3 CCD的主要性能指标

（3－13）
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噪声和信噪比
噪声的类型 随机噪声（Random Noise): 时空域上随机变化，只能用统计特性描述； 图形噪声（Pattern Noise): 时域上不变，空域上变化。
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噪声和信噪比
理想输出信号
光子霰粒噪声 暗电流噪声
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量子效率QE和响应度R
遥感相机CCD靶面辐照度 为：
E0 =
π
4
× L0 × τ optics / F
2
(W / m )
2
（3－6）
CCD靶面辐照量为：
H 0 = E0 × tint ( J / m )
2
（3－7）
式中τoptics为光学系统透过率，F为相对孔径，tint 为CCD积分时间。
-6 ⎤ ⎡ 0.6 × 10 −6 −7 6 R(0.6μm) = (6 ×10 ) × ⎢ × ( 7 . 87 × 10 ) × 0 . 8 = 11 . 4 × 10 − 25 ⎥ ⎢ ⎣1.99 × 10 ⎥ ⎦
计算结果单位为V/J/cm2 ，转换为V/μJ/cm2 ，结果为：
R(0.6 μm) = 11.4 V / μJ / cm 2
复位噪声
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噪声和信噪比
放大器白噪声
放大器1/f噪声
量化噪声
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噪声和信噪比
只考虑CCD芯片内 • 霰粒噪声 σshot • 复位噪声 σreset • 暗电流噪声 σdark • 放大器噪声 σa
随机噪声
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量子效率QE和响应度R
有些CCD的响应度是以光度参数给出的，如R的单位 是V/lx.s。当以光度参数给出响应度时，需要指定光 源的色温。有时需要进行辐射度参数与光度参数之间 的转换。
作业题：如何进行以V/lx.s和V/J.m2两种响应 度单位的转换？光源色温指定为2856K。
2
η 是量子效率， Ap 是像元 q 是电子电荷， 其中， 有效面积，G为CCD片内放大倍数。
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量子效率QE和响应度R
举例
一个行间转移CCD器件的填充系数为50％,像元面积 是11.4μm×13.8μm,电荷转换因子CVF为6μV/е-。 如果量子效率η在0.6μm是 0.8 计算以V/μJ/cm2为 单位的响应度。As=7.87×10-7cm2。常数hc是 1.99×10－25 J-m/photo。将数值代入3-4：
再用(3－9)计算De
263K时，De = 2.911 e–/pixel/s 223K时， De = 2.123 x 10-2 e–/pixel/s 173K时， D e= 2.149 x 10-6 e–/pixel/s
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暗电流和暗电流噪声
TI公司TC271
在27℃时， Jdc＝100 pA/cm2 ； 阵列温度每增加 7～8℃，暗电流密 度增加一倍。
CCD像元尺寸为12 μm x 12μm， 300K 时暗电流密度 10 pA/cm2 求出该CCD在 -10°C (263K), -50°C (223K) 和 -100°C (173K)时的暗电流 由(3-9)计算Eg
263K时， Eg = 1.120278 eV 223K时， Eg = 1.129468 eV 173K时， Eg = 1.139296 eV
参考资料: 1《光电技术》王庆有主编，电子工业出版社2005年 2 《CCD Arrays Cameras and Displays 》 By Gerald C. Holst SPIE Press 1998
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暗电流和暗电流噪声
CCD的暗电流在说明书中通常以以下三种方式给出： 1）一定时间内的暗信号电子数；2）一定时间内暗信 号的电压值；3）暗电流密度。 单位时间暗信号电子数的公式：
噪声和信噪比
热噪声
热噪声是白噪声； 电阻R上热噪声的均方根电压
σ VR = 4kTBR
k: 波尔茨曼常数，T:绝对温度，B:带宽
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噪声和信噪比
噪声等效带宽（NEB）
1 2 B = 2 ∫ A( f ) df A0 0
∞
1 1 B= × = 2 2πRC 4RC
π
σ aW =
4 kTBR
3－16
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噪声和信噪比
总随机噪声
总的随机噪声包括霰粒噪声、暗电流噪声、复位 噪声和输出放大器噪声；一般将复位噪声和输出 放大器噪声称为读出噪声σread。
2 2 2 2 2 σ r = σ shot + σ dark + σ reset + σ aW + σ af
≠
CCD生产厂家提供 的CCD性能指标
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CCD的主要性能指标
参数 灵敏度 符号 R 东芝 TCD1503 9 V/lx.s 柯达 KLI2113 50 V/μJ/cm2 @ 650nm 32 V/μJ/cm2@ 540nm 25 V/μJ/cm2@ 460nm 5% 2.0 11.5μV/e170k e0.22 lx.s 0.6 μJ/cm2 e2v TH7834 5 V/μJ/cm2
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暗电流和暗电流噪声
暗电流对CCD成像的影响： 1 2 降低了动态范围； 增加了CCD噪声。
暗电流噪声与其他热噪声一样，其概率密度分布为 Poisson分布。积分时间为tint时，暗电流电子数暗电流 噪声分别和为：
ndark = De × tint
σ dark = ndark = De × tint
噪声和信噪比
霰粒噪声（Shot Noise)
霰粒噪声是与入射光子数随机变化有关的噪声， 在给定时间内入射光子数服从帕松（Poisson)分 布，霰粒噪声的均方根值（以电子数计）
σ shot = S
3－14
S为信号电子数。 暗电流噪声（ndark为暗电流电子数）
σ dark = ndark
3－15
