基于电子倍增CCD的夜视图像重建算法(3)
到的光学影像信号转化成相应的电信号。该电信号经过放大和模数转换，实现了图像
的获取和传输。CCD 具有 1）体积下，重量轻 2）功耗小、工作电压低、性能稳定、
寿命长 3）灵敏度高、噪声低、动态范围大等优点[5]
，因此广泛应用于数字图像采集
（数码照相机、摄像机和扫描仪）以及天文学等领域。但是，当在低照度的条件下采
集图像时，CCD 的性能明显下降。由于低照度环境中射入探测器的光子数很少，因此
CCD 输出信号的信噪比低，图像退化严重，甚至无法正常使用。
为了解决在低照度环境下采集高信噪比图像的问题，美国 Texas Instrument 公
司研发出电子倍增 CCD ( Electron Multiplying CCD，EMCCD ) [6]
。 EMCCD 自带的
倍增寄存器，使得采集到的微小信号在转移的过程中实现片上增益，从而克服转移过
程中的噪声， 它的面世使微光成像技术从真空电子图像增强进入到全固态图像增强时
代。
2.1 EMCCD 的结构以及工作原理
EMCCD 能够完成信号转移过程中的增益得益于它巧妙的结构设计。下面将详细介绍 EMCCD 的结构和相应的工作原理。
现生产的 EMCCD 以帧转移结构为主。主要包括成像区、存储区和读出放大器三部
分。EMCCD 通过在读出寄存器和读出放大器之间加入多级的增益寄存器来实现片上增
益[8]
，如图 1 所示。 在 EMCCD 读出信号通过增益寄存器的过程中，在图 2 所示结构中的ଶ电极上施加
比水平转移电压高很多的倍增电压。 信号电荷在该电压的作用下加速运动并发生碰撞
电离，单级倍增寄存器的增益为 g=1+r，其中 r 是单级倍增寄存器的增益因子。在 N
级增益寄存器级联后的输出总增益（M）可以表示为
ܯሺݎሻ ൌሺ1ݎሻே
由上式可以看出输出总增益随单级放大率成指数形式倍增。目前市场上常见
EMCCD 的增益寄存器级数均在 400 级以上[8]
。所以，EMCCD 能够很好的放大采集到的
微弱信号，从而提高最终输出信号的信噪比。 2.2 EMCCD 的噪声特性
EMCCD 在成功对微弱信号进行放大的同时也不可避免的在输出信号中加入了噪声。
2.2 节将详细分析 EMCCD 成像过程中的各种噪声[7][9]
并对相应的产生过程建立数学模
型，最终导出 EMCCD 总噪声公式，为下文的图像去噪提供理论根据。
光子散粒噪声
光子入射成像区的过程可以看作独立均匀发生的连续随机过程。单位时间产生的
信号电荷在某个平均值附近波动，形成光子散粒噪声。该噪声服从泊松分布，即
σP ൌ ඥPη
暗电流噪声
理想情况下，当 EMCCD 镜头遮光，没有外界光子入射时，理论输出信号为零。但
是由于热生载流子的存在，即使 EMCCD 在全暗的条件下工作仍存在输出电流，该电流
噪声被称作暗电流噪声。暗电流噪声是 CCD 的一个重要参数。
时钟感生电荷
时钟感生电荷（CIC）是信号电荷在转移过程中碰撞电离产生的，在电子倍增 CCD
中尤其明显。 电子倍增 CCD 的高增益特性会使产生的时钟感生电荷放大成明显的尖峰。
读出噪声
读出噪声是由输出放大器和后续处理电路产生的，包括复位噪声和 1/f 噪声。
过剩噪声因子
过剩噪声因子是 EMCCD 成像系统的一个重要参数。它描述了信号电荷在随机倍增
的过程中产生的噪声。过剩噪声因子可被定义为 式中，F 表示过剩噪声因子，M 为 EMCCD 增益，ߪ
ଶ 和ߪ௨௧