EBCMOS微光成像器件性能測試平臺的設計及研究

發(fā)布時間：2020-07-11 11:53

【摘要】：微光圖像數(shù)字化已成為微光夜視技術的主要發(fā)展方向之一,而電子轟擊型器件EBCMOS(Electron Bombardment Complementary Metal Oxide Semiconductor)在超弱星光或更低光照條件下也能完成對目標物體的清晰成像,同時其低噪聲以及納秒級門控帶來的時間和空間高分辨率等優(yōu)勢都是目前固體成像器件無法替代的。EBCMOS是一種新型的數(shù)字化微光成像器件,具有體積小、重量輕、高靈敏度以及超低照度下可工作等諸多優(yōu)勢,因此對電子轟擊型器件EBCMOS的研究成為了今后微光成像器件的主要發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)對EBCMOS微光成像器件的研究尚處于理論研究階段,且國內(nèi)有關其性能的測試平臺沒有相應的研究報道。為了展開對EBCMOS微光成像器件的相關研究,本文依據(jù)EBCMOS微光成像器件的工作原理構(gòu)建其性能測試平臺,設計性能提取電路的邏輯時序,進行真空電子轟擊實驗對其性能進行測試與驗證,實現(xiàn)器件性能的數(shù)字化描述。為了完成以上研究工作,本文圍繞電子倍增機理、性能提取電路及邏輯時序設計、真空電子轟擊實驗等關鍵技術展開研究,主要分為以下三個部分:第一部分:從半導體電子倍增層中電子倍增機理出發(fā),依據(jù)低能電子與固體間相互作用模型結(jié)合Monte-Carlo模擬方法,研究EBCMOS不同表面氧化層厚度對入射光電子能量損失的影響;模擬研究入射光電子在倍增層處的電子運動軌跡,并依此分析倍增區(qū)內(nèi)倍增電子的分布情況;模擬研究電荷收集效率隨倍增層指數(shù)摻雜結(jié)構(gòu)變化時的情況,理論優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)電荷收集效率可達92%。同時對EBCMOS電子倍增層的背減薄處理工藝展開研究,這為EBCMOS微光成像器件性能測試平臺的研究提供了堅實的理論與技術基礎。第二部分:對EBCMOS微光成像器件的性能提取電路展開研究,設計并制作以FPGA為控制器的性能提取電路硬件系統(tǒng)—圖像傳感器模塊、信號接收與處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及VGA顯示模塊四部分組成;在此基礎上,針對EBCMOS微光成像器件設計獨有的邏輯時序,完成模擬圖像到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換過程,探究EBCMOS微光成像器件性能數(shù)字化描述的實現(xiàn)方法。第三部分:構(gòu)建EBCMOS微光成像器件性能測試平臺,進行真空電子轟擊實驗,完成器件性能提取電路的驗證性實驗及相關性能參數(shù)的測試;根據(jù)真空電子轟擊實驗測試結(jié)果,優(yōu)化并校正其性能提取電路的邏輯時序設計,實現(xiàn)對EBCMOS微光成像器件性能的數(shù)字化描述,并獲取到符合預期的圖像信息,進而為EBCMOS微光成像器件的性能表征提供理論與技術支撐。本文的研究成果希望可以為EBCMOS微光成像器件性能測試的相關研究提供一些參考和幫助。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN22
【圖文】：

微光成像,適應范圍,照度,器件

中表現(xiàn)出重要作用，從而吸引了人們的關注。目前，實現(xiàn)微光數(shù)字化的：低照度 CCD/CMOS[6,7]、背照式 CMOS/CCD[8]、電子倍增型 CCD（Etron Multiplying CCD）[9,10]、像增強型 CCD（ICCD—Intensified CCD）[11型 CCD/CMOS（EBCCD/EBCMOS[13-15]）等。圖 1.1 中給出了幾種主要的極限工作照度適應范圍，由圖中可知，在超弱星光甚至更低照度的環(huán)子轟擊式器件（EBCCD/CMOS）的性能能夠完成對目標的清晰觀察。此以及納秒級門控所帶來的時間和空間的高分辨率等都是不能夠被目前固替代的。

原理圖,圖像傳感器,原理

圖 1.1 不同微光成像器件的照度適應范圍[1]1）低照度 CCD/CMOS成本、低功耗、小體積的固體微光器件是未來發(fā)展的方向，CCD 及 CM具有不同的圖像信號讀取方式[16]。CCD 圖像傳感器（見圖 1.2）可直接學信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對圖像存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。從實現(xiàn)功能上，CCD 傳感器陣列又可以分為線 CCD。通常線陣 CCD 是將 CCD 內(nèi)部的電極分成數(shù)組（每組稱為一相）施加同樣的時鐘脈沖信號；CCD 芯片所需相數(shù)是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，陣 CCD 可以滿足不同的應用場合要求。相對線陣 CCD 而言，面陣 CCD，它是將不同的方陣結(jié)構(gòu)以一定的形式連接成一個整體，其中每個方陣區(qū)排列組成的，從而獲取大量的光照信息，同時能夠?qū)崿F(xiàn)復雜圖像的處

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