本文介紹了 CCD 的結(jié)構(gòu)、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(dǎo)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(guān)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(qiáng)度相對應(yīng)。

輸入信號的動態(tài)范圍本質(zhì)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(qiáng)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(diǎn)以上將不再產(chǎn)生相應(yīng)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(guān)注圖像傳感器技術(shù)，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(jì)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(zhì)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?yàn)槿肷涔鉃榱銜r，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(yīng)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(kuò)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(dǎo)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(dāng)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= 100 μm2，動態(tài)范圍= 64 dB）到 510,000 個電子（像素面積= 676 μm2，動態(tài)范圍= 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(shí)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(jì)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(yīng)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(zhuǎn)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(jī)必須先對 CCD 的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后再對其進(jìn)行處理。CCD 信號通過 ADC 到達(dá)系統(tǒng)的其余部分，因此，我們需要確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供足夠的動態(tài)范圍。

如果你花錢買了具有 90 dB 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(shí)際上約為 48 dB。你損失了 42 dB。幸運(yùn)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 60–70 dB，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(zhuǎn)換。

結(jié)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(diǎn)是，動態(tài)范圍并不總是最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。動態(tài)范圍可幫助相機(jī)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。

審核編輯黃昊宇