本文提出自适应光学成像系统中哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法，以使哈特曼波前探测器保持较高的信噪比同时避免亮度过饱和。利用亮度接近哈特曼饱和值的光源作为被观测目标，探测到的光斑阵列中有一个最高亮度值Im，统计200帧～500帧中的Im，计算其相对统计帧数的均值I-m、Im相对I-m的均方差值σm; 设定理想最高亮度值I-ms比饱和亮度低3.0σm～3.2σm; 再将光斑的亮度最大值相对一帧阵列中的光斑数计算平均值记为Ia，实时监测Ia; 依据信号强度I与增益G的线性关系，事先测得哈特曼波前探测器的技术特征参数ka、km和理想最高亮度值I-ms，即可以由当前帧探测数据Ia和增益Ga计算得到所需调整的增益值Gms。

讨论了在复杂背景条件下采用EMCCD实现光子计数成像的处理策略，提出了一种双重阈值滤波方法并通过实验验证了其有效性。根据EMCCD的成像模型，将EMCCD的输出图像表示为光子事件、偏置噪声和伪光子噪声事件的集合。通过采集多幅EMCCD的输出图像，将光子事件检测问题转化为标准的二元假设检测问题。利用贝叶斯判决，可以得到光子事件检测的最佳检测法则，使光子事件的误判代价达到最小，从而检测出光子事件及其空间分布特征。通过实验对比可以发现：提出的方法明显优于普通的累加积分方法，适合生物微光检测等超低照度条件下的成像领域。

论述了一种基于1 024 pixel×1 024 pixel电子倍增(EM)CCD图像传感器(CCD201)的数字化相机设计方法。利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)产生CCD逻辑时序及视频同步处理控制时序; 采用集成器件与分立器件相结合的方式实现EMCCD垂直驱动时序, 获得视频信号; 使用带有相关双采样(CDS)功能的16位模数转换器对CCD视频信号进行数字化。介绍了时序控制、驱动电路、视频处理电路等关键组成部分的技术实现方法。实验结果显示, 数字化相机前端能够连续输出16位数字图像数据, 光动态范围大于70 dB, 电子增益采用程控方式, 增益倍数最高能够大于50 dB。该设计方法已成功应用于远程EMCCD图像采集系统中, 设计的系统能够在微光成像及辐射场诊断中应用。

介绍EMCCD 的增益原理，分析了EMCCD 各种噪声的产生机理及相应的抑制方法，并推导出总信比噪模型，从该信噪比模型得出EMCCD 相机的电子倍增过程大大削弱了读出噪声对探测灵敏度的影响；同时为保护电子倍增结构，在满足应用要求的前提下应尽量降低倍增增益；最后通过计算不同工作模式下CCD60 的暗电流噪声和CIC 噪声总和并以此为判断依据，得出CCD60 应工作在反转模式才能得到最小的总噪声，对指导EMCCD硬件设计和应用具有重要意义。

高分辨率光电探测相机探测能力的提高受杂散光的限制, 杂散光在很大程度上决定了探测能力的底限。由于光学系统的杂散光受到诸多因素影响, 必须在最终指标上进行测试, 如: 点源透射率(PST), 用于全系统性能指标控制。利用星模拟器超大动态范围的光辐射输出, 设计了一台光学系统杂散光PST测试设备, 解决了单个探测器动态范围无法覆盖108的问题; 在一定信噪比下, 分析了电子倍增CCD杂散光PST测试能力。经分析杂散光PST测试范围可达到10-2～10-8, 满足高分辨率光电探测相机杂散光测试的要求。

针对导航领域对星相机的性能要求，通过在星相机中应用新型的电子倍增CCD(EMCCD)，设计一种探测能力强、数据更新快的成像系统。说明了EMCCD工作原理，分析了EMCCD信噪比，介绍了基于TC285电子倍增CCD的星相机的设计方案，给出了CCD驱动电路、视频信号处理电路以及时序控制器的设计。用模拟拍星实验和实际拍星实验验证了所设计的相机的性能，同时对相机的应用进行了初步分析。通过分析实验图像的信噪比说明了设计的星相机具备在积分时间8 ms以内探测6等星的能力，且其图像数据更新频率可达10 frame/s，满足用短积分时间进行快速星光成像的要求。

介绍了EMCCD的结构原理,详细分析了EMCCD的噪声来源。利用在EMCCD芯片内嵌入独特的全固态电子倍增结构，实现放大信号，抑制噪声的功能。通过对几种主要噪声的数学模型进行分析，总结出EMCCD噪声的3点特性：EM增益有效抑制了读出噪声；EM增益过程产生的噪声因子对倍增结构之前的噪声有放大作用；时钟感生电荷（CIC）的影响在EMCCD中变得重要。提高增益、深度制冷、时钟波形优化等方法可有效抑制噪声。

讨论了电子倍增CCD的噪音组成及各自的产生机理，在此基础上建立了电子倍增CCD的总噪音理论模型.按照信号倍增过程的随机性，推导了电子倍增CCD的过剩噪音因子并求出了增益趋向无穷大时的极限值.对电子倍增CCD相机进行了噪音测试，采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图.根据增益和噪音电压的函数曲线，结合理论模型对不同增益下的噪音组成进行了定性分析.结果表明：低增益时，电子倍增CCD主要受限于读出噪音，高增益时则为暗电流噪音和时钟感生电荷.

为了抑制电子倍增CCD的表面暗电流,运用Shockley-Read-Hall理论解释了表面暗电流的产生过程,通过曲线拟合建立了表面暗电流的理论模型,定量分析了电子倍增CCD从反转模式切换到非反转模式后表面暗电流的恢复特征时间。根据这一时间特性提出了周期反转模式的概念,在信号积分期里对成像区时钟进行调制,加入周期反转脉冲,使器件以小于表面暗电流恢复特征时间的周期在反转与非反转模式之间切换。仿真结果表明,随着周期反转频率的提高,表面暗电流明显减小。当时钟周期为0.2 ms时,平均表面暗电流降低到0.051 nA/cm2,接近反转模式的水平,与理论分析完全一致,验证了周期反转模式的可行性。

建立了电子倍增CCD的载流子倍增寄存器的电荷倍增模型,分析了电子倍增CCD的结构特征和载流子倍增寄存器的工作原理及其电荷倍增特性。利用Z域分析方法得到载流子倍增寄存器的电荷倍增传递函数及其幅频响应。计算表明,提高载流子倍增寄存器的电荷倍增系数可以提高电子倍增CCD的幅频响应。同时,用增益起伏因子来分析载流子倍增寄存器的增益起伏特性,得到了电荷倍增率,寄存器级数与增益起伏因子的数值关系。在寄存器级数N=400条件下,当电荷倍增系数α≤0.15时,增益起伏因子随电荷倍增系数增大而增大;而当α≥0.15时,增益起伏因子随电荷倍增系数的增大而减小。通过典型的电子倍增CCD相机的实验验证了建立的模型。