CCD的主要性能指标学习教案

1、会计学1CCD的主要的主要(zhyo)性能指标性能指标第一页，共77页。2典型遥感相机的主要(zhyo)性能要求典型遥感相机的组成：光学系统；光机结构；CCD成像；热控。第1页/共77页第二页，共77页。3地面(dmin)像元分辨力(MTFSYS)太阳(tiyng)高角(信噪比)地面覆盖(视场角)质量(f，F)CCD光学系统热控系统光机结构第2页/共77页第三页，共77页。4CCD应用(yngyng)对CCD性能指标的要求CCD生产厂家提供的CCD性能指标第3页/共77页第四页，共77页。5参数参数符号符号东芝东芝TCD1503TCD1503柯达柯达KLI2113KLI2113e2ve2vTH

2、7834TH7834灵敏度灵敏度R R9 V/lx.s9 V/lx.s50V50V/J J/ /cmcm2 2650n650nmm32V32V/J J/ /cmcm2 2540n540nmm25V25V/J J/ /cmcm2 2460n460nmm5 5 V/V/ J/cmJ/cm2 2响应非均匀性响应非均匀性PRNUPRNU3 3%5 5%6%Vos6%Vos饱和输出电压饱和输出电压VsatVsat2.0 V2.0 V2.02.03.0V3.0V电荷转换因子电荷转换因子CVFCVF11.5V/e-11.5V/e-6V/e-6V/e-饱和信号电荷饱和信号电荷Ne.saNe.sat t170k

3、 e-170k e-饱和曝光量饱和曝光量SESE0.22 lx.s0.22 lx.s0.6 0.6 J/cmJ/cm2 2CCD厂家(chn ji)给出的性能指标形式第4页/共77页第五页，共77页。6参数参数符号符号东芝东芝TCD1503TCD1503柯达柯达KLI2113KLI2113e2ve2vTH7834TH7834暗信号电压暗信号电压V VDRKDRK1.0 mV1.0 mV100100 V/msV/ms暗电流暗电流IdarkIdark0.02 pA/pixel0.02 pA/pixel暗信号非均匀性暗信号非均匀性DSNUDSNU1.0 mV1.0 mV9090 V/msV/msNy

4、quistNyquist频率频率对比传递函对比传递函数数500nm500nm600nm600nm700nm700nmCTFCTF75%75%62%62%47%47%总转移效率总转移效率9292电荷转移效率电荷转移效率CTECTE.99999.999990.9999980.999998动态范围动态范围DRDR2000 2000 76 dB76 dB10,00010,000随机噪声随机噪声NDND 0.6 mV0.6 mV300300 V V第5页/共77页第六页，共77页。7hcqRAWA/hcARpe2/cmJe2/cmJe（31）(2-4)（32）(2-5)其中， 是电子电荷， 是量子效率，

5、 是像元有效面积。式中 是CCD中常用的辐照量单位。辐照量的基本单位是 。qpA2/cmJ2/mJ第6页/共77页第七页，共77页。8hcACVFRp2/cmJV其中， 是电子电荷， 是量子效率， 是像元有效面积，G为CCD片内放大倍数。 qpA/ eVCGqCVF与前式联合可以得到(d do)电压输出的响应度R（33）（34）第7页/共77页第八页，共77页。967256-6104 .118 . 0)1087. 7(101.99106 . 0)106()6 . 0(mR计算结果单位(dnwi)为V/J/cm2 ，转换为V/J/cm2 ，结果为：2/ 4 .11)6 . 0(cmJVmRcm2

6、V/-mJ-m/photoV/J/cm2第8页/共77页第九页，共77页。10其中a为大气(dq)透过率)/( 200msrWMLa（35）第9页/共77页第十页，共77页。11CCD靶面辐照(f zho)量为：)/( /42200mWFLEoptics)/( 2int00mJtEH式中optics为光学系统透过率，F为相对孔径，tint为CCD积分时间。（37）（36）第10页/共77页第十一页，共77页。12思考题：如何进行(jnxng)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。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 Arra

7、ys Cameras and Displays By Gerald C. Holst SPIE Press 1998第11页/共77页第十二页，共77页。13inttDnedark暗电流噪声与其他热噪声一样，其概率密度分布(fnb)为Poisson分布(fnb)。积分时间为tint时，暗电流电子数暗电流噪声分别和为：inttDnedarkdark（310）（311）第12页/共77页第十三页，共77页。14系曲线。第13页/共77页第十四页，共77页。15第14页/共77页第十五页，共77页。1678，暗电流密度增加一倍。温度温度暗电流密度暗电流密度pA/ cmpA/ cm2 211百分数百分

