光子探测器CCD介绍-光子探测器有哪些

电荷耦合器件（CCD）是一种高灵敏度的光子探测器。CCD分为许多光敏小区域（称为像素），可用于构建感兴趣场景的图像。落在由一个像素定义的区域内的光子将转换为一个（或多个）电子，并且收集的电子数量将与每个像素处的场景强度成正比。CCD移出时，可以测量每个像素中的电子数量，并且可以重建场景。

此处的图片显示了“典型” CCD。CCD本身主要由硅制成，并且结构已更改，因此某些硅原子已被杂质原子取代。

CCD行为的某些方面

量子效率

实际上，并不是每个落在检测器上的光子都会被检测到并转化为电脉冲。实际检测到的光子百分比称为量子效率（QE）。例如，人眼的QE约为20％，照相胶片的QE约为10％，最好的CCD可以达到80％以上的QE。量子效率将随波长而变化。

波长范围

CCD可以具有约400nm（蓝色）至约1050nm（红外）的宽波长范围，峰值灵敏度约为700nm。但是，通过使用所谓的“变薄”（backthinning）工艺，可以将CCD的波长范围向下扩展到更短的波长，例如Extreme UV和X射线。

动态范围

在同一幅图像中正确查看明亮和暗淡光源的能力是检测器的一项非常有用的属性。检测器可以在同一图像中准确看到的最亮光源和最暗光源之间的差异称为动态范围。当光落到CCD上时，光子被转换成电子。因此，通常根据可成像电子的最小和最大数目来讨论CCD的动态范围。随着越来越多的光落到CCD上，越来越多的电子被收集在势阱中，最终在势阱中将不再容纳更多的电子，因此像素被称为饱和。对于典型的科学CCD，这可能发生在大约150,000个电子左右。可以检测到的最小信号不一定是一个电子（对应于可见波长的一个光子）。实际上，存在与CCD的物理结构相关的最小数量的电子噪声，通常每个像素大约有2-4个电子。因此，可以通过该读出噪声确定可以检测到的最小信号。

在上面的示例中，CCD的动态范围为150,000：4（采用较高的噪声级别）。但是-此动态范围还取决于电子设备能否完全数字化所有此动态范围的能力（有关电子分辨率的讨论，请参阅更详细的CCD信息）。

线性度

总体而言，眼睛不是线性检测器（强度变化很小时除外），并且具有对数响应。检测器中的一个重要考虑因素是其对所查看图像的线性响应能力。我们的意思是，如果它检测到100个光子，它将把它们转换成100个电子（如果我们有100％的QE），如果它检测到10000个光子，它将把它们转换成10000个电子。在这种情况下，我们说检测器具有线性响应。这样的响应显然非常有用，因为不需要对图像进行任何其他处理来确定图像中不同对象的“真实”强度。

噪声

CCD性能的最重要方面之一是其噪声响应。CCD的噪声性能有很多贡献，以下简要列出了这些贡献：

暗电流-即热产生的噪声。在室温下，CCD的噪声性能可能高达每像素每秒数千个电子。因此，在几秒钟内将达到每个像素的全部阱容量，并且CCD将饱和。暗电流可以通过冷却大大降低。例如，CCD的噪声性能可以从室温下的数千个电子降低到-40摄氏度时每像素每秒仅数十个电子。通过冷却到低于约-70摄氏度的温度，暗电流实际上可以消除（基本上每像素每秒少于一个电子）。减少噪声的第二种方法是略微改变CCD处理技术，以产生多针相（MPP）CCD。

读出噪声-CCD的最终噪声极限是读出噪声。读出噪声源于每个像素中电子的转换到CCD输出节点上的电压（典型值约为每个电子4µV）。此噪声的大小取决于输出节点的大小。为了降低CCD的读出噪声，已经进行了大量的努力，因为该噪声值最终将决定动态范围，并且应尽可能地低，特别是在检测非常微弱的源时，例如在X射线能量下检测光子，例如在XMM-Newton任务中。现在，许多CCD的噪声值通常为2-3电子均方根（均方根），但一些公司最近宣称其噪声分辨率低于1电子均方根。

当CCD用作天文成像照相机的一部分时，还必须包括其他噪声源，例如图像本身上存在的随机（散粒）噪声以及照相机电子设备引入的噪声。但是，这些噪声源在其他地方进行了讨论。

功率

CCD本身消耗很少的功率。积分期间，只有很小的电流流过，而CCD仅消耗50mW左右。虽然CCD时钟输出，但可以消耗更多的功率，但是通常只有几瓦左右。当然，操作CCD和处理图像所需的电子设备会消耗更多的功率。