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

信號和本底噪聲

在 CCD 中，輸入信號是電磁輻射，輸出信號是電荷包，其數(shù)量對應(yīng)于電磁輻射的強度。

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

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

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

我認為這有兩個原因：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，不會因系統(tǒng)而異。其次，光子噪聲對可能輸出信號電平?jīng)]有貢獻，因為入射光為零時，光子噪聲也為零。

這導(dǎo)致我們得出以下公式：

動態(tài)\范圍=NSATURATIONNNOISE動態(tài)\范圍=NSATURATIONNNOISE

其中 $N_{SATURATION}$ 是滿阱容量——即輸出信號飽和時的電子數(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：

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

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

CCD 全井容量

影響滿阱容量的一個重要因素是像素的面積，如果只有一部分像素對光敏感，則為光電二極管的面積。較大的光敏元件對應(yīng)于其中可以集成電荷的較大的硅部分。因此，我們可以通過增加像素大小來擴展動態(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。

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

有效滿井容量

操作條件會影響滿井容量。例如， ON Semi 的KAI-2020 CCD 指定滿阱容量為 20,000 個電子或 40,000 個電子。實際物理容量接近 40,000 個電子，但輸出放大器無法在 40 MHz 的全讀出速度下處理 40,000 個電子。因此，在計算動態(tài)范圍時，我們需要考慮有效滿阱容量，而不是僅對應(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阱容量取決于施加的襯底電壓。較低的襯底電壓會產(chǎn)生較大的滿阱容量（因此會產(chǎn)生較大的動態(tài)范圍），但它也會使傳感器更容易產(chǎn)生光暈。

動態(tài)范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換

盡管 CCD 的動態(tài)范圍由滿阱容量和噪聲決定，但我們必須記住，在 CCD 數(shù)據(jù)被數(shù)字化之前，相機無法對其進行任何處理。CCD 信號通過 ADC 到達系統(tǒng)的其余部分，因此，我們需要確保模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供足夠的動態(tài)范圍。

如果你花大價錢購買動態(tài)范圍為 90 dB 的高性能 CCD，然后將其與 8 位 ADC 配對，則圖像數(shù)據(jù)的終動態(tài)范圍是 ADC 的動態(tài)范圍，只有 8位分辨率, 實際上大約是 48 dB。你已經(jīng)失去了 42 分貝。   

幸運的是，從 ADC 獲得足夠的動態(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 分辨率保持這種動態(tài)范圍性能。Analog Devices 和 Texas Instruments 銷售支持 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換的高度集成的 CCD 信號處理器。

結(jié)論

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