8、数变化变化加倍的加倍的温度温度6060113611366.66.610. 810. 840402762767.77.79.59.5202055.855.88.98.98.48.40 09.029.0210.210.27.27.2-20-201.111.1111.911.96.26.2-40-409.589.5810102 214.114.15.35.3-60-605.335.3310103 317.017.04.44.4-80-801.661.6610104 420.920.93.63.6第15页/共77页第十六页，共77页。17其中(qzhng)，Jdc为暗电流密度，T是绝对温度，Eg是带隙

9、。（38）)2/(5 . 115105 . 2kTEdcsegeTJADTTEg110810021. 711557. 124（39）第16页/共77页第十七页，共77页。18由(3-9)计算(j sun)Eg263K时， Eg = 1.120278 eV 223K时， Eg = 1.129468 eV173K时， Eg = 1.139296 eV再用(38)计算De263K时，De = 2.911 e/pixel/s223K时， De = 2.123 x 10-2 e/pixel/s173K时， D e= 2.149 x 10-6 e/pixel/s第17页/共77页第十八页，共77页。192

10、1int)()(nDSVVdtERVnDSVVtERVint光谱(gungp)范围12的CCD输出电压VS其中，VD和Vn分别为暗电流和噪声，R()为光谱响应度，E ()为光谱辐照度；当利用平均(pngjn)光谱参数时，（312）（313）（37）第18页/共77页第十九页，共77页。20第19页/共77页第二十页，共77页。21理想输出信号光子霰粒噪声暗电流噪声复位噪声第20页/共77页第二十一页，共77页。22放大器白噪声放大器1/f噪声量化噪声第21页/共77页第二十二页，共77页。23第22页/共77页第二十三页，共77页。24子数）Sshotdarkdarkn314315第23页/共

11、77页第二十四页，共77页。25kTBRVR4第24页/共77页第二十五页，共77页。260220)(1dffAABRCRCB41212第25页/共77页第二十六页，共77页。27qkTCreset/第26页/共77页第二十七页，共77页。28aWCVFkTBRaaW/4闪烁(shn shu)噪声（Flicker Noise) (1/f 噪声）af316第27页/共77页第二十八页，共77页。2922/4/afadarkrCVFkTBRqkTCnS22222afaWresetdarkshotr2readdarkrnS317319318一般(ybn)将复位噪声和输出放大器噪声称为读出噪声read

12、，上式改写为：第28页/共77页第二十九页，共77页。302/readdarkrnSSSNR2/readdarkBrnSSSSNR有时，对目标成像是在光照背景下完成的，背景信号(xnho)为SB，计算公式应做如下修改：320321第29页/共77页第三十页，共77页。31第30页/共77页第三十一页，共77页。3222PRNUreaddarksysnSSUPRNU22)(SUnSreaddarksys222PRNUFPNreaddarksysnS当忽略固定图形(txng)噪声(FPN)而只考虑响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声为：由于所以：322323324第31页/共77页第三十二页，共7

13、7页。332)(SUSsysSr当考虑响应非均匀(jnyn)性(PRNU)时的系统噪声和信噪比为：满阱电荷和响应非均匀性是最大信噪比的限制。325326327SSSNRrr/21/USSSSNRsyssys第32页/共77页第三十三页，共77页。34readreadr2SNRr等于一的曝光量称为等效噪声曝光量NEE。这时可以忽略响应(xingyng)非均匀性的影响。实际上，这时是不能忽略暗电流噪声的。读出噪声和暗电流决定CCD的探测限制。328329readrSSNR/2/readdarksyssysnSSSNR第33页/共77页第三十四页，共77页。35光子霰粒噪声 不能降低(jingd)和

14、补偿，是信噪比的限制（满阱电荷影响）第34页/共77页第三十五页，共77页。36CCD输出采样脉冲输出嵌位脉冲？第35页/共77页第三十六页，共77页。37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(yngyng)中是很重要的。最小光能量CCD能探测的最小光能量应该是其输出信噪比大于或等于1的光能量，定义使CCD输出信噪比等于1的光能量为等效噪声曝光量NEE最大光能量CCD能探测的最大光能量是CCD的饱和曝光量SEE动态(dngti)范围DR：NEESEEDR/330第36页/共77页第三十七页，共77页。38动态范围也可以用满阱电荷和读出噪声电子数来计算

15、(j sun)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read可以表示CCD探测最小信号能力。动态(dngti)范围DR：readdarkwellnnDR/ )(有的厂家将动态范围定义为饱和电压与暗信号之比，不是很合理。331第37页/共77页第三十八页，共77页。39像元尺寸和像元数是决定系统视场角和分辩率的重要参数(cnsh)，在某种程度上也是决定系统体积和重量的决定性因素。像元尺寸a的大小直接影响光学系统(xtng)的设计，因为它确定了系统(xtng)的Nyquist频率fN ：)/( 2/1mmlpafN324第38页/共77页第三十九页，共77页。40Nyqu

