影响CCD成像的若干因素

1、像素：这个是常见的参数。在芯片确定的情况下，像素越高，灵敏度越低，两者是反比关系，所以像素不是越高越好，在像素够用的情况下应尽量优先确保灵敏度。2、动态范围：实际上这个参数取决于另外2个参数。动态范围=20Xlog10(满井电子/总噪音）这个参数越高也表征CCD的灵敏度越高。3、满井电子：从动态范围的计算看的出来，满井电子数越大越好。4、噪音：简单理解就是杂信号，有读出噪声和暗噪声,读出噪声相机电子元件处理图象时的额外噪音，与电子效率有关。图森相机通过相关双采样的方法，能显著降低CCD读出噪声。5、制冷：CCD工作时温度会升高，这会产生噪音，尤其是长时间曝光（若荧光拍摄等情况需要较长的曝光时间），如果把温度降低，可以减少这类噪音，所以大家看到有冷CCD。制冷方式有很多，比如装风扇、半导体制冷、水循环制冷，还有用液氮制冷的，制冷越低，降噪越好，但是成本也就越高。图森二级半导体制冷CCD,可制冷至室温下-45℃。6、灰阶：一般是写的多少bit，这个值高点好些，这样在一些层次比较多或者不容易区分的图片的拍摄上会有帮助，常见的是医院血液科的血涂片拍摄：红血球非常薄而且多，经常在镜下观察时会发现有不少是有重叠的，人眼还比较好区分重叠的部分，但是换到CCD上面的话，基本需要12bit以上了，最好是14bit的。对于做灰度分析或者荧光定量分析的，灰阶还是高点好。7、芯片尺寸：因为像素和灵敏度的反比关系，所以芯片尺寸自然是大的好些。8、速度：这个自然是越快越好，不过要注意区分：速度分为读出速度，预览速度，采集速度；读出速度高不一定预览、采集就快，因为它还受后面接口、电脑等的影响；预览速度受分辨率影响，采集速度相对好点，因为他的变动基本上就只有电脑配置高低影响了。9、接口：最常用的是USB接口，1394其次，还有就是串口。10、binning：这是提高CCD预览、采集的常见方法，支持的binning越高，速度也就能提的更高，不过会牺牲分辨率——其实它就是把几个像素当作一个像素计算，比如2X2，就是把4个像素当作一个像素。11、曝光时间：支持的时间越长，在拍摄弱光的时候会好些；至于说最小曝光时间，原理上可以侧面反应CCD的灵敏度，但是需要参考的条件比较多。12、GAIN：一个信号放大的参数，GAIN越大，所需要的曝光时间也就越短，但是相应的噪音也就会增加。显微镜拍摄的目的，是要将视野下看得的范围真实的展现出来，因此，专业的显微摄影拍摄，还是要用到专业的显微摄影相机。CCD是常见的数码成像设备，原理是通过感光电流产生、放大和AD转换而采集信号。这个过程不可避免的还要使用模拟放大电路来完成，总所周知，模拟电路会因为热噪声、电感应CCD(ChargeCoupledDevice)全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、生物医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。相关知识:CCD工作原理一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成.CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理.由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高.一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示.以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2上淀积一层金属为栅极,P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴,少数载流子是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引.于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。总之,上述结构实质上是个微小的MOS电容,用它构成象素,既可“感光”又可留下“潜影”,感光作用是靠光强产生的电子电荷积累,潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的,若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端,再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递.二．电荷的转移与传输CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器,它的表面由不透光的铝层覆盖,以实现光屏蔽.由上面讨论可知,MOS电容器上的电压愈高,产生的势阱愈深,当外加电压一定,势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小.利用这一特性,通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅.制造时将MOS电容紧密排列,使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”.认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小(目前工艺可做到0.2μm),在信号电荷自感生电场的库仑力推动下,就可使信号电荷由浅处流向深处,实现信号电荷转移.为了保证信号电荷按确定路线转移,通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲.