MATLAB的EMCCD彩色夜视生成算法研究(2)
6.3 几种融合算法实现及对比20
7 展望30
结论31
致谢32
参考文献33
1 绪论
1.1 EMCCD简介
在军事、天文、生物等很多领域都需要实现对极弱光信号的探测成像，随着半导体技术的不断发展，用于微光探测的传感器也在一代一代地发展，最初的一系列真空光电器件，比如像增强CCD(ICCD)、背照明CCD( BCCD)，尽管这些器件工作性能已经很完美，但是其增益机制而阻碍了它们发展。随之电子倍增CCD(EMCCD)的出现使得微光成像器件实现了从真空到全固态器件的本质性跨越。
早在1992年Hynecek就提出了在电荷读出转移的过程中进行电荷载流子的倍增。Andor Technology Ltd.在2001年发布的iXon系列相机上首次采用了EMCCD技术，相比以往的CCD技术，EMCCD技术的特别之处在于它在其读出寄存器之后又增加了一串增益寄存器，该增益寄存器的作用是使微弱的电荷信号在被读出前获得充分的增大，从而能克服读出寄存器的噪声被系统检测出来。
在现代半导体工艺技术的支持下，EMCCD技术的实现是通过增益寄存器中两个电极之间的高电压差使得载流子在转移过程中发生极速的碰撞电离，从而获得电荷载流子的倍增，当这个增益过程被重复很多次后就能使原本微弱的信号电荷得到显著的放大。
正是由于EMCCD这种内嵌的全固态电荷倍增结构，使得它不但能达到同电子轰击CCD和像增强CCD一样的灵敏度，而且在分辨力、动态范围、读出速率和噪声性能等方面都优胜于它们。EMCCD能够抵制ICCD探测微弱信号时产生的较大背景噪声，实现微弱信号的实时动态探测，探测灵敏度达到单光子事件的检测[1]。然而EMCCD无法完全替代ICCD的地方在于它没有纳秒或皮秒量级的电子快门，以至于在高时间分辨的动态测量领域仍略逊ICCD一筹。
1.2 EMCCD的研究意义和应用
EMCCD技术，被称作“片上增益[2]”技术，它通过碰撞电离实现对极微弱光信号的探测。不言而喻，其探测微弱光信号的独特优势使得它能够广泛应用于需要探测微弱光信号的各个领域，例如在军事领域里用于军事侦察的夜视仪，航天领域里的天文观测和卫星遥感，生物领域里的超弱光生物成像，国民经济领域里的医学成像，X射线探测，水下探测，复杂仪器的内部探测等等。
EMCCD技术是目前CCD技术里在天文，物理，航天等多个行业都备受肯定且应用前景广泛的技术，国内外都在积极地开展对EMCCD的研究和应用。
国际上掌握EMCCD核心技术的公司当属英国的E2V和美国德克萨斯仪器（TI）,L3 Vision系列 CCD芯片是英国 E2 V最新EMCCD芯片，TI销售的则是 Impactron系列的EMCCD芯片，这两家公司都能实现EMCCD倍增增益的调整，而在噪声控制和处理速度上各有千秋。国外已经有几十家公司能够生产EMCCD相机，实现光子级计数，例如日本滨松公司的ImagEM系列EMCCD相机。同时，国外对EMCCD的微光应用也展开了大量的理论研究，例如对EMCCD 与 常规 CCD、ICCD、SCMOS、红外器件的性能对比研究[3~5]；基于EMCCD的图像几何校正[6]、EMCCD最佳倍增增益选择[7]、光子计数法[8]等理论研究；通过稀疏采样获得EMCCD微光彩色图像的研究[9]等等。
目前，国内的许多高校和研究单位都展开了对EMCCD的探究。上海技术物理研究所谢宗宝等人设计的由隔离推挽的图腾柱和可调电源组成的驱动电路证明可实现增益可调[10~11]。国内对EMCCD的研究一般集中在EMCCD的工作原理，噪声特性以及整机研制等方面，与发达国家相比仍处在研究的初级阶段，需要进一步的研究与开发应用。
1.3 彩色夜视技术的发展及研究意义