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图解初代CCD图像传感器原理

2020-10-13

CCD(电荷耦合元件)是一个具有极高灵敏度的光子传感器,可以将图像转换为电信号的半导体元件。一个CCD由大小约为长宽一厘米类似棋盘格状排列的微小 ...

初代CCD传感器的发明过程

电荷耦合组件(Charge Coupled Device,CCD)——初代CCD传感器。是由沃勒德‧保尔(Willard Boyle)、乔治‧艾沃德‧史密斯(George E. Smith)于1969年在美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明的。1970年,二人把CCD发明过程的技术文章发布到了《贝尔系统技术期刊》(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD的初心是为了用它建构内存装置。但是,保尔和史密斯1970年的CCD技术文章出版后,其它科研人员开始把相关技术应用于其他领域。于是天文学家发现CCD独特的感光能力,具有高于摄影胶片100倍的感光能力,发现它可应用于拍摄遥距且高分辨率的图像。

 

CCD工作原理剖析

CCD(电荷耦合元件)是一个具有极高灵敏度的光子传感器,可以将图像转换为电信号的半导体元件。一个CCD由大小约为长宽一厘米类似棋盘格状排列的微小光敏单元(像素)组成。拍摄目标发出的光透过镜头在CCD上行成影像。当光子来到像素的格子范围时,将根据光的强度产生相应的电子,将该电子的大小读取为电信号,光线的强度会与接收到的电子数量成正比。当CCD时钟输出时,收集到的像素内的电子数目便会被测量出来,获得了各个像素上光的强度(浓度值),即可构建可视画面。

CCD成像

(图片来源于网络)

CCD成像流程
(图片来源于网络)

主要CCD 参数

量子效率
CCD能够测得的光子百分比被称为量子效率(Quantum Effciency,QE)。人类肉眼的QE大约是20%,摄影胶片的QE则是10%左右。而现代的CCD能够实现大于90%的QE。量子效率会因波长而有差异,而通过诸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅等各种创新,可以使CCD的量子效率涵盖到各种波长。
 
波长范围
CCD的波长范围可以从0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光),甚至达到1000 nm (近红外线),而尖峰灵敏度可达到700 nm左右。利用背照可以实现较短的X光和紫外光波长检测,而低噪声和高阻硅技术则有助于提高对较长的近红外线波长的灵敏度。
动态范围
 
能够正确读出同一图像的光亮和模糊来源,是测量器的一个非常有用的特点。测量器准确读出图像内最光亮和最模糊来源二者之间的差异被称为动态范围。
 
当光线来到CCD上,光子会转换成电子。CCD的动态范围一般是以可成像的最小和最大电子数目为量度单位。落可CCD上的光线越多,在电位井(p-井)内收集到的电子数目也就越多。当电位井无法再接收更多的电子时,意味着像素达到饱和状态。在典型的科学用CCD,这情况大约会在150,000个电子时发生。
 
可测量的最小信号单位不一定是一个电子(相等于可见波长的一个光子)。具体来说,最小电子噪声一般是与CCD实体结构相关,最小大约是每像素2至4个电子。所以可测量的最小信号是由这读出噪声来决定。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD,EMCCD) 都是经设计用于高灵敏度测量的超低噪声传感器,可以量度出小至数个光子或电子的信号。
 
线性度
测量器的另一重要考虑是对它所见的任何图像的线性响应能力。如果CCD测出100个光子,它便会把它们转换为100个电子(假设QE为100%)。在这一状况下,测量器有一个线性响应。线性响应的用处在于无需对图像进行附加处理,便可以测定图像上不同主体的真正和真实密度。
 
噪声
CCD的噪声表现取决于多个因素。
 
暗电流
暗电流是由温度产生的噪声。在室温,CCD的噪声表现可以是每像素每秒数千个电子。在这情形下,每个像素有机会在数秒间达到满井容量,使得CCD饱和。
 
可以利用诸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系统来为检测器降温来解决暗电流问题。在-40° C温度下, CCD的噪声表现可以降低到每像素每秒数十个电子。
 
读出噪声
读出噪声源于每个像素内的电子在CCD输出节点上转换为电压的工作。噪声的幅度取决于输出节点的大小。在减小CCD读出噪声方面已有一些技术进步,而这一工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要部分。
 
读出噪声能影响动态范围,所以必需尽可能减小,这在微小能量检测应用方面至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-牛顿太空卫星内检测X光能量中的光子就是一个例子。
 
 
 
功耗
CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考虑来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。

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