1、實驗九 CCD性能指標的測試實驗目的：觀測在不同溫度、不同曝光時間下CCD暗流的變化。使用儀器：ST-9CCD、計算機。實驗原理：一、CCD 成像原理1CCD是電耦合器件組成電荷耦合器件的基本元件(光敏元件)是電荷貯存電容器。它與電子線路中的金屬氧化物半導體電容器(MOS)電路非常相似，見圖sh16.1。MOS是由金屬、氧化層（絕緣層）、P型半導體三層材料組成的器件。電偶合器件的基本單元內金屬層做成電極，在P型半導體上加上正電壓（VG）并達到某個特定值（Vh）后，在半導體層內會形成一個電荷貯存區（也叫位阱），這時，如有光照，則該區內會有電荷積累，且其電荷數量與光輻射強度成正比。每一個電荷貯存電

2、容器中電荷貯存區所積累的電荷，與相應像元的光強相對應成正比，那么所有元件電荷貯存的分布情況便對應于觀測對像的一個二維電子潛像。圖sh16.1 MOS的三層結構2CCD的信號讀出如何將二維電子潛像讀出并重建觀測圖像呢？在CCD器件中信息的讀出是采用了一種電荷耦合的方法。假定圖sh16.1是CCD器件中某列的一組MOS管，在該圖所示的偏壓情況下，MOS管處于工作狀態。但因第二個電極上電壓為+10V，無疑該電極下的表面位阱的深度要遠遠大于其它電極，光生電荷（電子）將被儲存在這一深位阱之中圖sh16.2（a）。但是，若我們把第三個電極電壓由2V增加到10V圖sh16.2（b），那么其電極下的表面位阱的

3、深度就會和第二電極下的位阱一樣，并且由于相距很近使兩個位阱相互耦合貫通，這樣，第二電極位阱中的電荷就會流向第三電極的位阱，見圖sh16.2（c）。如果此時把第二極的偏壓由10V降到2V，那么所有信號電荷就會完全轉移重疊在第三電極下的深位阱之中圖sh16.2(d)。這樣，連續改變電極的電壓，就可以把信號電荷包連續傳遞下去，直到輸出電極被讀出并放大記錄下來。這種電荷耦合輸送效率很高，一般CCD的輸送效率可以達到99.999。每一個光敏元件稱為一個像素，它是成像的基本單元，其面積可以做到15m×15m 。例如一個576×384像素的CCD其成像面積相當于13.25 mm×

4、;8.83mm。圖sh16.2 ccd器件中某列的一組MOS管及電荷耦合輸送原理二、 CCD的性能指標CCD性能優良，這主要表現在：1量子效率高這是它最大的優點，平均量子效率為3050，最高可達90，大約是一般照相底片的100倍。2分光相應范圍寬CCD的分光響應范圍為4001100nm，比一般照相乳劑的靈敏波段范圍（350700nm）向近紅外波段延展了很多。3線性好成像強度與入射光流量成正比，而且有很好的線性關系。4動態范圍寬CCD動態范圍是指可探測的最暗星與最亮星的星等差。CCD的動態范圍可達105，遠遠優于底片。5分辨本領高像素的尺度越小分辨率越高。目前生產的CCD其像素尺度為925m ，

5、這與細顆粒的底片分辨本領相當。CCD使用中也存在一些需要注意解決的問題和困難：1CCD成像面積越大制造上越困難；采用小面積拼接的辦法也需要尖端技術的支持。2在不露光的情況下，由于柵偏壓而引起的電子潛像也存在，叫零秒露光，也稱做Bais(基底)。在CCD的觀測資料處理中要扣除Bais。3CCD與光電倍增管一樣也有暗流，即在無光照時也有輸出。暗流隨溫度而改變，一般每降低57，暗流就減小一半。所以應將器件冷卻到足夠低的溫度。專業應用的CCD常用液氮（裝在杜瓦瓶內）制冷，使其溫度低于 -110；業余觀測使用的CCD系統，多采用半導體制冷。觀測時需要單獨測定暗流，并在資料處理中加以扣除。4CCD器件各個

6、像素的量子效率不一，這種基底（也叫“平場”）的不均勻性會造成成像失真。因此觀測天體之后通常要測定平場，即利用一均勻光源照射或對天空背景進行單獨觀測，存儲其圖像，然后在資料處理中加以扣除（天體的圖像除以平場）。3. ST-型CCD性能簡介ST-9XE型CCD是美國SBIG（Santa Barbara Instrument Group）公司生產的系列CCD中較新型的一種，廣泛用于行星、暗弱面天體、變星、雙星等的觀測。CCD與計算機共同組成一個探測器接收與處理系統。示意圖如圖sh16.3所示。圖sh16.3 CCD與計算機共同組成的一個探測器接收與處理系統示意圖(1) 系統有兩塊CCD，較小的用于跟

