CCD的結構參數(shù)及動態(tài)范圍

本文介紹了CCD的結構、工作參數(shù)和外部信號處理電路如何影響CCD成像硬件可以捕獲的最大亮度變化的。

我們已經(jīng)了解了動態(tài)范圍的一般概念，也知道了動態(tài)范圍作為成像系統(tǒng)中的性能規(guī)格。在本文中，我們將探討半導體和電路級的CCD動態(tài)范圍。我們將考慮以下問題：是什么決定了CCD及其相關信號處理電路所能記錄的亮度范圍？

最大信號和本底噪聲

在CCD中，輸入信號是電磁輻射，輸出信號是電荷包，其數(shù)量與該電磁輻射的強度相對應。

輸入信號的動態(tài)范圍本質上是無限的：亮度可以從零變化（這意味著完全沒有光子）到宇宙中最亮的物體產(chǎn)生的強度。但是，輸出信號的動態(tài)范圍是有限的。

由于噪聲，零亮度不會產(chǎn)生零電荷。由于具有完整的阱容量，亮度增加到某個點以上將不再產(chǎn)生相應的電荷增加。因此，CCD的動態(tài)范圍是滿阱容量與本底噪聲的比值，即像素可以產(chǎn)生的最大輸出信號電平除以即使像素沒有入射光也將產(chǎn)生的信號電平。

如果你一直在關注圖像傳感器技術，就會知道CCD中的主要噪聲源是暗噪聲，光子噪聲和讀取噪聲。但是，在計算動態(tài)范圍時，我們僅考慮暗噪聲和讀取噪聲。我發(fā)現(xiàn)有兩個原因：首先，光子噪聲不是CCD或隨附的讀出電路的特性-它是光的本質所固有的，并且在一個系統(tǒng)之間不存在差異。其次，光子噪聲不會影響最小的輸出信號電平，因為入射光為零時，光子噪聲也為零。這使我們得出以下公式：

其中NSATURATION是滿阱容量（即，輸出信號飽和的電子數(shù)），而NNOISE是暗噪聲和以電子RMS表示的讀取噪聲之和。如果你更喜歡使用分貝或止損而不是普通比率，則我們具有以下公式：

CCD的滿阱容量

影響滿阱容量的重要因素是像素的面積，或者如果只有一部分像素對光敏感的話，則是光電二極管的面積。較大的光敏元件對應于其中可以集成電荷的較大的硅部分。因此，我們可以通過增加像素大小來擴展動態(tài)范圍。鑒于在不改變傳感器的總面積的情況下，這樣做會導致分辨率降低，因此，如果要增加動態(tài)范圍并保持分辨率，則需要更大的傳感器。

物理上較大的光電二極管為光生自由電子的積累提供了更多空間。當前市場上的CCD在滿阱容量上具有廣泛的變化。例如，牛津儀器的器件范圍從25，000個電子（像素面積=100μm2，動態(tài)范圍=64dB）到510，000個電子（像素面積=676μm2，動態(tài)范圍=94dB）。

有效滿阱容量

工作條件可能會影響滿阱容量。例如，ONSemi公司的KAI-2020CCD的滿阱容量為20，000電子或40，000電子。實際的物理容量接近40，000電子，但是輸出放大器在40MHz的全讀出速度下無法處理40，000電子。因此，在計算動態(tài)范圍時，我們需要考慮有效的滿阱容量，而不是僅與像素的物理特性相對應的電子容量。同樣，KAI-2020光電二極管的有效滿阱容量取決于所施加的基板電壓。較低的基板電壓會產(chǎn)生較大的滿阱容量（因此會產(chǎn)生較大的動態(tài)范圍），但同時也會使傳感器更容易出現(xiàn)光暈。

動態(tài)范圍和模數(shù)轉換

盡管CCD的動態(tài)范圍取決于滿阱容量和噪聲，但我們必須記住，相機必須先對CCD的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，然后再對其進行處理。CCD信號通過ADC到達系統(tǒng)的其余部分，因此，我們需要確保模數(shù)轉換器提供足夠的動態(tài)范圍。

如果你花錢買了具有90dB動態(tài)范圍的高性能CCD，然后將其與8位ADC配對，則圖像數(shù)據(jù)的最終動態(tài)范圍就是ADC的動態(tài)范圍，只有8位分辨率，實際上約為48dB。你損失了42dB。幸運的是，從ADC獲得足夠的動態(tài)范圍通常不是主要挑戰(zhàn)。許多CCD的動態(tài)范圍約為60–70dB，你可以通過12位ADC分辨率來保持這種動態(tài)范圍性能。ADI公司和德州儀器（TI）銷售高度集成的CCD信號處理器，支持12位A/D轉換。

結論

我們已經(jīng)看到，動態(tài)范圍是由CCD的滿阱容量和噪聲特性決定的。但是，需要記住的一點是，動態(tài)范圍并不總是最關鍵的性能指標。動態(tài)范圍可幫助相機捕捉高對比度場景，但有時候，我們可能對阱容量或低噪聲更感興趣，而不是去追求最大的動態(tài)范圍而需要兼顧噪聲性能和滿阱容量。