания». Поэтому возможность продвижения в область регистрации отдельных фотонов с помощью ПЗС приёмников требует поиска путей, позволяющих обойти это принципиальное ограничение.
Одним из путей указанной проблемы является использование ПЗС матричных приёмников с внутренним электронным умножением, позволяющим радикально увеличить сигнальный заряд ещё до процесса считывания, что в результате существенно повышает результирующие отношение сигнал-шум на выходе ПЗС матрицы.
В литературе ПЗС-матрицами с многокаскадным процессом внутреннего умножения фотоэлектронов закрепилось название «ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением» (electron multiplying CCD — EMCCD).
Появление ДЙ/ССО-приёмников позволяет перейти в область исследований процессов формирования изображений при столь низких уровнях освещённости, когда можно говорить об однофотонных и даже субфотонных потоках. При этом

Таб. 3.1 Назначение выводов ПЗС матрицы ССВ97.
1 - вывод терморезистора
2 АВИ потенциал электродов, перехватывающих растекающийся заряд при переполнении пикселей (антиблюминг)
3 103 четыре фазы сигналов, управляющих переносом зарядовых пакетов в области экспонирования

7 ОС потенциал затвора переноса заряда из регистра считывания в преобразователь заряд-напряжение
8 ОБИ выходной сигнал преобразователя заряда без предварительного умножения
9 £>£> потенциал защиты от переполнения в регистре считывания
10 1102 три фазы, управляющие переносом зарядовых пакетов в регистрах считывания и умножения

13 0Ш сигнал сброса преобразователя заряд - напряжение для вывода сигнала с умножением
14 55 потенциал подложки
15 ОБЬ выходной сигнал преобразователя умноженного заряда
16 ОБЬ потенциал питания выходного преобразователя умноженного заряда
17 Я02НУ фаза управления регистром умножения
18 КОС постоянный потенциал промежуточной фазы регистра умножения
19 55 потенциал подложки
20 п/с
21 коь потенциал стока транзистора сброса преобразователя для вывода сигнала с умножением
22 Бв сигнал очистки регистра умножения от остаточного заряда
23 0ИН сигнал сброса преобразователя заряд-напряжение для вывода сигнала без умножения
24 КОН потенциал стока транзистора сброса преобразователя для вывода сигнала без умножения
25 п/с
26 ООН потенциал питания выходного преобразователя заряд-напряжение без умножения
27 804 четыре фазы сигналов, управляющих переносом зарядовых пакетов в области хранения кадра

31 Ю потенциал входного затвора
32 - вывод терморезистора