在之前的文章中，我討論了作為一般工程概念的動(dòng)態(tài)范圍和作為成像系統(tǒng)性能規(guī)范的動(dòng)態(tài)范圍。在本文中，我們將檢查半導(dǎo)體和電路級(jí)別的 CCD 動(dòng)態(tài)范圍。我們將考慮以下問(wèn)題：什么決定了 CCD 及其相關(guān)信號(hào)處理電路可以記錄的亮度范圍？

信號(hào)和本底噪聲

在 CCD 中，輸入信號(hào)是電磁輻射，輸出信號(hào)是電荷包，其數(shù)量對(duì)應(yīng)于電磁輻射的強(qiáng)度。

輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍基本上是無(wú)限的：亮度可以從零（意味著完全沒(méi)有光子）到宇宙中亮物體產(chǎn)生的任何強(qiáng)度變化。然而，輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是有限的。

由于噪聲，零亮度不會(huì)產(chǎn)生零電荷；由于滿(mǎn)阱容量，亮度增加超過(guò)某一點(diǎn)將不再產(chǎn)生相應(yīng)的電荷增加。因此，CCD 的動(dòng)態(tài)范圍是滿(mǎn)阱容量與本底噪聲之比，即像素可以產(chǎn)生的輸出信號(hào)電平除以即使像素沒(méi)有接收到入射光也會(huì)產(chǎn)生的信號(hào)電平.

如果您一直關(guān)注圖像傳感器技術(shù)系列，就會(huì)知道 CCD 中的主要噪聲源是暗噪聲、光子噪聲和讀取噪聲。然而，在計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，我們只考慮暗噪聲和讀取噪聲。

我認(rèn)為這有兩個(gè)原因：首先，光子噪聲不是 CCD 或隨附的讀出電路的屬性——它是光的固有特性，不會(huì)因系統(tǒng)而異。其次，光子噪聲對(duì)可能輸出信號(hào)電平?jīng)]有貢獻(xiàn)，因?yàn)槿肷涔鉃榱銜r(shí)，光子噪聲也為零。

這導(dǎo)致我們得出以下公式：

動(dòng)態(tài)\范圍=NSATURATIONNNOISE動(dòng)態(tài)\范圍=NSATURATIONNNOISE

其中 $N_{SATURATION}$ 是滿(mǎn)阱容量——即輸出信號(hào)飽和時(shí)的電子數(shù)——而 $N_{NOISE}$ 是暗噪聲和讀取噪聲之和，以電子 RMS 表示.

如果您更喜歡使用分貝或停止而不是普通比率，我們有以下內(nèi)容：

$$動(dòng)態(tài)\text{范}圍\left(dB\right)=20{\log }_{10}\frac{N_{SATURATION}}{N_{NOISE}}$$

$$動(dòng)態(tài)\text{范}圍\text{（}停止）={\log }_2\frac{N_{SATURATION}}{N_{NOISE}}$$

CCD 全井容量

影響滿(mǎn)阱容量的一個(gè)重要因素是像素的面積，如果只有一部分像素對(duì)光敏感，則為光電二極管的面積。較大的光敏元件對(duì)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(guò)增加像素大小來(lái)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。如果總傳感器面積不變，這將導(dǎo)致分辨率降低，如果我們既要增加動(dòng)態(tài)范圍又要保持分辨率，我們將需要更大的傳感器。

物理上更大的光電二極管為光產(chǎn)生的自由電子的積累提供了更多空間。

目前市場(chǎng)上的 CCD 在滿(mǎn)阱容量方面存在很大差異。例如，牛津儀器擁有從 25,000 個(gè)電子（像素面積 = 100 μm 2，動(dòng)態(tài)范圍 = 64 dB）到 510,000 個(gè)電子（像素面積 = 676 μm 2，動(dòng)態(tài)范圍 = 94 dB）的設(shè)備。

有效滿(mǎn)井容量

操作條件會(huì)影響滿(mǎn)井容量。例如， ON Semi 的KAI-2020 CCD 指定滿(mǎn)阱容量為 20,000 個(gè)電子或 40,000 個(gè)電子。實(shí)際物理容量接近 40,000 個(gè)電子，但輸出放大器無(wú)法在 40 MHz 的全讀出速度下處理 40,000 個(gè)電子。因此，在計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，我們需要考慮有效滿(mǎn)阱容量，而不是僅對(duì)應(yīng)于像素物理特性的電子容量。

此外，KAI-2020 光電二極管的有效滿(mǎn)阱容量取決于施加的襯底電壓。較低的襯底電壓會(huì)產(chǎn)生較大的滿(mǎn)阱容量（因此會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)范圍），但它也會(huì)使傳感器更容易產(chǎn)生光暈。

動(dòng)態(tài)范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換

盡管 CCD 的動(dòng)態(tài)范圍由滿(mǎn)阱容量和噪聲決定，但我們必須記住，在 CCD 數(shù)據(jù)被數(shù)字化之前，相機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行任何處理。CCD 信號(hào)通過(guò) 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(dòng)態(tài)范圍。

如果你花大價(jià)錢(qián)購(gòu)買(mǎi)動(dòng)態(tài)范圍為 90 dB 的高性能 CCD，然后將其與 8 位 ADC 配對(duì)，則圖像數(shù)據(jù)的終動(dòng)態(tài)范圍是 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍，只有 8位分辨率, 實(shí)際上大約是 48 dB。你已經(jīng)失去了 42 分貝。   

幸運(yùn)的是，從 ADC 獲得足夠的動(dòng)態(tài)范圍通常不是主要挑戰(zhàn)。許多 CCD 將處于 60–70 dB 區(qū)域，您可以使用 12 位 ADC 分辨率保持這種動(dòng)態(tài)范圍性能。Analog Devices 和 Texas Instruments 銷(xiāo)售支持 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換的高度集成的 CCD 信號(hào)處理器。

結(jié)論

我們已經(jīng)看到，動(dòng)態(tài)范圍由 CCD 的滿(mǎn)阱容量和噪聲特性決定。但是，我們需要記住，動(dòng)態(tài)范圍并不總是關(guān)鍵的性能指標(biāo)。動(dòng)態(tài)范圍有助于相機(jī)捕捉高對(duì)比度場(chǎng)景，但有時(shí)我們可能對(duì)大阱容量或低噪聲更感興趣，而不是以化動(dòng)態(tài)范圍的方式結(jié)合噪聲性能和阱容量。