高分辨率CCD图像传感器及CCD摄像机的性能评价

高分辨率图像传感器和摄像机的性能评估作者：谈新权利，梅晓鹰来源：转载出版：2006-10-2 2333 0657 3336 035发行人：老斑鸠减少字体和增加字体研究了CCD图像传感器和CCD摄像机的性能和测试方法。主要讨论了高分辨率CCD相机的成像特性。讨论了高分辨率CCD图像传感器和高分辨率CCD摄像机的性能。这些性能不同于当前制造商提供的商用CCD摄像机。评价高分辨率CCD图像传感器的性能，有灵敏度、动态范围、分辨率和拖尾。高分辨率CCD相机性能的评估包括灵敏度、最小照度、分辨率和光学格式。给出了高分辨率CCD相机的性能评估实例，并简要介绍了其技术特点和技术特点。关键词：图像传感器；高分辨率；绩效评估；CCD摄像机分类编号O482.7/文件识别码a新增权利引用项目，梅晓英：高分辨率CCD图像传感器和CCD摄像机的性能评价J光学技术，1999，(1): 70-72高性能评估分辨率图像传感器和摄像机谭新泉，梅晓英(电子信息系。英格。华中科技大学，武汉)研究了CCD图像传感器和摄像系统的性能和测试方法，以及高分辨率CCD相机的成像特性。讨论了高分辨率传感器和摄像机的性能。这些性能不同于一般商用CCD相机。高分辨率CCD传感器的性能包括灵敏度、动态范围、分辨率和拖尾。高分辨率CCD相机的分辨率是灵敏度、最小照度、分辨率和光学格式。最后给出了高分辨率CCD相机性能评估的实例，并简要讨论了技术和工艺的特点。关键词：图像传感器；高分辨率；绩效评估；CCD摄像机引用项目谭新泉，梅小英：高分辨率CCD图像传感器和CCD摄像机性能评价J姬叔光学，1999，(1):70-72CCD在图像传感领域的迅速发展已经成为现代光电子学和测试技术的研究热点之一。目前，在影视领域，以高清电视为代表的民用消费电子产品因其诱人的市场潜力而受到发达工业国家的极大关注。在国防和军事领域，CCD成像技术在微光、夜视和遥感应用中发挥着重要作用。它适应了现代高技术战争的需要，成为军事微电子学的一个研究热点。在科学研究领域，CCD因其高灵敏度和低噪声成为研究宏观(如天体)和微观(如生物细胞)现象不可缺少的工具。由于其成本低、体积小、重量轻，在图像通信领域得到了广泛的应用。今天，它已经完全取代了各种光电成像领域的真空摄像管成像系统。微加工技术的发展促进了固态成像设备和照相机系统的结构和性能的变化。本文详细讨论了CCD图像传感器和CCD摄像机的主要性能和测试方法，并对常用参数进行了合理解释。特别是对厂商给出的CCD摄像机的一些技术指标进行了分析和综合阐述。重点分析了高分辨率CCD图像传感器及其摄像机的性能。从工程应用的角度对其性能进行了评价。一、图像传感器的主要特点1.敏感灵敏度是图像传感器的一个重要参数。CCD图像传感器的灵敏度与许多因素有关，计算和测试复杂。但是它的物理意义可以直接从它的单位中获得。这是单位光功率的信号电流，ma/w。光辐射能量通量密度通常用光度学中的照度lx表示，其转换公式为1W/m2=20lx。因此，对于给定芯片尺寸的电荷耦合器件，灵敏度单位可以用纳/升表示。在一些文献中，CCD的灵敏度也用mV/lx*s表示，严格来说，这是CCD图像传感器的响应度，即单位曝光获得的有效信号电压，它反映了CCD图像传感器的灵敏度和输出级的电荷/电压转换能力。2.动态量程CCD图像传感器的动态范围由其信号处理能力和噪声水平决定。它反映了设备的工作范围。该值可表示为输出端信号的峰值电压与均方根噪声电压之比，通常以分贝表示，通常为60-80分贝。高分辨率需要增加电荷耦合器件像素的数量，但会导致存储在势阱中的最大电荷量减少，从而降低动态范围。因此，在高分辨率条件下，提高设备的动态范围将是高清电视摄像机的关键技术。解决该电荷耦合器件图像传感器采用自扫描方式，每个光敏单元之间相隔较大的距离，不同于采用电子束扫描方式的电真空摄像管的结构。因此，电荷耦合器件的光电转换本质上是通过空间分离的光敏单元对光学图像进行采样。感光单元周期性排列。假设要拍摄的光学图像是沿水平方向具有正弦光强(亮度)分布的带状图像，则由电荷耦合器件的光敏单元执行光/电转换，并且所获得的信号也是时间轴方向上的正弦波信号。根据奈采样定理，CCD的极限分辨率是空间采样频率的一半，因此，CCD的原始分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次，它还受到传输效率的影响。分辨率通常用电视线路(TVL)来表示。然而，有时只给出CCD图像传感器的有效像素数。高度集成的光敏单元可以实现高分辨率，但是光敏单元尺寸的减小导致灵敏度的降低。因此，必须采用一些新的工艺结构，例如双层图像传感结构，来将光电导层与电荷转移层分开，从而提高灵敏度和饱和信号电荷。4.拖动阴影在帧转移电荷耦合器件中，当电荷从光敏区转移到存储区时，光敏区中与场方向相反的光积分电荷被带到场，或者硅片深度的光生载流子扩散到相邻的势阱，导致图像模糊，这称为拖尾。