影響CCD成像的若干因素

1、1、像素：這個是常見的參數(shù)。在芯片確定的情況下，像素越高，靈敏度越低，兩者是反比關系，所以像素不是越高越好，在像素夠用的情況下應盡量優(yōu)先確保靈敏度。2、動態(tài)范圍：實際上這個參數(shù)取決于另外2個參數(shù)。動態(tài)范圍=20Xlog10(滿井電子/總噪音）這個參數(shù)越高也表征CCD的靈敏度越高。3、滿井電子：從動態(tài)范圍的計算看的出來，滿井電子數(shù)越大越好。4、噪音：簡單理解就是雜信號，有讀出噪聲和暗噪聲,讀出噪聲相機電子元件處理圖象時的額外噪音，與電子效率有關。圖森相機通過相關雙采樣的方法，能顯著降低CCD讀出噪聲。  5、制冷：CCD工作時溫度會升高，這會產(chǎn)生噪音，尤其是長時間曝光（若熒光

2、拍攝等情況需要較長的曝光時間），如果把溫度降低，可以減少這類噪音，所以大家看到有冷CCD。制冷方式有很多，比如裝風扇、半導體制冷、水循環(huán)制冷，還有用液氮制冷的，制冷越低，降噪越好，但是成本也就越高。圖森二級半導體制冷CCD,可制冷至室溫下-45。6、灰階：一般是寫的多少bit，這個值高點好些，這樣在一些層次比較多或者不容易區(qū)分的圖片的拍攝上會有幫助，常見的是醫(yī)院血液科的血涂片拍攝：紅血球非常薄而且多，經(jīng)常在鏡下觀察時會發(fā)現(xiàn)有不少是有重疊的，人眼還比較好區(qū)分重疊的部分，但是換到CCD上面的話，基本需要12bit以上了，最好是14bit的。對于做灰度分析或者熒光定量分析的，灰階還是高點好。7、芯片

3、尺寸：因為像素和靈敏度的反比關系，所以芯片尺寸自然是大的好些。8、速度：這個自然是越快越好，不過要注意區(qū)分：速度分為讀出速度，預覽速度，采集速度；讀出速度高不一定預覽、采集就快，因為它還受后面接口、電腦等的影響；預覽速度受分辨率影響，采集速度相對好點，因為他的變動基本上就只有電腦配置高低影響了。 9、接口：最常用的是 USB接口，1394其次，還有就是串口。10、binning：這是提高CCD預覽、采集的常見方法，支持的binning越高，速度也就能提的更高，不過會犧牲分辨率其實它就是把幾個像素當作一個像素計算，比如2X2，就是把4個像素當作一個像素。11、曝光時間：支持的時間越長，

4、在拍攝弱光的時候會好些；至于說最小曝光時間，原理上可以側(cè)面反應CCD的靈敏度，但是需要參考的條件比較多。 12、GAIN：一個信號放大的參數(shù)，GAIN越大，所需要的曝光時間也就越短，但是相應的噪音也就會增加。顯微鏡拍攝的目的，是要將視野下看得的范圍真實的展現(xiàn)出來，因此，專業(yè)的顯微攝影拍攝，還是要用到專業(yè)的顯微攝影相機。CCD是常見的數(shù)碼成像設備，原理是通過感光電流產(chǎn)生、放大和AD轉(zhuǎn)換而采集信號。這個過程不可避免的還要使用模擬放大電路來完成，總所周知，模擬電路會因為熱噪聲、電感應CCD(Charge Coupled Device)全稱為電荷耦合器件，是70年代發(fā)展起來的新型半導體器件。

5、它是在MOS集成電路技術基礎上發(fā)展起來的，為半導體技術應用開拓了新的領域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應用。CCD圖像傳感器能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、生物醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。衡量CCD好壞的指標很多，有像素數(shù)量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素數(shù)以及CCD尺寸是重要的指標。相關知識:CCD工作原理 一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一

6、些輔助輸入、輸出電路組成.CCD工作時,在設定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進行取樣,將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少.取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應單元中.移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設備中,就可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理.由于CCD光敏元可做得很小(約10um),所以它的圖象分辨率很高.一CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存貯電荷原理 CCD的基本單元是MOS電容器,這種電容器能存貯電荷,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.以P型硅為例,在P型硅襯底上通過氧化在表面形成SiO2層,然后在SiO2 上淀積一層金屬為柵極

7、,P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴,少數(shù)載流子是帶負電荷的電子,當金屬電極上施加正電壓時,其電場能夠透過SiO2絕緣層對這些載流子進行排斥或吸引.于是帶正電的空穴被排斥到遠離電極處，剩下的帶負電的少數(shù)載流子在緊靠SiO2層形成負電荷層（耗盡層），電子一旦進入由于電場作用就不能復出，故又稱為電子勢阱。當器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，這時出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數(shù)量，實現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處

8、于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時間內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。 總之,上述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是個微小的MOS電容,用它構(gòu)成象素,既可“感光”又可留下“潛影”,感光作用是靠光強產(chǎn)生的電子電荷積累,潛影是各個象素留在各個電容里的電荷不等而形成的,若能設法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端,再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實現(xiàn)了圖象的傳遞.二電荷的轉(zhuǎn)移與傳輸 CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器,它的表面由不透光的鋁層覆蓋,以實現(xiàn)光屏蔽.由上面討論可知,MOS電容器上的電壓愈高,產(chǎn)生的勢阱愈深,當外加電壓一定,勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小.利用這一特性,通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓

