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 sh16.1MOS 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（V G）并达到某个特定值（V h）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 sh16.1 MOS 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 13.25 mm×8.83mm2图 sh16.2 ccd 器件中某列的一组 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 9～25μm ，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 Bais3．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，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（Santa Barbara Instrument Group）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3图 sh16.3 CCD 与计算机共同组成的一个探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（Tracking CCD） ，较大的用于成像（Imaging CCD） 这使 ST-9XE 具有自导星（Self Guiding）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-9XE CCD 照相机（Camera）性能CCD 型号 靶面大小 靶面对角线尺寸 像素数量 像素点大小 视场大小(F/10)KAF-0261E 10.2mm×10.2mm 14.4mm 512×512 20μm×20μm 17.6'×17.6'CCD 控制软件 CCDops，它具有一般 CCD 图像处理的功能。
4.ST-9XE CCD 性能测试内容及所需设备此实验可在白天进行，所需设备：CCD、计算机、望远镜内容主要包括对 CCD 的本底（Bias） 、暗流（Dark） 、平场（Flat）的拍摄和处理观察在不同温度下以上各项的变化，了解为什么要对 CCD 图像进行上述的各种处理三、实验步骤本实验主要是对暗流的拍摄和分析步骤一：将 CCD 与计算机连接，即将 CCD 连线连接在计算机的 USB 口上注意：要在 CCD 和计算机均不加电的情况下进行连接步骤二：给 CCD 和计算机加电，启动 CCD 和计算机（CCD 本身没有电源开关，电源开关在变压器上） 注意：要将 CCD 放在一个平稳的地方，CCD 风扇不能被挡住，不要打开 CCD 的镜头盖，也不要将 CCD 装到望远镜上步骤三：启动 CCDops for Windows 软件该软件在启动时，自动检测 CCD 并进行软件连接，如无法建立连接，请关闭计算机，并检查连线的连接及 CCD 是否已加电启动步骤四：启动 CCD 制冷装置(1) 在 CCDops 环境下，鼠标单击“Camera”菜单项，在该项下拉菜单中选择4“setup”项，出现 CCD 设置对话框，如图 sh16.4 所示。
图 sh16.4 CCD 设置对话框(2)“Temperature regulation”列表框中有两个选项：“off”——关闭制冷系统；“Active”——打开制冷系统注意：每次开始使用 CCD 时应首先打开制冷系统停止使用 CCD，关闭退出 CCDops 前必须先关闭制冷系统3)“setpoint”正文框内输入所需的最低温度（最低只能比环境温度低 30～40℃） ，单击“ok”按钮，即可启动 CCD 制冷系统此时，在 CCDops 窗口下方的“Temp……” 提示框内显示出当前 CCD 的工作温度步骤五：拍暗流（Dark）在相同的温度下，用不同的时间拍暗流（如 30s、60s、120s） ，用相同的曝光时间，改变温度拍摄暗流并将拍摄的图像分别存储在硬盘上，可供以后处理资料时选用方法如下：(1)单击“Camera”菜单项，选择“Grab”选项，出现“Grab”对话框，如图 sh16.5所示图 sh16.5 “Grab”对话框(2)在“Exposure time”正文框中，可设置曝光时间，以秒为单位，最短为 0.12s3)“Dark frame”列表框中有三个选项：“Only”为仅拍摄暗流（本实验选此项） ，“Also”为用相同曝光时间先拍暗流，再拍天体图像， “None”只拍摄天体图像。
4)“Image size”列表框有三个选项：“Full”表示满屏拍摄 512×512 pixel； “Half” 表示拍中心区域 1/2×1/2 大小；“Quarter” 表示拍中心区域 1/4×1/4 大小其它选项用默认值，单击“ok”按钮，即开始曝光拍暗流每拍完一幅，应用“File”菜单项下的“Save as”项保存此暗流图像文件步骤六：比较分析暗流 (1) 在 CCDops 下，用“File”菜单项下的“open”选项打开一个已存好的暗流文件2) 用“Display”菜单项下的“Parameters”选项可弹出参数窗口，显示当前文件的曝光时间、温度、像素点大小和观测者等信息5(3) 用“Display”菜单项下的“Show Crosshair”选项打开十字丝窗口，如图sh16.6 所示此时鼠标指针变成十字丝状，十字丝窗口显示的是十字丝所指处的 x、 y 坐标、亮度值（Value, ADU 为单位） 、小方框内的平均亮度(AvgVal)和噪音（Noise） 图 sh16.6 十字丝窗口(4) 用“Display”菜单项下的“Hide Histogram”选项打开柱状图窗口，其中“Ave”显示的就是此幅暗流图像的平均值。
5) 将在相同温度下，不同曝光时间的暗流进行比较，画出以 ADU 为纵坐标，以曝光时间为横坐标的时变曲线图，看 ADU 随时间的变化6) 将在相同曝光时间下，不同温度的拍摄的暗流进行比较，画出以 ADU 为纵坐标，以为横坐标的温变曲线图，看 ADU 随时间的变化一般暗流的大小与温度和曝光时间成正比的图 sh16.7 暗流的时变曲线图(左)和温变曲线图(右)。