本文介紹了 CCD 的結構、工作參數和外部信號處理電路如何影響 CCD 成(cheng)像(xiang)硬(ying)件(jian)可(ke)以(yi)捕(bu)獲(huo)的(de)最(zui)大(da)亮(liang)度(du)變(bian)化(hua)的(de)。我(wo)們(men)已(yi)經(jing)了(le)解(jie)了(le)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)的(de)一(yi)般(ban)概(gai)念(nian)，也(ye)知(zhi)道(dao)了(le)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)作(zuo)為(wei)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)性(xing)能(neng)規(gui)格(ge)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)探(tan)討(tao)半(ban)導(dao)體(ti)和(he)電(dian)路(lu)級(ji)的(de) CCD 動態範圍。我們將考慮以下問題：是什麼決定了 CCD 及其相關信號處理電路所能記錄的亮度範圍？

 

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
，其數量與該電磁輻射的強度相對應。

 

輸入信號的動態範圍本質上是無限的：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生的強度。但是，輸出信號的動態範圍是有限的。

 

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

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，在計算動態範圍時，我們僅考慮暗噪聲和讀取噪聲。我發現有兩個原因：首先，光子噪聲不是 CCD 或隨附的讀出電路的特性 - 它ta是shi光guang的de本ben質zhi所suo固gu有you的de，並bing且qie在zai一yi個ge係xi統tong之zhi間jian不bu存cun在zai差cha異yi。其qi次ci，光guang子zi噪zao聲sheng不bu會hui影ying響xiang最zui小xiao的de輸shu出chu信xin號hao電dian平ping，因yin為wei入ru射she光guang為wei零ling時shi
，光guang子zi噪zao聲sheng也ye為wei零ling。這zhe使shi我wo們men得de出chu以yi下xia公gong式shi：

 

 

 

其中 NSATURATION 是滿阱容量（即，輸出信號飽和的電子數）
，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ying響xiang滿man阱jing容rong量liang的de重zhong要yao因yin素su是shi像xiang素su的de麵mian積ji，或huo者zhe如ru果guo隻zhi有you一yi部bu分fen像xiang素su對dui光guang敏min感gan的de話hua，則ze是shi光guang電dian二er極ji管guan的de麵mian積ji。較jiao大da的de光guang敏min元yuan件jian對dui應ying於yu其qi中zhong可ke以yi集ji成cheng電dian荷he的de較jiao大da的de矽gui部bu分fen。因yin此ci
，我wo們men可ke以yi通tong過guo增zeng加jia像xiang素su大da小xiao來lai擴kuo展zhan動dong態tai範fan圍wei。鑒jian於yu在zai不bu改gai變bian傳chuan感gan器qi的de總zong麵mian積ji的de情qing況kuang下xia，這zhe樣yang做zuo會hui導dao致zhi分fen辨bian率lv降jiang低di，因yin此ci，如ru果guo要yao增zeng加jia動dong態tai範fan圍wei並bing保bao持chi分fen辨bian率lv，則ze需xu要yao更geng大da的de傳chuan感gan器qi。

 

 

 

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，牛津儀器的器件範圍從 25,000 個電子（像素麵積= 100 µm2
，動態範圍= 64 dB）到 510,000 個電子（像素麵積= 676 µm2，動態範圍= 94 dB）。

 

有效滿阱容量

工作條件可能會影響滿阱容量。例如，ON Semi 公司的 KAI-2020 CCD 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 40 MHz 的全讀出速度下無法處理 40,000 電子。因此，在計算動態範圍時，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於所施加的基板電壓。較低的基板電壓會產生較大的滿阱容量（因此會產生較大的動態範圍），但同時也會使傳感器更容易出現光暈。

 

動態範圍和模數轉換

盡管 CCD 的動態範圍取決於滿阱容量和噪聲，但我們必須記住


，相機必須先對 CCD 的數據進行數字化處理，然後再對其進行處理。CCD 信號通過 ADC 到達係統的其餘部分
，因此

，我們需要確保模數轉換器提供足夠的動態範圍。

 

如果你花錢買了具有 90 dB 動態範圍的高性能 CCD，然後將其與 8 位 ADC 配對，則圖像數據的最終動態範圍就是 ADC 的動態範圍，隻有 8 位分辨率
，實際上約為 48 dB。你損失了 42 dB。幸運的是
，從 ADC 獲得足夠的動態範圍通常不是主要挑戰。許多 CCD 的動態範圍約為 60–70 dB，你可以通過 12 位 ADC 分辨率來保持這種動態範圍性能。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

我們已經看到，動態範圍是由 CCD demanjingronglianghezaoshengtexingjuedingde。danshi，xuyaojizhudeyidianshi，dongtaifanweibingbuzongshizuiguanjiandexingnengzhibiao。dongtaifanweikebangzhuxiangjibuzhuogaoduibiduchangjing，danyoushihou，womenkenengduijingronglianghuodizaoshenggengganxingqu
，erbushiquzhuiqiuzuidadedongtaifanweierxuyaojianguzaoshengxingnenghemanjingrongliang。