CCD的灵敏度、动态范围和信噪比 点击：4240 | 回复：6
CCD的灵敏度、动态范围和信噪比
6-5-1 CCD的灵敏度
CCD将光能转换成电荷的效率（又称光注入电荷能力）取决于多个因素。光注入电荷
Qin=k·A·Noe·ttotal （1）
式中，Qin为注入电荷量；k为固定系数；A为光敏单元的受光面积；Noe为入射光的光强；ttotal为光注入时间。
从上式可以看出，k和半导体材料有关；A和CCD的晶片尺寸和结构有关，k和A决定了该摄像头的灵敏度，尤其是受光面积A，更是影响灵敏度的关键；Noe与入射光的光谱和光强有关。在k及A都确定后，光注入的电荷就只和Noe和时间ttotal成正比了，也就是说和投影到光敏像元上的光强度和光照的累积时间成正比。控制累积时间ttotal，就是控制CCD的曝光时间，为CCD设计电子快门提供了基础。
摄像头的灵敏度和动态范围一样，与噪音有关。假设噪音的方差σ等效于100个光电子，那么为了保证从噪音中检出信号，信号至少应大于3σ才能较稳定地被检出，也就是最小可检出信号，即灵敏度应为300个光电子。现代CCD图像传感器芯片的灵敏度已几乎能达到1个光电子了。
6-5-2 CCD的动态范围
在CCD摄像头的说明书中经常见到两个与动态范围有关的重要参数：填充比（Fill Factor）和势阱容量（Well Capacity）
6-5-2-1 填充比（Fill Factor）
在一个像元所占有的整个区域内，对入射光敏感的区域只占总区域的一部分，光敏感面积和像元总面积之比为填充比。这是因为在一个像元区域内，除对入射光敏感的区域外，尚有与敏感区相配合的单元，例如在隔行转移型（ILT）结构的CCD中，每一个像元都有一个电荷移位寄存器和一个转移栅与光敏二极管放在一起，用来转移光敏区的电荷。（见6-1-3节）。这部分非光敏区域被不透光的薄膜所覆盖，使其不受外来光线的打扰。6-5-1节的光注入电荷的公式已表示，CCD的灵敏度是和A成正比的，所以填充比直接反映了CCD的灵敏度。
为了充分扩大低填充比CCD的有效的受光面积，特别是在ILT结构中，可以使用一个微小的凸透镜盖在每一个像元上，见图6-10，以便增加有效的填充比例。但必需指出，这种微小的透镜对紫外线部分有较大的衰减。
6-5-2-2 势阱容量（Well Capacity）
这是像元光敏二极管势阱收集并保存电荷的容量的一个参数，势阱容量给出了CCD对强光源无饱和感应的能力，给出了 CCD动态范围的上限。一般来说，像元面积和填充比例越大，CCD灵敏度越高，势阱容量也越高。所以势阱容量是一个很重要的参数，它是CCD动态范围的决定性因素之一。
6-5-3 CCD噪音与信噪比
前面已经提到，动态范围取决于两个因素，一个是正确反映图像中最亮和最暗区反差的能力，它就是上节所述的势阱容量，它反映不饱和接受入射光的最大亮度；势阱容纳电荷的最大能力；或者是CCD输出的最大有用电压。
另一个是CCD反映图像灰度微小变化的能力。影响这个能力的因素是随机噪音。那些小于噪音的微小灰度变化，被噪音淹没了，已不能被机器视觉系统区分出来。
CCD摄像头的噪音来自两个地方：CCD图像传感器芯片和芯片外部的外围电路如放大器、A/D转换等等。
6-5-3-1 CCD图像传感器芯片内的噪音：
a. 光注入、电荷耦合转移、电荷/电压转换等过程中产生的电荷的随机变化；
b. 暗电流：在无光照的情况下，由于热激发而产生的电子随机运动。
6-5-3-2 CCD芯片外围电路噪音：
放大器、A/D等内部电压的随机起伏变化；它们相互间的信号连接线，甚至于电源受外部干扰而产生的噪音。
在这里我们顺便提一下，即使是用同一种CCD芯片，不同厂家生产出来的CCD摄像头，由于其所采用外围芯片的差异、电路设计和布局等因素，摄像头最终的输出视频信号中的噪音大小也会有较大的差异。
如第5-1节所述，把两个动态范围的概念结合起来，就是信号和噪音之比，取决于势阱容量的视频的最大不饱和电压和各种噪音之和的均方差的比例
其中S为视频输出的最大电压和最小电压之差，N为噪音的均方差。SNR用分贝（db）表示。
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