7、蹤導星（Tracking CCD），較大的用于成像（Imaging CCD）。這使ST-9XE具有自導星（Self Guiding）功能，并適用于暗弱天體及需要較長曝光時間的觀測項目。(2) 系統采用半導體制冷，制冷溫度可達到比環境溫度低45。(3) 每個像素點（Pixel）的大小為20m×20m，使分辨率達到1.03"/ Pixel（未考慮望遠鏡的因素）。(4) 采用高速USB接口，一幅滿幀圖像(包括數字化和下載)下載速度< 1 秒。 ST-9XE CCD照相機（Camera）性能CCD型號靶面大小靶面對角線尺寸像素數量像素點大小視場大小(F/10)KAF-0261

8、E10.2mm×10.2mm14.4mm512×51220m×20m17.6'×17.6' CCD控制軟件CCDops，它具有一般CCD圖像處理的功能。 4.ST-9XE CCD性能測試內容及所需設備此實驗可在白天進行，所需設備：CCD、計算機、望遠鏡。內容主要包括對CCD的本底（Bias）、暗流（Dark）、平場（Flat）的拍攝和處理。觀察在不同溫度下以上各項的變化，了解為什么要對CCD圖像進行上述的各種處理。三、實驗步驟本實驗主要是對暗流的拍攝和分析。步驟一：將CCD與計算機連接，即將CCD連線連接在計算機的USB口上。注意：要在C

9、CD和計算機均不加電的情況下進行連接。步驟二：給CCD和計算機加電，啟動CCD和計算機（CCD本身沒有電源開關，電源開關在變壓器上）。注意：要將CCD放在一個平穩的地方，CCD風扇不能被擋住，不要打開CCD的鏡頭蓋，也不要將CCD裝到望遠鏡上。步驟三：啟動CCDops for Windows 軟件。該軟件在啟動時，自動檢測CCD并進行軟件連接，如無法建立連接，請關閉計算機，并檢查連線的連接及CCD是否已加電啟動。步驟四：啟動CCD制冷裝置(1) 在CCDops環境下，鼠標單擊“Camera”菜單項，在該項下拉菜單中選擇“setup”項，出現CCD設置對話框，如圖sh16.4所示。圖sh16.4

10、 CCD設置對話框(2)“Temperature regulation”列表框中有兩個選項：“off”關閉制冷系統；“Active”打開制冷系統。注意：每次開始使用CCD時應首先打開制冷系統。停止使用CCD，關閉退出CCDops前必須先關閉制冷系統。(3)“setpoint”正文框內輸入所需的最低溫度（最低只能比環境溫度低3040），單擊“ok”按鈕，即可啟動CCD制冷系統。此時，在CCDops窗口下方的“Temp” 提示框內顯示出當前CCD的工作溫度。 步驟五：拍暗流（Dark）在相同的溫度下，用不同的時間拍暗流（如30s、60s、120s），用相同的曝光時間，改變溫度拍攝暗流。并將拍攝的圖

11、像分別存儲在硬盤上，可供以后處理資料時選用。方法如下：(1) 單擊“Camera”菜單項，選擇“Grab”選項，出現“Grab”對話框，如圖sh16.5所示。圖sh16.5 “Grab”對話框(2) 在“Exposure time”正文框中，可設置曝光時間，以秒為單位，最短為0.12s。(3) “Dark frame”列表框中有三個選項：“Only”為僅拍攝暗流（本實驗選此項），“Also”為用相同曝光時間先拍暗流，再拍天體圖像，“None”只拍攝天體圖像。(4) “Image size”列表框有三個選項：“Full”表示滿屏拍攝512×512 pixel； “Half” 表示拍中心

12、區域1/2×1/2大小；“Quarter” 表示拍中心區域1/4×1/4大小。其它選項用默認值，單擊“ok”按鈕，即開始曝光拍暗流。每拍完一幅，應用“File”菜單項下的“Save as”項保存此暗流圖像文件。 步驟六：比較分析暗流 (1) 在CCDops下，用“File”菜單項下的“open”選項打開一個已存好的暗流文件。(2) 用“Display”菜單項下的“Parameters”選項可彈出參數窗口，顯示當前文件的曝光時間、溫度、像素點大小和觀測者等信息。(3) 用“Display”菜單項下的“Show Crosshair”選項打開十字絲窗口，如圖sh16.6所示。此時鼠標指針變成十字絲狀，十字絲窗口顯示的是十字絲所指處的x、y坐標、亮度值（Value, ADU為單位）、小方框內的平均亮度(AvgVal)和噪音（Noise）。圖sh16.6十字絲窗口(4) 用“Display”菜單項下的“Hide Histogram”選項打開柱狀圖窗口，其中