确定 CCD 图像传感器的动态范围

在之前的文章中，我讨论了作为一般工程概念的动态范围和作为成像系统性能规范的动态范围。在本文中，我们将检查半导体和电路级别的 CCD 动态范围。我们将考虑以下问题：什么决定了 CCD 及其相关信号处理电路可以记录的亮度范围？

信号和本底噪声

在 CCD 中，输入信号是电磁辐射，输出信号是电荷包，其数量对应于电磁辐射的强度。

输入信号的动态范围基本上是无限的：亮度可以从零（意味着完全没有光子）到宇宙中亮物体产生的任何强度变化。然而，输出信号的动态范围是有限的。

由于噪声，零亮度不会产生零电荷；由于满阱容量，亮度增加超过某一点将不再产生相应的电荷增加。因此，CCD 的动态范围是满阱容量与本底噪声之比，即像素可以产生的输出信号电平除以即使像素没有接收到入射光也会产生的信号电平.

如果您一直关注图像传感器技术系列，就会知道 CCD 中的主要噪声源是暗噪声、光子噪声和读取噪声。然而，在计算动态范围时，我们只考虑暗噪声和读取噪声。

我认为这有两个原因：首先，光子噪声不是 CCD 或随附的读出电路的属性——它是光的固有特性，不会因系统而异。其次，光子噪声对可能输出信号电平没有贡献，因为入射光为零时，光子噪声也为零。

这导致我们得出以下公式：

动态\范围=NSATURATIONNNOISE动态\范围=NSATURATIONNNOISE

其中 $N_{SATURATION}$ 是满阱容量——即输出信号饱和时的电子数——而 $N_{NOISE}$ 是暗噪声和读取噪声之和，以电子 RMS 表示.

如果您更喜欢使用分贝或停止而不是普通比率，我们有以下内容：

$$动态\text{范}围\left(dB\right)=20{\log }_{10}\frac{N_{SATURATION}}{N_{NOISE}}$$

$$动态\text{范}围\text{（}停止）={\log }_2\frac{N_{SATURATION}}{N_{NOISE}}$$

CCD 全井容量

影响满阱容量的一个重要因素是像素的面积，如果只有一部分像素对光敏感，则为光电二极管的面积。较大的光敏元件对应于其中可以集成电荷的较大的硅部分。因此，我们可以通过增加像素大小来扩展动态范围。如果总传感器面积不变，这将导致分辨率降低，如果我们既要增加动态范围又要保持分辨率，我们将需要更大的传感器。

物理上更大的光电二极管为光产生的自由电子的积累提供了更多空间。

目前市场上的 CCD 在满阱容量方面存在很大差异。例如，牛津仪器拥有从 25,000 个电子（像素面积 = 100 μm 2，动态范围 = 64 dB）到 510,000 个电子（像素面积 = 676 μm 2，动态范围 = 94 dB）的设备。

有效满井容量

操作条件会影响满井容量。例如， ON Semi 的KAI-2020 CCD 指定满阱容量为 20,000 个电子或 40,000 个电子。实际物理容量接近 40,000 个电子，但输出放大器无法在 40 MHz 的全读出速度下处理 40,000 个电子。因此，在计算动态范围时，我们需要考虑有效满阱容量，而不是仅对应于像素物理特性的电子容量。

此外，KAI-2020 光电二极管的有效满阱容量取决于施加的衬底电压。较低的衬底电压会产生较大的满阱容量（因此会产生较大的动态范围），但它也会使传感器更容易产生光晕。

动态范围和模数转换

尽管 CCD 的动态范围由满阱容量和噪声决定，但我们必须记住，在 CCD 数据被数字化之前，相机无法对其进行任何处理。CCD 信号通过 ADC 到达系统的其余部分，因此，我们需要确保模数转换器提供足够的动态范围。

如果你花大价钱购买动态范围为 90 dB 的高性能 CCD，然后将其与 8 位 ADC 配对，则图像数据的终动态范围是 ADC 的动态范围，只有 8位分辨率, 实际上大约是 48 dB。你已经失去了 42 分贝。   

幸运的是，从 ADC 获得足够的动态范围通常不是主要挑战。许多 CCD 将处于 60–70 dB 区域，您可以使用 12 位 ADC 分辨率保持这种动态范围性能。Analog Devices 和 Texas Instruments 销售支持 12 位 A/D 转换的高度集成的 CCD 信号处理器。

结论

我们已经看到，动态范围由 CCD 的满阱容量和噪声特性决定。但是，我们需要记住，动态范围并不总是关键的性能指标。动态范围有助于相机捕捉高对比度场景，但有时我们可能对大阱容量或低噪声更感兴趣，而不是以化动态范围的方式结合噪声性能和阱容量。