处理可变照明：CMOS 与 CCD 图像传感器

尽管 CMOS 成像器很方便，但 CCD 成像器仍然占有一席之地。如果您确实需要低光性能，请考虑采用 EMCCD 技术的设备，例如 KAE-02152。

CCD 和 CMOS 图像传感器都将光转换为电信号，但是关于这两种技术在性能和实现细节方面的差异有很多可以说的。本文不是进行深入比较的地方。相反，我将提供一个我认为相当标准的总结，尽管它可能构成危险的过度简化：CMOS 传感器更易于使用，但通常它们的成像质量不如 CCD。
 

什么是 CCD 图像传感器？

CCD代表电荷耦合器件；如您所见，严格来说，术语“CCD”与成像无关。它只是指电荷的运动。

KAE-02152数据表中这张图表中的曲线传达了这样一个事实，即来自 CCD 像素的电荷确实正在向成像器的外围移动，并终到达输出引脚。

然而，“CCD”几乎完全与 CCD 成像器相关联，这可能是因为成像器是依赖于 CCD 技术的广泛使用的设备。

CCD 功能的本质是电荷从成像器内部移动到图像数据输出引脚，从而生成由每个像素位置的光强度控制的模拟信号。数字图像是通过对该模拟信号进行采样而产生的。（显然，在正确的时刻进行采样并跟踪哪个样本对应于哪个像素涉及很多细节——更不用说保持电荷移动所需的精心生成的控制信号了。）

下图让您了解 CCD 输出信号如何根据逐个移动通过设备的电荷包而变化。您可以看到电荷的移动与 H2L 时钟信号同步。

图表取自 KAE-02152数据表。

当 CCD 不够好时

KAE-02152 的主要卖点是其在照明条件方面的多功能性。ON Semi 令人惊讶的诗意营销口号是“从阳光到星光”——换句话说，KAE-02152 可以在环境照明强度发生巨大变化的情况下保持图像质量。

通过使用称为电子倍增 CCD 或 EMCCD 的东西可以增强低光性能。EMCCD 技术做的事情很复杂，我没有资格详细说明，终结果是噪声更低，从而在低光照条件下实现更高的信噪比 (SNR)（因为低光照意味着低信号电平）。

来自 CCD 像素的电荷包可以通过传统 CCD 输出或 EMCCD 输出进行路由。你怎么知道使用哪一个？

好吧，首先要了解的是，EMCCD 仅在您处理低光照水平时才有用；与使用普通 CCD 相比，向 EMCCD 发送更高值的像素数据实际上会导致更低的 SNR。所以你必须选择一个阈值来决定使用哪个 CCD，第 32 页有一些关于阈值选择的具体指导。

提高 CCD 的图像质量

如果您确实需要限度地提高图像质量，则必须找到降低 CCD 温度的方法。KAE-02152 的数据表称较低的温度是有益的，因为它可以减少暗电流噪声和图像缺陷。

图表取自 KAE-02152数据表。

在我看来，冷却 CCD 也会减少与设备其他各个部分相关的热噪声，但也许我错了，或者这些噪声源可能包含在“暗电流噪声”的参考中。

无论如何，您可以在上图中看到，随着温度从室温降至 0°C，暗信号迅速减弱。显然，室温操作远非理想。但是，将您的成像努力限制在寒冷的自然场景中也不太理想。

幸运的是，ON Semi 有一个解决方案：两种 KAE-02152 封装选项之一包括一个热电冷却器。请记住，如果您计划在热带地区拍摄照片时寻求图像质量，则您的电源必须更大一些：

图表取自 KAE-02152数据表。