16、ist频率越高，光学系统的设计、加工和装调就越困难(kn nn)。一般高级胶片相机，如Nikon相机在Nyquist频率小于或等于50lp/mm时具有较好的成像质量。像元尺寸a (m) 2.557.51015fN (lp/mm)200100 66.75033.3第39页/共77页第四十页，共77页。41像元数：5000，像元尺寸(ch cun)： 7m 7 m哑像元(Dummy Pixels)和暗信号(xnho)参考像元第40页/共77页第四十一页，共77页。42CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lx

17、sPhoto Response Non UniformityPRNU310 %(Note 2)PRNU (3)410mV(Note 8)Saturation Output VoltageVSAT1.5 2.0 V(Note 3)Saturation ExposureSE 0.14 0.22lxs(Note 4)Dark Signal VoltageVDRK1.02.5mV(Note 5)Dark Signal Non UniformityDSNU1.02.5mV(Note 5)DC Power DissipationPD 350400mWTotal Transfer EfficiencyTTE

18、92 %Output ImpedanceZo 0.21kDynamic Range DR 2000(Note 6 )DC Signal Output VoltageVOS1 4.05.5 7.0V(Note 7)VOS2 4.05.57.0V(Note 7)DC Differential Error Voltage|VOS1VOS2|300mVRandom NoiseND 0.6 mV(Note 9)第41页/共77页第四十二页，共77页。43%100 / xxPRNU测试条件：Ta = 25C, VOD = 12 V, V = VSH = VRS = VCP = 5 V (脉冲(michng

19、), f = 1 MHz, tINT = 10 ms, 光源：日光型荧光灯, 负载电阻 = 1.00 k。注2: 在50%饱和曝光量 (典型值)处测量PRNU的定义 : 是信号平均值， 是最大偏差(pinch)（通道1）在 2500 像元模式(通道2)工作时, 测试条件同上。注3: VSAT 定义为所有有效像元最小的饱和输出电压。 注 4:饱和曝光量 SE的定义 :)( /slxRVSESAT第42页/共77页第四十三页，共77页。44CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lxsPhoto Respons

20、e Non UniformityPRNU310 %(Note 2)PRNU (3)410mV(Note 8)Saturation Output VoltageVSAT1.5 2.0 V(Note 3)Saturation ExposureSE 0.14 0.22lxs(Note 4)Dark Signal VoltageVDRK1.02.5mV(Note 5)Dark Signal Non UniformityDSNU1.02.5mV(Note 5)DC Power DissipationPD 350400mWTotal Transfer EfficiencyTTE92 %Output Imp

21、edanceZo 0.21kDynamic Range DR 2000(Note 6 )DC Signal Output VoltageVOS1 4.05.5 7.0V(Note 7)VOS2 4.05.57.0V(Note 7)DC Differential Error Voltage|VOS1VOS2|300mVRandom NoiseND 0.6 mV(Note 9)第43页/共77页第四十四页，共77页。45 /DRKSATVVDR 注5: VDRK 定义为所有有效(yuxio)像元暗信号电压的平均值。DSNU定义为VDRK 与 VMDK 的差值， VMDK是暗信号电压最大值。注 6:

22、 动态范围 DR定义 : VDRK 与积分时间 tINT 成比例，短积分时间 有可能(knng)增大DR。注 7: DC 信号输出电压和 DC 补偿输出电压定义为右图注8: PRNU (3) 定义为在 5% SE (典型值)条件下，相邻像元间最大信号电压差。第44页/共77页第四十五页，共77页。46CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lxsPhoto Response Non UniformityPRNU310 %(Note 2)PRNU (3)410mV(Note 8)Saturation Outp

23、ut VoltageVSAT1.5 2.0 V(Note 3)Saturation ExposureSE 0.14 0.22lxs(Note 4)Dark Signal VoltageVDRK1.02.5mV(Note 5)Dark Signal Non UniformityDSNU1.02.5mV(Note 5)DC Power DissipationPD 350400mWTotal Transfer EfficiencyTTE92 %Output ImpedanceZo 0.21kDynamic Range DR 2000(Note 6 )DC Signal Output VoltageV

