高分辨率CCD图像传感器及CCD摄像机的性能评价

高分辨率CCD图像传感器和CCD相机的性能评估作者：神治故事，梅晓英资料来源：转载发布时间：2006-10-2 233605360335出版人：野鸽减少字体增加字体研究了CCD图像传感器和CCD相机的性能和测试方法。重点介绍高分辨率CCD相机的成像功能。介绍高分辨率CCD图像传感器和高分辨率CCD相机的性能。这些性能与当前供应商提供的商业CCD相机有很多不同之处。评估高分辨率CCD图像传感器的性能主要有灵敏度、动态范围、分辨率和拖动阴影。高分辨率CCD相机性能评估包括灵敏度、最小照度、分辨率和光学格式。提出了高分辨率CCD相机的性能评价实例，概括了其技术特点和技术特点。关键字CCD；图像传感器高分辨率性能评价CCD相机分类编号O482.7/文档标识代码a引文谈新权利，梅晓英：高分辨率CCD图像传感器和CCD相机的性能评估j光学技术，1999，(1): 70-72Performance evaluation of highresolution CCD image sensor and CCD camera谭新泉，梅晓英(dept.of electronics info.eng .华中大学科学技术学院，武汉)abstract the performances And test methods of CCD image sensor And pick up system，And the imaging character istic of high Resolution CCD camera And the imaging character istic of high Resolutionthat of high Resolution CCD camera are sensitivity，minimum illumination，Resolution and optical format . finally is provided example of PPS密钥文字CCDImage sensor高解析；Performance evaluationCcd相机Citation item tan xinquan，mei Xiaoying : performance evaluation of high resolution CCD image sensor and CCD camerajguang Xu图像检测领域的快速发展使CCD成为现代光电和测试技术中最受关注的研究热点之一。目前，在电影和电视领域，以高清晰度电视HDTV为代表的民间家电因其诱人的市场潜力，受到先进工业国的高度关注。在国防军队领域，CCD成像技术在低照度、夜视、遥感应用领域发挥了巨大作用，适应现代高技术战争的要求，在军事微电子研究中大受欢迎。在科学研究领域，CCD的高灵敏度和低噪音使其成为研究宏观(如天体)和微观(如生物细胞)现象的不可缺少的工具。该产品价廉物美，重量轻，广泛应用于图像通信领域。今天，在各种光电成像领域，完全取代了真空摄像管的成像系统。微细加工技术的发展促进了固体摄像装置和摄像系统的结构和性能的变化。本文详细介绍了CCD图像传感器和CCD相机的主要性能和测试方法，并说明了常用参数。特别是，分析并更全面地描述了供应商提供的CCD相机的某些技术指标。重点分析高分辨率CCD图像传感器及其相机的性能。性能从工程应用的角度进行了评估。一、图像传感器的主要特征1.敏感度灵敏度是图像传感器的重要参数。CCD图像传感器的灵敏度与多种因素相关，计算和测试都比较复杂。但是你可以从那个单位获得直接的物理意义。这是单位光电力产生的信号电流，mA/W .光辐射能量流密度表示为照度lx，在光度测定中通常转换为1W/m2=20lx。因此，对于给定芯片大小的CCD，敏感度单位可能显示为nA/lx。还有表示CCD敏感度的mV/lx*s。严格地说，这是CCD图像传感器的响应速度，即通过单位曝光获得的有效信号电压，反映了CCD图像传感器的灵敏度和输出级别的电荷/电压转换功能。2.动态范围CCD图像传感器的动态范围取决于信号处理能力和噪声级别。反映设备的运行范围。此值可以用作输出部的信号峰值电压与平均平方噪声电压(通常为dB，通常为60-80db)的比率。高分辨率要求CCD具有大量像素，但通过减少势阱中可存储的最大电荷数量，可以缩小动态范围。因此，在高分辨率条件下增加设备的动态范围将成为高清晰度电视摄像机的关键技术。3.分辨率与使用电子束扫描的电真空摄像管不同，CCD图像传感器使用自扫描方法，每个感光单元区分大距离。因此，CCD的光电转换实质上是由空间分离的感光单元对光学图像进行采样。光敏感单元定期排列，其中，要摄取的光学图像是沿着水平方向光强度(亮度)以正弦分布的条形图像，通过CCD上的光敏感设备进行光/电转换，并且假定产生的信号在时间轴方向上也是正弦波信号。根据年龄采样定理，CCD的极限分辨率是空间采样频率的一半，因此CCD原始分辨率主要取决于CCD芯片上的像素数。第二，受传输效率影响，分辨率通常用电视线(tvp)表示。但是，在某些情况下，CCD图像传感器仅提供有效的像素数。感光较高的感光装置可以获得高分辨率，但减小感光单位大小会降低灵敏度。