拖动会降低图像的对比度。在行转移电荷耦合器件中，光敏单元被转移单元(垂直移位寄存器)分开。在场消隐期间，感光单元的电荷移动到转印单元。当图像以水平速率移动通过寄存器时，过载光敏单元的剩余量可能会泄漏到寄存器中，并且产生的拖尾也会使图像变模糊。在黑色背景下捕捉明亮目标时，模糊现象最为明显。因此，具有小矩形白色窗口的黑色测试卡可以用作测试图来检测图像传感器的拖尾。拖曳通常以分贝为单位，用电平值的大小来表示，例如，-100分贝。或者表示为百分比，例如0.05%。二、CCD摄像机的主要特点1.敏感它是指特定的照度(一般为2000lx)。拍摄特定目标(测试图)时，调整镜头光圈，使摄像机输出的视频信号为100线，对应的镜头光圈指数F代表摄像机的灵敏度。F值越大，光圈越小，相机的灵敏度越高。文件1提供了一种测试照相机灵敏度的方法，使用照度为2000lx、反射系数为测试卡的89.9%的光，将照相机的增益调整为零，打开镜头光圈，调整光圈指数F，读取v以特定目标(测试图)为例，当孔径增益最大化时，视频信号输出幅度为100IRE，对应于入射光的最小值。测试卡的反射系数为89.9%，摄像机增益设置为最大值，光圈设置为最大值，照度减小或增大，因此视频输出信号的幅度为100IRE，相应的入射照度值为摄像机的最小照度。解决分辨率指的是相机分辨物体图像中明暗细节的能力。在世界范围内，调制传递函数(MTF)通常用于表示分辨率，也可以用空间频率表示，即线对/毫米。分辨率测量可以用这种方式进行。不同电视线路/图像高度的输出幅度响应可以通过使用垂直条测试图来测量，然后通过零空间频率的值来归一化。通常，对应于零频率下振幅响应的30%的电视线可以被认为是照相机的极限分辨率。应该指出的是，相机的分辨率并不完全取决于图像传感器的像素数，除了它与镜头有关。如果采用标准成像方法，根据奈奎斯特采样理论，使用每行728个像素的电荷耦合器件图像传感器的照相机的分辨率仅为546条电视线。然而，文献1指出，如果分辨率由调制传递函数表示，则可以根据上述方法测量不同电视线路/图像高度处的输出幅度响应。当输出幅度响应为零时，相应的分辨率称为CCD极限分辨率或理论响应特性。文件1给出了信号、错误信息和每行728个像素的电荷耦合器件芯片的分辨率之间的关系曲线，这里定义的极限分辨率是1100电视行。事实上，这个极限只是一个理论值。因为当电荷耦合器件像素的数量不变时，随着捕获物体的空间频率增加，采样频率小于最高空间频率的两倍，从而导致混叠失真。这种由光学采样引起的混叠失真通常被称为“虚假信息”研究表明，虚假信息随着空间频率的增加而线性增加。当分辨率高于546条电视线路时，虚假信息的能量超过真实图像信息的能量，因此546条电视线路以上的真实图像信息是看不见的。在CCD成像系统中，有两种技术可以提高分辨率：光学低通滤波和空间偏移成像。此时，使用较少像素的电荷耦合器件图像传感器可以获得比像素数更高的分辨率。例如，文献2使用具有766(H)980(V)有效像素数的2/3c光盘图像传感器来获得在水平方向上分辨率超过900电视行并且在垂直方向上分辨率约为800电视行的电荷耦合器件照相机。4.光学格式有时被称为光学系统的尺寸。它直接决定了摄像机的体积和重量。它适用于CCD图像传感器的尺寸。其尺寸越大，允许的CCD图像传感器的芯片尺寸越大，图像传感器的有效扫描宽度越大，并且照相机的体积越大。通常有1英寸、2/3英寸、1/2英寸和1/3英寸的光学格式。三。个案分析作为本文的总结，给出了高清晰度电视彩色摄像机的技术性能，如表1所示。它的技术指标比商用CCD摄像机先进得多。对摄像机系统和CCD图像传感器本身的评估是全面的。在表中，电荷耦合器件图像传感器是一个光电导层固态成像设备PSID与200万像素。由于光学格式为1英寸，使得电荷耦合器件传感器的芯片尺寸较大，其动态范围较大，灵敏度得到提高。同时，由于PSID技术，CCD的灵敏度是传统的行间转移CCD的5倍。饱和电子的数量是传统行间转移类型的3倍。为了传输大量饱和电子，开发了一种低功率高速开关谐振驱动方法。拖拉主要是由光泄漏和载流子扩散到移位寄存器中引起的。在PSID，入射光几乎完全被非晶硅层吸收，而透过非晶硅的红外线被像素电极阻挡。因此，拖尾噪声降至-1000分贝以下。从表1可以看出，摄像机采用了3个PSID结构的CCD图像传感器。由于图像传感器的信号输出结构采用浮动扩散放大器，输出结构在输出端引入了大量噪声，包括电源跟随放大器产生的1/f噪声和复位电路产生的复位噪声。为了抑制这些噪声，特别研究了箝位限幅噪声抑制的CCS方法，该方法能显著抑制1/f噪声。PSID和CCS方法使系统具有2000lx的高灵敏度，f/5.6和52dB的信噪比。而分辨率为1000(高)700(伏)的电视线路。因此，它可以用于高清晰度电视摄像机拍摄。表1高清晰度电视彩色摄像机规格摄像系统三基色三片式电荷耦合器件图像传感器2106像素PSID行数1125小片尺寸16.2(高)10.5(伏)平方毫米有效行数1035成像区域