摘要：CCD（charge coupled divice）和CMOS图像传感器是摄像机的基本组成单元，并且直接决定着成像质量，本文以KAI-02050 图像传感器手册的参数指标为例，对CCD的主要参数指标等进行解析。
关键词：CCD；参数指标；电荷；动态范围；拖尾
1.引言
CCD与CMOS图像传感器是摄像机的基本组成单元，都是用光敏像元阵列将入射的光信号转换成像元内的电荷，不同的是将像元中的电荷取出并转换成电压的方式和途径。CCD的像元将光转换成电荷后，采用耦合的方式，将电荷逐点、逐行的用电荷移位寄存器移出，直至电荷/电压转换器。所以在CCD芯片内部，图像信息主要以电荷形式移动输出；CMOS的每一个像元都有一个电荷/电压转换器，像元内的电荷直接转换成电压，在通过矩阵开关，将电压信号送出阵列，所以CMOS的图像信息主要以电压的形式传送输出的。
CCD主要生产厂家主要有SONY、KODAK；CMOS生产厂家较多；本文主要介绍KODAK公司生产的KAI-02050图像传感器的性能参数并进行解析。
2.KAI-02050图像传感器主要参数解析
a）CCD结构：隔行转移型；逐行扫描。
CCD结构主要分为帧转移型（Frame-Transfer）、隔行转移型（Interline）。
隔行转移型：两列像素中间插入一列垂直移位寄存器和转移栅，像素上的电荷先同时转移到垂直移位寄存器上，然后再转移到水平移位寄存器移位输出。见图1所示。优点：快门速度快，可以任意启动曝光的起始和终止时间。缺点：感光区域小，动态范围低。
图1 隔行转移型
b）最大帧率：4抽头输出：68fps；双抽头输出：34fps；单抽头输出：18fps。
多抽头输出的问题：当采用双抽头或四抽头输出时，图像会出现区域亮度不同的现象。主要因为多抽头输出结构之间不完全一致、以及布板、杂质、半导体的生产过程的差异而产生信号差异，尽管厂家会对输出结构进行校正，但从图像上仍能看出不同抽头输出图像之间的接缝现象。
电荷容量：20000个电子。
c）电荷容量越大，动态范围越大。
输出灵敏度：34Uv/e-。
d）在CCD工作过程的最后一步，将电子电荷转换为电压，输出灵敏度（电荷转换因子）CVF为：
是电子电荷；G为CCD片内放大倍数。
e）量子效率（QE）：KAI-02050-CBA：31%、42%、43%（620nm、540nm、470nm）。
量子效率：给定波长的量子效率是半导体中产生的电子数（对应有效信号，不包括暗信号）与入射光子数之比。
f）读出噪声（40MHz）：12个电子 rms。
读出噪声电子数sread也可以表示CCD探测最小信号的能力。
g）暗电流：光电二极管：7个电子/秒；VCCD：140个电子/秒。
暗电流：当像元在无光入射的情况下产生的电流。暗电流降低了动态范围，增加了CCD噪声，所以暗电流越小越好。暗电流随着温度的升高而增加，所以高温下图像的暗电流噪声会比常温的大。
h）动态范围：64dB。
动态范围是一个描述CCD能够探测最小光能量和最大光能量比例的性能参数，在许多应用中都是非常重要的。动态范围可以用满阱电荷和读出噪声电子数来计算。
动态范围DR：
满阱电荷nwell可以表示CCD探测最大信号能力，读出噪声电子数sread可以表示CCD探测最小信号能力。
i）电荷转移效率：0.999999。
CCD的电荷转移过程中基本无损失。
j）光晕抑制：>300×。
光晕：当垂直CCD的电荷容量超出范围，使电荷向电荷转移相反的方向溢出。
产生光晕的三个因素：
（1）vod（vertical overflow drain）电阻：vod电阻的电流增大，光电管的电荷容量会大于VCCD的容量；
（2）拖尾：光直接进入VCCD，VCCD本身留存电荷最少的具有更好的抗光晕效果；
（3）光电管：转移的时间里收集的电荷。
光晕抑制因子
描述抑制光晕的能力：
Ibloom：使输出饱和时的光强度；
Isat：产生光晕时的光强度。
k）拖尾（smear）：-100dB。
拖尾：由于一个亮点导致CCD图像出现一条垂直的亮线，局部像元因光照太强使得过多的电荷溢出到垂直移位寄存器上，导致亮线或亮带。
计算方法：
图2 拖尾测试图
其中，见图2所示，Vsmear是拖尾处电压，Vdark是拖尾两侧区域被遮挡后无光源入射部分的电压；Vspot是光源照射区域，此区域高度应为有效成像尺寸的10%。
l）图像残留：小于10个电子。
在每个像素曝光前都要通过复位把上一次曝光产生的电荷清除，当复位时间太短，下次曝光读出会包含上一帧残留的信号，并且不同亮度区域残留的信号量不同，导致图像反映的信号量与曝光时间不匹配。
m）覆盖玻璃：AR 涂层，双面。
玻璃镀抗反射增透膜，减少入射光反射，使光尽可能多的照射到像元上。
参考文献：
[1]KODAK KAI-02050 IMAGESENSOT Revision 4.0 MTD/PS-1065
[2]Interline CCD Smear Reference Document Revision 1.0 PS-0057
[3]Interline CCD Charge Capacity and Antiblooming Reference Document Revision 1.0 PS-0063
论文作者:杨建国
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：电荷论文; 光晕论文; 抽头论文; 电压论文; 电流论文; 信号论文; 图像论文; 《电力设备》2018年第22期论文;