9、高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺.制造時將MOS電容緊密排列,使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”.認為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小(目前工藝可做到0.2m),在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下,就可使信號電荷由淺處流向深處,實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移.為了保證信號電荷按確定路線轉(zhuǎn)移,通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖.下面我們分別介紹三相和二相CCD結(jié)構(gòu)及工作原理.1.三相CCD傳輸原理簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖2所示.每一級也叫一個像元,有三個相鄰電極,每隔兩個電極的所有電極(如1、4、7,2、5、8,3、6、9)都接在一起,由3個相位相差1200 的時鐘脈

10、沖1、2、3來驅(qū)動,故稱三相CCD,圖2(a)為斷面圖;圖(b)為俯視圖;圖(d)給出了三相時鐘之間的變化.在時刻t1,第一相時鐘1處于高電壓,2、3處于低壓.這時第一組電極1、4、7下面形成深勢阱,在這些勢阱中可以貯存信號電荷形成“電荷包”,如圖(c)所示.在t2時刻1電壓線性減少,2為高電壓,在第一組電極下的勢阱變淺,而第二組(2、5、8)電極下形成深勢阱,信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移,直到t3時刻,2為高壓,1、3為低壓,信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面.重復上述類似過程,信息電荷可從2轉(zhuǎn)移到3,然后從3轉(zhuǎn)移到1電極下的勢阱中,當三相時鐘電壓循環(huán)一個時鐘周期時,電荷包向右轉(zhuǎn)移一級

11、(一個像元),依次類推,信號電荷一直由電極1、2、3N向右移,直到輸出.2二相CCD傳輸原理CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)的.在三相CCD 中是靠時鐘脈沖的時序控制,來形成非對稱勢阱.但采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢勢阱,從而變成二相驅(qū)動的CCD.目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu).實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有:階梯氧化層電極階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)參見圖3.由圖可見,此結(jié)構(gòu)中將一個電極分成二部分,其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚,則在同一電壓下,左邊電極下的位阱淺,自動起到了阻擋信號倒流的作用.設置勢壘注入?yún)^(qū)(圖4)對于給定的柵壓, 位阱深度是摻雜濃度的函數(shù).摻雜濃度高,則位阱淺.采用

12、離子注入技術使轉(zhuǎn)移電極前沿下襯底濃度高于別處,則該處位阱就較淺,任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動.三電荷讀出 CCD的信號電荷讀出方法有兩種:輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法.圖5(a)是在線列陣未端襯底上擴散形成輸出二極管,當二極管加反向偏置時,在PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生耗盡層.當信號電荷通過輸出柵OG轉(zhuǎn)移到二極管耗盡區(qū)時,將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流輸出.輸出電流的大小與信息電荷大小成正比,并通過負載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣0輸出.圖5(b)是一種浮置柵MOS放大器讀取信息電荷的方法.MOS放大器實際是一個源極跟隨器,其柵極由浮置擴散結(jié)收集到的信號電荷控制,所以源極輸出隨信號電荷

13、變化.為了接收下一個“電荷包”的到來,必須將浮置柵的電壓恢復到初始狀態(tài),故在MOS輸出管柵極上加一個MOS復位管.在復位管柵極上加復位脈沖R,使復位管開啟,將信號電荷抽走,使浮置擴散結(jié)復位.圖5(c)為輸出級原理電路,由于采用硅柵工藝制作浮置柵輸出管,可使柵極等效電容C很小.如果電荷包的電荷為Q,A點等效電容為C,輸出電壓為U0,A點的電位變化U=,因而可以得到比較大的輸出信號,起到放大器的作用,稱為浮置柵MOS放大器電壓法.帶冷卻CCD現(xiàn)在有一種帶冷卻的攝像頭,為什么要冷卻,冷卻后會有什么效果,這種攝像頭在病理科學中有什么應用,對這些問題有所了解,選擇攝像頭時就可以少一些盲點.要理解冷卻攝像

14、頭,先要了解一些基本概念:帶冷卻CCD的工作原理如圖所示:CCD 的暗電流:從原理上講,暗電流是電子做熱運動引起的,即使在沒有入射光時,電子也存在熱運動,也會被光敏元件所捕獲(potential well),并作為光電信號輸出.理想的光敏元件其暗電流應該是零,但是,實際狀況是每個像素中的光敏元件同時又充當了電容,當電容器慢慢地釋放電荷時,就算沒有入射光,暗電流的電壓也會與低亮度入射光的輸出電壓相當.因此,即使關閉鏡頭我們還是能從顯示器上看到部分光亮的顯示.這種暗電流是隨機的,在一定的時間間隔內(nèi),所產(chǎn)生的熱電子數(shù)量符合POISSAN分布,并隨溫度的增高而增強.暗電流是熱噪聲的主要來源,可以通過冷

15、卻CCD來控制,溫度每降低6攝氏度,暗電流可以減少2個單位.熱像素:由于CCD的硅片純度不是100%,因此,部分像素就可能嚴重地受到暗電流的干擾,會比其他大部分像素以快得多的速率(通常會達到100倍)積聚暗電流,一個未帶冷卻的CCD,拍攝黑暗的圖像(關閉鏡頭,無入射光),經(jīng)過幾秒鐘后,就會出現(xiàn)滿天星的黑夜圖像.使CCD冷卻也同樣可以控制熱像素所帶來的噪聲.下圖所示即為控制暗電流輸出后,未帶冷卻的CCD,在無入射光線時,經(jīng)過1,5,10,50秒后分別拍攝的圖像.信噪比:信噪比就是真值信號與噪聲的比值,CCD的噪聲來源很多,如熱噪聲(暗電流和熱像素),光子噪聲,讀出噪聲等等,在信號強度較高時,噪聲被淹蓋,噪聲對影像質(zhì)量的影響并不明顯,但在光信號較弱的情況下,如天文望遠鏡,免疫熒光顯微等,噪聲對圖像質(zhì)量的影響就比較大,因此就要想辦法提高信噪比. CCD本身無法判別電子