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温度 ℃ 60 40 20 0 -20 -40 - 60 - 60 暗电流密度 pA/ cm2 1136 276 55.8 9.02 1.11 9.58×10－2 5.33×10－3 1.66×10－4 1℃百分数 变化 6.6 7.7 8.9 10.2 11.9 14.1 17.0 20.9 加倍的 温度℃ 10. 8 9.5 8.4 7.2 6.2 5.3 4.4 3.6
[
]
[
]
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量子效率QE和响应度R
在CCD工作的最后一步，将电子电荷转换 为电压，电荷转换因子CVF为：
Gq CVF = [ V / e− ] C
（3－3）
与前式联合可以得到电压输出的响应度R
R = CVF ×
λη A p
hc
[V / μ J / cm ] （3－4）
（3－10） （3－11）
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噪声和信噪比 光电响应模型
光谱范围λ1～λ2的CCD输出电压VS
λ2 λ1
VS = ∫ R(λ ) E (λ )tint dλ + VD + Vn
（3－12）
其中，VD和Vn分别为暗电流和噪声，当利用平均光谱 参数时，
V S = R × E × t int + V D + V n
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噪声和信噪比
σ reset = kTC / q
复位噪声
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噪声和信噪比
白噪声（White Noise)： 输出放大器电阻的热噪声
输出放大器噪声
σ aW
a
/ CVF 闪烁噪声（Flicker Noise) (1/f 噪声）σ af
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暗电流和暗电流噪声
在不同暗电 流密度下， 暗电流与温 度的关系曲 线。
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暗电流和暗电流噪声
为了将暗电流降 低一倍，工作温 度25°C时, 需 要将温度降低 8°C ； -50°C时, 需要 降低 4.8°C ； 而 -100°C 时，只需降低 2.9°C
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CCD的主要性能指标
一个典型航天相机的主要性能要求
• • • • • • • • 轨道高度(H) 地面像元分辨力(GSD) 系统静态传递函数(MTFsys) 光谱波段(BW) 地面覆盖宽度 最小太阳高角(β)时信噪比(SNR) 相机质量(M) 相机功耗(P)
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量子效率QE和响应度R
遥感相机CCD靶面上辐照量的计算： 条件：无穷远面发光目标，发光目标为朗伯体，发 光强度与方向无关，辐出度为M0(W/m2)。 相机入瞳处辐亮度L为：
L0 = M 0 × τ a ÷ π (W / sr ⋅ m )
2
（3－5）
其中τa为大气透过率
CCD的主要性能指标
地面像元分辨力 (MTF) 太阳高角 (信噪比) 地面覆盖 (视场角) 质量 (f，F)
CCD
光学系统
光机结构
热控系统
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CCD的主要性能指标
CCD的主要性能指标指的是对系统性能产 生主要影响的指标。 主要性能：量子效率QE（响应度R）、饱 和曝光量SEE、传递函数(MTFCCD )、噪声 n、暗电流等。 其它性能：像元尺寸、像元数、电荷转移 效率、响应非均匀性、环境适应能力等。 CCD应用对CCD性 能指标的要求
De = 2.5 × 10 As J dcT e
15
1.5 − E g /( 2 kT )
（3－8） （3－9）
7.021× 10−4 × T 2 E g = 1.11557 − 1108 + T
Байду номын сангаас
其中，Jdc为暗电流密度，T是绝对温度，Eg是带隙。
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暗电流和暗电流噪声
量子效率QE和响应度R
可以用量子效率计算响应度，响应度的单 位是A/W或 e − / μJ / cm 2 。计算公式如下：
qλη RA = hc
[A / W ]
（3－1）
Re =
λη Ap
hc
[e
−
/ μJ / cm 2 （3－2）
]
η 是量子效率， Ap 是像元 q 是电子电荷， 其中， 有效面积。 式中 μJ / cm 2 是CCD中常用的辐 2 J / m 照量单位。辐照量的基本单位是 。
响应非均匀性 饱和输出电压 电荷转换因子 饱和信号电荷 饱和曝光量
PRNU Vsat CVF Ne,sat SE
3% 2.0 V
±6%Vos 3.0V 6μV/e-
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CCD的主要性能指标
参数 暗信号电压 暗电流 暗信号非均匀性 符号 VDRK Idark DSNU 1.0 mV 东芝 TCD1503 1.0 mV 0.02 pA/pixel 90μV/ms 柯达 KLI2113 e2v TH7834 100μV/ms
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CCD成像技术及其在遥感中的应用
第三章 CCD的主要性能指标
郝志航 电话 0431－86176968
2007年3月
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内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. CCD的主要性能指标 量子效率QE和响应度R 暗电流和暗电流噪声 噪声和信噪比 动态范围 实例说明 CCD性能指标测试标准 小结
Nyquist频率 CTF 对比传递函数 500nm 600nm 700nm 总转移效率 电荷转移效率 动态范围 随机噪声 CTE DR NDσ 2000 0.6 mV 92％ .99999 76 dB
75% 62% 47% 0.999998 10,000 300μV
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3－17
2 σ r = S + ndark + kTC / q + 4kTBRa / CVF 2 + σ af 3－18
σ r = S + ndark + σ
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噪声和信噪比
信噪比
通常计算CCD信噪比时，只考虑时域上的随机 噪声。因为空间分布的图形噪声是可以补偿的。 为了严格起见，我们还是将这样计算的信噪比标 注为SNRr，计算公式为：