24、OS1 4.05.5 7.0V(Note 7)VOS2 4.05.57.0V(Note 7)DC Differential Error Voltage|VOS1VOS2|300mVRandom NoiseND 0.6 mV(Note 9)第45页/共77页第四十六页，共77页。47注 9: 随机噪声定义为无照明条件下两个相邻有效(yuxio)像元之间信号差值的标准方差() 。计算过程如下：1)一次读出的两个像元 (n 和 n + 1) 确定作为测量点； 2)每次输出时，取 200 ns内平均作为 Vn和Vn + 1；3)用 Vn 减去 Vn + 1得到V： V Vn Vn + 1；4)4）重复

25、读出30次并作2)和3)步，计算标准(biozhn)方差() 第46页/共77页第四十七页，共77页。485) 重复(chngf)2)、 3) 和 4)步 10 次得到 10 个值6）利用上述方法计算的 值是实际(shj)随机噪声的 倍 ，最后随机噪声为：2第47页/共77页第四十八页，共77页。49以2048像元线阵列CCD为例说明(shumng)试验设备：积分球被试设备：线阵CCD相机第48页/共77页第四十九页，共77页。50sys20481220012200120481),(2001),(2001inisysjinijigjigjigg像元 i 200次平均值像元 i 噪声(zoshn

26、g)总噪声第49页/共77页第五十页，共77页。51FPN2001204812048211( ,)200120481()2048D ijDD iiFPND iDiVg ijVVVV像元i暗电流平均值暗电流总平均值第50页/共77页第五十一页，共77页。52dark2048120012),(20482001ijDidarkVjig第51页/共77页第五十二页，共77页。535001),(5001jDimmiVjigg)20481( igmi 差的峰峰值或均方差表示(biosh)响应度的非均匀性。第52页/共77页第五十三页，共77页。54第53页/共77页第五十四页，共77页。55第54页/共7

27、7页第五十五页，共77页。562001),(2001jDimmiVjiggRmDbDRgRmimi第55页/共77页第五十六页，共77页。5700.511.522.5050100150200250239.623.214Y1Y22.2980.29X第56页/共77页第五十七页，共77页。58国内尚没有完整的测试标准, 准备推出一份通用(tngyng)规范。欧洲欧空局(ESA)于1993年提出一个(y )CCD测试规范：Electro-Optical Test Methods for Charge Coupled DevicesESA/SCC Basic Specification No. 250

28、0第57页/共77页第五十八页，共77页。59整个规范分为(fn wi)六部分：1 范围2 引用文件（空）3 术语、定义、缩略语、符号和单位4 测试设备5 电气测试方法（包含5项测试）6 光电测试方法（包含29项测试）第58页/共77页第五十九页，共77页。60第三(d sn)部分中定义了CCD输出波形CCD输出的行头寄存器暗电流(寄存器光敏元)暗电流(寄存器光敏元)暗电流+光电信号Vs:信号电压输出(shch)输出CCDCDS第59页/共77页第六十页，共77页。61CCD输出(shch)的行尾Vs:信号(xnho)电压寄存器暗电流寄存器暗电流+行转移残留信号CCD输出CDS输出第60页/共

29、77页第六十一页，共77页。62理想(lxing)CCD输出第61页/共77页第六十二页，共77页。63第五和第六部分的测试方法中，每项测试包括的内容：测试参数(cnsh)名称1 该参数(cnsh)定义2 测试原理3 测试条件下面介绍光电测试方法中的第4项(随机噪声)，17项(响应(xingyng)度)和19项(量子效率)。第62页/共77页第六十三页，共77页。646.4 随机噪声(Temporal Noise)6.4.1 定义CCD输出中的随机噪声有以下来源(liyun)：(1) CCD输出放大器噪声(2)复位噪声(3)霰粒噪声（包括光电信号和暗电流）(4) CCD片外电路噪声以及时钟和偏

30、置引线干 扰引入的噪声假定噪声(zoshng)(4) 在总噪声(zoshng)中占的比例很小，总噪声(zoshng)是其它3项的均方根值。第63页/共77页第六十四页，共77页。656.4.2 测试原理(1) 器件处于正常工作(gngzu)状态，详细记录CCD负载以及测试放大器增益等数据；第64页/共77页第六十五页，共77页。666.4.2 测试原理(2) 获取一个像元的N次连续测量(cling)数据Xi，噪声m为：其中G为片外增益(zngy)，N至少应该为1000。如有必要，可以对一组具有相同噪声的像元进行测量平均测量像元是哑像元，如使用有效像元，应考虑暗电流影响。第65页/共77页第六十六页，共77页。676.4.2 测试原理(3) 当相邻(一行(yxng)或一列)像元的噪声不相关时，可以采用如下方法测量m：连续对同一列或同一行进行(jnxng)两次测量，获数据L1和L1。L1 ：x1、x2 xN; L1 ： x1、x2 xN去除响应非均匀性影响后，可以用下