CCD是什么？科学级CCD相机-ccd是什么?

 

CCD是Charge-Coupled Device电荷耦合器件的缩写。CCD是贝尔实验室W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的，由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高、功耗低，因此随后得到飞速发展，是图像采集及数字化必不可少的关键部件，广泛用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。

CCD基本单元

CCD基本单元为像素，按像素的排列方式有两种：

1. 线阵CCD – 多个像素排成一行或一列，如扫描仪。

2. 面阵CCD – 多个像素排成阵列。如家用CCD相机。科学级CCD相机一般是面阵。如Greateyes内真空相机 GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素个数为1024×256个，排成1024行，256列。

由此引出一个CCD主要参数指标：空间分辨率。

CCD分辨率

单位面积的像素个数，分辨率与像素大小（面积）、单位面积或单位长度内像素个数相关。科学级CCD相机通常以像素大小和像素个数给出分辨率。如德国Greateyes内真空相机GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素个数为1024×256个，像素面积为26μm×26μm。

CCD相机像素满井容量（Full-Well Capacity）

对科学级相机，一般为数百个ke。

满井容量与栅极电压UG、绝缘层电容Cox、栅极面积Ad和P-Si掺杂浓度相关：Q=Cox×UG×Ad

Greateyes内真空相机 GE-VAC 1024 256 BI UV1，像素满井容量为500ke。满井容量高，则动态范围大。

CCD动态范围（Dynamic Range）

CCD动态范围（Dynamic Range）是指：

能够探测到的最大光强（曝光量）和最小光强的比值。

DR = （Nwell - Ndark）/σread，其中Nwell：满井电子数，Ndark：暗电子数。

从上式可以看出，动态范围主要的影响因素是读出噪声。

信噪比（Signal/Noise Ratio)

总噪声

信噪比

假设曝光时间为1秒，光电子数为1000，暗电流为1e/pixel/s，读出噪声RMS为40，则

当读出噪声RMS为20时，

一般来说，CCD制冷到足够的温度，曝光时间不是很长时，暗电流噪声是很小的，可以忽略不计。例如：Greateyes GE-VAC 1024 256 BI UV1暗噪声0.0005 e-/pixel/sec @ -80℃，暗噪声达到1e rms也需要2000s=0.56h。

寄存器满井容量(Register full well capacity)

因为硬件Binning在移位寄存器内完成电荷包的相加，因此，寄存器的满井容量也是一项性能指标。寄存器满井容量一般是像素满井容量的几倍。

如Greateyes GE-VAC 1024 256 BI UV1像素满井容量为500ke，寄存器满井容量为1,000ke

因此，硬件Binning时，要避免寄存器满井溢出，尤其是使用很多个像素联用时，需要特别注意。

CCD增益(Gain)

电荷包对应的数字量。一般表示为一个电子对应多少个计数，或多少个计数对应一个电子。科学级CCD大多数有多级增益可设置，以适合不同的光照条件（强光和弱光），高增益（高灵敏度）适合弱光，低增益适合强光（低灵敏度）。

Greateyes以count/e给出这个性能指标，有两级增益可设置：1count/e（Std. High Sensitivity），或0.2count/e（0.4count/e）（Low Max. Dyn. Range）。相应的e/count为1e/count，5e/count（或2.5e/count）

CCD帧率（frame rate）

从前文可知，CCD采集一幅图像后，电荷包的读出需要一定的时间，因此对科学级CCD相机来说，有一个性能指标，即帧率。

帧率是指单位时间内可获取的图像数量，一般以Frames/S表示，常简写为FPS。

像素读出频率的限制

下限：为避免热激发产生的电子（暗电流）的影响，要求电荷包从一个栅极转移到下一个栅极所用时间t必须小于暗电子（P-Si少子）的平均寿命τi，平均寿命与温度相关，温度越高，寿命越短。对三相耦合读出结构来说，读出频率：

上限：转移时间应大于电荷从一个栅极移动到另一个栅极的时间τg

表面沟道CCD的读出频率≤10MHz

隐埋沟道CCD的读出频率≤240MHz

Binning – 像素联用

分为硬件Binning和软件Binning。科学级CCD通常都提供硬件Binning功能。

硬件Binning：

将几个像素的信号在读出之前相加，这种方式减少了读出次数，因而减少了读出噪声，提高了信噪比。

硬件Binning是在移位寄存器中完成的。

如下图，假设要进行4像素联用，下图红色虚框所示：

读出过程如下：

1. 将R4行像素电荷包移入水平移位寄存器，移入后，不进行水平移动。

2. 再将R3行移入水平移位寄存器，移入时将对应列的像素电荷包相加

3. 将C1、C3列对应的电荷包向右移动，在C2列、C4列对应的寄存器内完成相加

4. 再将水平移位寄存器的内容向右移动

5. 重复以上过程，直至读出所有像素

软件Binning：

软件Binning是在读出之后，使用软件将数字化的像素电荷包相加，不会提高信噪比。

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