CCD常用知识总结

CCD 常用知识总结

随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N （Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。

CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD 动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）

CCD的发展现状

CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。另外CCD芯片的拼接技术也日益成熟。国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达国家落后近十年。尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国内需求。（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）

目前国内对于CCD参数能够进行标定的单位：北京天文台的

CCD工作原理：

CCD工作时通过转换光为电子（电荷），这个过程如下：高能光子（可见光或红外范围）撞击硅，并激发硅内电子进入更高能级，这样产生电子空穴对。电荷被收集到单个像素上，然后通过在垂直和水平寄存器上施加不同的电压进行电荷转移，这些电荷被数字化和编码。这个过程所需时间依赖系统输出流量。图像质量依赖于采样。

关于CCD的集中控制采集方案调研：

对于CCD的集中图像采集系统目前在我们星光神光实验中，规划的集中采集方式有两种。1基于软件的CCD图像采集网络式集中控制

2基于硬件的单机集中控制

其相应的拓扑系统图见神光Ⅲ概念设计报告，杨存榜的方案有两种方案优劣的比较。

CCD及检测中基本知识点

CCD（电荷耦合器件）突出特点以电荷作为信号，基本功能是电荷的存储和电荷的转移，工作的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

CCD两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（SCCD）;二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD(BCCD).

探测x、γ射线的面阵CCD，x、γ射线为电磁辐射，可以直接照射CCD，入射光子与Si 原子的内壳层电子相互作用，对Si材料每激发一对电子—空穴对需3.65ev的能量，为滤除可见光对测量的干扰，在CCD表面用铝化聚脂膜或薄铍窗作遮挡材料，可实现对X，γ射线测量的初步要求。根据射线能量和探测要求不同，可制成几种结构的CCD探测器。

1直接照射型。 2 通过闪烁/磷光体转换探测型。3闪烁/磷光体的发光用光学透镜或光导纤维传输，耦合与CCD探测。4闪烁/磷光体耦合在像增强器或微通道板作预储存放大，再经光学传输与CCD耦合。

CCD在可见光和x光成像中的应用：

★在x光成像中：

CCD可以对x射线成像。x射线入射到CCD光敏单元可在单元势阱内产生载流子，从而测量x射线空间强度分布。由于x射线能量较高，其中一部分会穿过CCD而探测不到，因而CCD对x射线的探测率远远低于可见光。另外在x射线照射下存在CCD的辐射损伤问题，例如：对于10kev的x射线，ccd的工作寿命只有几个小时。用CCD对x射线成像的一个有效办法是将x射线在荧光屏上转换为可见光，再用CCD对可见光成像。如果x射线光强不够，可通过像增强器放大在由CCD读出。

★色温的有关概念

色温是借用绝对黑体绝对温度描述一般光源发光特征的一个参数，光源的色温是指与光源发出辐射颜色相同的黑体的绝对温度，如光源本身就是绝对黑体，色温就是光源本身的绝对温度。若光源本身不是绝对黑体，色温只表示光源发光的颜色特征，不代表光源本身的实际温度。

CCD实践中应用知识

x光CCD面阵的前面放置铍窗，其功能是实现x光能量的衰减。（注意牵涉抽真空系统）1)对于CCD而言，面阵上采集图像如下图：图中圆形区域为采集的灰度表示：a b c 为

a，c区域间进行灰度的加减运算？

能全都体现出来了。本软件的最主要就是实现控制箱的控制

和图像的采集。对于更进一步的运算可以采用软件固有的转

换功能，将图像转换为ASCII码来在进行运算。或者在利

用专门的图像处理软件来对已经采到的图像来处理。

对于一台CCD而言，一旦厂家出厂以后其量子效率是不会改变的，除非仪器坏了。所

以在正常工作状态下不需要每年都去检测其量子效率（谱响应实际为相对量子效率）。

3王哲斌标定谱响应原理:首先是把辉光经过150谱仪分为单色光，在经过750谱仪。

然后再750谱仪出射口用380功率计测量光波长不同时的光功率。然后接上CCD测量采集。根据CCD快门采集时间的设置，采集一系列随波长变化的图像。然后考虑CCD 面均匀基础上二重积分

整个面上∫Q/t（曝光时间）时间归一化处理，即得到相对光功率/入射光功率=相对量子效率。

4 CCD暗电流消除方案。暗电流噪声可以通过dark frame 的应用从原图像中移除。dark frame图像的拍摄条件：1没有光照的暗室条件下，I=0；2曝光时间为零△t=原图像的曝光时间。类同bias frame，dark frame也需要采集一定数目（9幅或者更多）的dark frame然后将他们平均起来。可以利用中值耦合（median combining）技术来生成一幅 master dark frame.在图像校正中，dark frame 将从原图像中被减除。

5有关平场图的理论：

并非CCD的所有像素对光都有同样的灵敏度，即使硅晶片极小的厚度差别都会影响灵敏度。而且芯片本身像素或许没有被均匀照射、物体本身亮度的浮动都会直接影响灵敏度。光照不均匀和有害像素间的浮动为5%-10%。像素的灵敏度浮动和不均匀照射模式对于CCD来说可以通过拍摄一幅均匀光照的图像定义出来。在此方式下，每个像素队同样亮度光照的反应都可被测量。这种图像称之为a flat field frame，不仅可以用于校正（pixel sensitivity variation）像素灵敏度浮动和芯片照明浮动（chip illumination variation）,而且可以校正出现在CCD窗口上阻碍光线进入CCD的灰尘和外物。

典型的平场图（flat field frame）是一幅均匀照明源的短时曝光图。像dark frame 和bias frame 一样，flat field frame也需要采集多幅然后平均中值耦合产生一幅master flat field frame。但是唯一不同的是在中值耦合（median combining）平场图前，需要从每幅平场图中减去master dark frame和master bias frame,同时要求flat field frame 的曝光时间和dark frame的曝光时间一样。之后才可将每幅平场图进行中值耦合产生一幅主平场图。

所以对一幅源图的校正：可如下：FI=RI-MBF-MDF

FI=final image RI=raw imagine MBF=master bias frame

MDF= master dark frame MFFF= master flat field frame

CCD的指标概念及相关原理：

1量子效率：在所有打入CCD的光子中，有多少比例的光子可以激发光电子。CCD的量子效率约为30%——70%之间，量子效率越高越好。对某一台CCD其量子效率并不是固