因此，必须采用新的工艺结构，例如双层图像检测结构，将光电导层和电荷转移层分开，提高灵敏度和饱和信号电荷。4.拖曳阴影在帧传输型CCD中，当电荷从感光区域转移到存储区域时，感光区域的逆大气的光积分电荷回到终点，或者硅深度的光生载体扩散到相邻的势阱中，图像模糊的现象称为“拖影”。拖动阴影以降低对比度。在线路传输CCD中，感光装置分为传输装置(垂直移位寄存器)。在感光期间，感光装置的电荷向输送装置移动，通过寄存器以水平速度移动图像时，过载感光装置的剩余部分可能泄漏到寄存器中，由此产生的拖动阴影使图像模糊。吸引现象在摄取黑色背景的明亮对象时最为明显。因此，可以将带有小矩形白色窗口的黑色测试卡用作测试图，以检测图像传感器的拖动结果。拖动阴影通常以级别值的大小dB表示(例如-100dB)。或以百分比表示(例如0.05%)。二、CCD相机的主要特点1.敏感度指示具有特定强度(通常为2000lx)。如果在摄取特定目标(测试贴图)时调整摄影机光圈，使摄影机输出的视频信号为100IRE，则相应的镜头光圈指数f指示摄影机的灵敏度。f数越大，光圈越小，相机的灵敏度越高。文献1使用照度为2000lx的光，测试卡的反射系数为89.9%的照相机增益为0，打开镜头光圈，调整光圈指数f，在波形显示器上，读取照相机的视频输出信号为100IRE的情况下，读取的镜头光圈指数是灵敏度。例如，两个相机的灵敏度分别为2000lx、f/3.5和2000lx、f/2.8，可以说前者的灵敏度高于后者。2.最小照度当摄取特定目标(测试图)并将光圈增益最大化时，视频信号输出范围为100IRE，成为该入射光的最小值。测试卡的反射系数为89.9%，如果由于最大值、光圈最大值、照度减少或增加，视频输出信号振幅为100IRE，则相应的入射光度值是相机的最小照度。3.分辨率分辨率是相机对事物图像明暗细节的分辨率。分辨率通常使用调制传递函数(MTF)表示，也以空间频率(线对/mm)表示。分辨率测量可以使用垂直条测试图测量不同电视线/图像的高输出振幅响应，然后将其规格化为零空间频率值。通常，振幅响应等于0频率的30%的电视线可以被视为相机的极限分辨率。需要指出的是，除了镜头相关以外，相机的分辨率并不完全取决于图像传感器中的像素数。采用标准成像方法时，根据奈氏采样理论，采用每行728像素的CCD图像传感器的相机分辨率只有546电视线。然而，文献1指出，用调制传递函数表示分辨率时，上述测量不同电视线/图像高时的输出宽度响应，并指出输出宽度为零时的相应分辨率是CCD的极限分辨率或理论响应特性。文献1给出了每行728像素的CCD芯片的信号、虚假信息和分辨率的关系曲线，这里定义的极限分辨率为1100电视线。事实上，这个极限值只是理论值。这是因为如果CCD中的像素数目恒定，随着目标空间频率的增加，采样频率将小于最大空间频率的两倍，从而导致抗锯齿失真。光学采样产生的这种抗锯齿扭曲通常称为“假信息”。据调查，随着空间频率的增加，虚假信息呈线性增长。如果分辨率高于546电视线，则虚假信息的能量超过实际图像信息的能量，因此不能看到高于546电视线的实际图像信息。CCD成像系统使用两种分辨率增强技术：光低通滤波器和空间偏移成像。使用较少像素的CCD图像传感器可以获得高于像素数量的分辨率。例如，2使用有效像素数为766(H)980(V)的2/3c CD图像传感器，获得水平方向大于900电气视线且垂直方向大约为800电气视线的c CD相机。4.光学格式也称为光学系统的大小。直接确定CCD相机的大小和重量。适合CCD图像传感器的大小。尺寸越大，允许CCD图像传感器的芯片尺寸越大，图像传感器的有效扫描宽度越大，相机的尺寸也越大。通常有1英寸、2/3英寸、1/2英寸和1/3英寸光学格式。三、案例分析本文概述了用于HDTV的CCD彩色相机的技术性能，如表1所示。它的技术指标比当前商业CCD相机的技术指标先进得多。对相机系统或CCD图像传感器本身的评价是全面的。在此表中，CCD图像传感器为200万像素的光电导层固态成像设备PSID。由于光学格式为1英寸，CCD传感器允许的芯片大小大，因此动态范围大，灵敏度高。另外，由于PSID技术，CCD的灵敏度是正常行间传输型CCD的5倍。饱和电子的数量是现有行间转移类型的3倍。为了传输大量饱和电子，特别开发了低功耗高速开关谐振驱动方法。拖动阴影主要是由于光泄漏和载波扩散扩散扩散到移位寄存器而引起的。在PSID中，入射光几乎完全被非晶层吸收，通过非晶硅传输的红外线光线被像素电极阻挡。因此，拖尾噪音将减少到小于-1000dB。如图1所示，由于相机使用具有3个PSID结构的CCD图像传感器，图像传感器信号输出结构具有浮动扩散放大器，因此输出结构在输出侧引入了由电源跟随放大器的1/f噪声和重置电路引起的复位噪声等大量噪声。为了抑制此类噪声，对限制钳制噪声抑制的CCS方法进行了专门研究，并大大抑制了1/f噪声。使用PSID和CCS方法，系统将具有2000lx、f/5.6的高灵敏度和52dB的SNR。分辨率为1000(H)700(V)电气视线。因此，可以在HDTV相机中使用。表1 HDTV CCD彩色相机技术规范照相机系统RGB 3片CCD图像传感器2106像素PSID行数1125芯片大小16.2(H)10.5(V)mm2有效行数