下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理.1.三相CCD传输原理简单的三相CCD结构如图2所示.每一级也叫一个像元,有三个相邻电极,每隔两个电极的所有电极(如1、4、7……,2、5、8……,3、6、9……)都接在一起,由3个相位相差1200的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动,故称三相CCD,图2(a)为断面图;图(b)为俯视图;图(d)给出了三相时钟之间的变化.在时刻t1,第一相时钟φ1处于高电压,φ2、φ3处于低压.这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱,在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”,如图(c)所示.在t2时刻φ1电压线性减少,φ2为高电压,在第一组电极下的势阱变浅,而第二组(2、5、8……)电极下形成深势阱,信息电荷从第一组电极下面向第二组转移,直到t3时刻,φ2为高压,φ1、φ3为低压,信息电荷全部转移到第二组电极下面.重复上述类似过程,信息电荷可从φ2转移到φ3,然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中,当三相时钟电压循环一个时钟周期时,电荷包向右转移一级(一个像元),依次类推,信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移,直到输出.2．二相CCD传输原理CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有:阶梯氧化层电极阶梯氧化层电极结构参见图3.由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用.设置势垒注入区(图4)对于给定的栅压,位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处,则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动.三．电荷读出CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法.图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN结区产生耗尽层.当信号电荷通过输出栅OG转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出.输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出.图5(b)是一种浮置栅MOS放大器读取信息电荷的方法.MOS放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管.在复位管栅极上加复位脉冲φR,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C很小.如果电荷包的电荷为Q,A点等效电容为C,输出电压为U0,A点的电位变化△U=－,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS放大器电压法.带冷却CCD现在有一种带冷却的摄像头,为什么要冷却,冷却后会有什么效果,这种摄像头在病理科学中有什么应用,对这些问题有所了解,选择摄像头时就可以少一些盲点.要理解冷却摄像头,先要了解一些基本概念:带冷却CCD的工作原理如图所示:CCD的暗电流:从原理上讲,暗电流是电子做热运动引起的,即使在没有入射光时,电子也存在热运动,也会被光敏元件所捕获(potentialwell),并作为光电信号输出.理想的光敏元件其暗电流应该是零,但是,实际状况是每个像素中的光敏元件同时又充当了电容,当电容器慢慢地释放电荷时,就算没有入射光,暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当.因此,即使关闭镜头我们还是能从显示器上看到部分光亮的显示.这种暗电流是随机的,在一定的时间间隔内,所产生的热电子数量符合POISSAN分布,并随温度的增高而增强.暗电流是热噪声的主要来源,可以通过冷却CCD来控制,温度每降低6摄氏度,暗电流可以减少2个单位.热像素:由于CCD的硅片纯度不是100%,因此,部分像素就可能严重地受到暗电流的干扰,会比其他大部分像素以快得多的速率(通常会达到100倍)积聚暗电流,一个未带冷却的CCD,拍摄黑暗的图像(关闭镜头,无入射光),经过几秒钟后,就会出现满天星的黑夜图像.使CCD冷却也同样可以控制热像素所带来的噪声.下图所示即为控制暗电流输出后,未带冷却的CCD,在无入射光线时,经过1,5,10,50秒后分别拍摄的图像.信噪比:信噪比就是真值信号与噪声的比值,CCD的噪声来源很多,如热噪声(暗电流和热像素),光子噪声,读出噪声等等,在信号强度较高时,噪声被淹盖,噪声对影像质量的影响并不明显,但在光信号较弱的情况下,如天文望远镜,免疫荧光显微等,噪声对图像质量的影响就比较大,因此就要想办法提高信噪比.CCD本身无法判别电子来源于光子还是电子的热运动,光线较弱需要较长的曝光时间时,这就意味着像素的电子井(pixelwell)会捕获到更多的热运动电子,产生更多的热像素,噪声可能会淹没真值信号,图像可能会变得无法识别.要想获得清晰的图像,就得抑制暗电流和热像素,这就需要将CCD冷却.不同的冷却系统冷却效率不同,有的只能冷却到-10或-20摄氏度.采用珀尔帖冷却系统(Peltierelements)可以冷却到-40摄氏度,这样可最大程度地减少暗电流,扩展动态范围和提高灵敏度.