CCD的主要性能指標(biāo)課件

1、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)1CCD成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用成像技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用第三章 CCD的主要性能指標(biāo) 郝志航中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)2內(nèi)容CCD的主要性能指標(biāo)量子效率QE和響應(yīng)度R暗電流和暗電流噪聲噪聲和信噪比動(dòng)態(tài)范圍實(shí)例說明CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)小結(jié)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)3CCD的主要性能指標(biāo) 軌道高度(H) 地面像元分辨率(GSD) 系統(tǒng)靜態(tài)傳遞函數(shù)(MTFsys) 光譜波段(BW) 地面覆蓋寬度 最小太陽(yáng)高角()時(shí)信噪比(SNR) 相機(jī)質(zhì)量(M) 相機(jī)功耗(P) 典型遙感相

2、機(jī)的主要性能要求典型遙感相機(jī)的組成：光學(xué)系統(tǒng)；光機(jī)結(jié)構(gòu)；CCD成像；熱控。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)4CCD的主要性能指標(biāo)地面像元分辨力(MTFSYS)太陽(yáng)高角(信噪比)地面覆蓋(視場(chǎng)角)質(zhì)量(f，F(xiàn))CCD光學(xué)系統(tǒng)熱控系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)5CCD的主要性能指標(biāo) CCD的主要性能指標(biāo)指的是對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生主要影響的指標(biāo)。主要性能：量子效率QE（響應(yīng)度R）、飽和曝光量SEE、傳遞函數(shù)(MTFCCD )、噪聲n、暗電流等。其它性能：像元尺寸、像元數(shù)、電荷轉(zhuǎn)移效率、響應(yīng)非均勻性、環(huán)境適應(yīng)能力等。CCD應(yīng)用對(duì)CCD性能指標(biāo)

3、的要求CCD生產(chǎn)廠家提供的CCD性能指標(biāo)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)6CCD的主要性能指標(biāo)參數(shù)參數(shù)符號(hào)符號(hào)東芝東芝TCD1503TCD1503柯達(dá)柯達(dá)KLI2113KLI2113e2ve2vTH7834TH7834靈敏度靈敏度R R9 V/lx.s9 V/lx.s50V/J/cm50V/J/cm2 2650n650nmm32V/J/cm32V/J/cm2 2540n540nmm25V/J/cm25V/J/cm2 2460n460nmm5 5 V/V/ J/cmJ/cm2 2響應(yīng)非均勻性響應(yīng)非均勻性PRNUPRNU3%3%5%5%6%Vos6%Vos飽和輸出電壓飽和

4、輸出電壓VsatVsat2.0 V2.0 V2.02.03.0V3.0V電荷轉(zhuǎn)換因子電荷轉(zhuǎn)換因子CVFCVF11.5V/e-11.5V/e-6V/e-6V/e-飽和信號(hào)電荷飽和信號(hào)電荷Ne.saNe.sat t170k e-170k e-CCD廠家給出的性能指標(biāo)形式中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)7CCD的主要性能指標(biāo)參數(shù)參數(shù)符號(hào)符號(hào)東芝東芝TCD1503TCD1503柯達(dá)柯達(dá)KLI2113KLI2113e2ve2vTH7834TH7834暗信號(hào)電壓暗信號(hào)電壓V VDRKDRK1.0 mV1.0 mV100100 V/msV/ms暗電流暗電流IdarkIdark0.0

5、2 pA/pixel0.02 pA/pixel暗信號(hào)非均勻性暗信號(hào)非均勻性DSNUDSNU1.0 mV1.0 mV9090 V/msV/msNyquistNyquist頻率頻率對(duì)比傳遞函數(shù)對(duì)比傳遞函數(shù)500nm500nm600nm600nm700nm700nmCTFCTF75%75%62%62%47%47%總轉(zhuǎn)移效率總轉(zhuǎn)移效率9292電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率CTECTE.99999.999990.9999980.999998動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍DRDR2000 2000 76 dB76 dB10,00010,000隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲NDND 0.6 mV0.6 mV300300 V V中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春

6、光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)8量子效率QE和響應(yīng)度R 可以用量子效率計(jì)算響應(yīng)度，響應(yīng)度的單位是A/W或 。計(jì)算公式如下：hcqRAWA/hcARpe2/cmJe2/cmJe（31）(2-4)（32）(2-5)其中， 是電子電荷， 是量子效率， 是像元有效面積。式中 是CCD中常用的輻照量單位。輻照量的基本單位是 。qpA2/cmJ2/mJ中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)9量子效率QE和響應(yīng)度R 在CCD工作過程的最后一步，將電子電荷轉(zhuǎn)換為電壓，電荷轉(zhuǎn)換因子CVF為：hcACVFRp2/cmJV其中， 是電子電荷， 是量子效率， 是像元有效面積，G為CC

7、D片內(nèi)放大倍數(shù)。 qpA/ eVCGqCVF與前式聯(lián)合可以得到電壓輸出的響應(yīng)度R（33）（34）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)10一個(gè)行間轉(zhuǎn)移CCD器件的填充系數(shù)為50,像元面積是11.4m13.8m,電荷轉(zhuǎn)換因子CVF為6V/-。如果量子效率在0.6m是 0.8 計(jì)算以V/J/cm2為單位的響應(yīng)度。Ap=7.8710-7cm2。常數(shù)hc是1.991025 J.m/photo。將數(shù)值代入3-4：67256-6104 .118 . 0)1087. 7(101.99106 . 0)106()6 . 0(mR計(jì)算結(jié)果單位為V/J/cm2 ，轉(zhuǎn)換為V/J/cm2 ，結(jié)果為：

8、2/ 4 .11)6 . 0(cmJVmR量子效率QE和響應(yīng)度R 舉例cm2V/-mJ-m/photoV/J/cm2中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)11遙感相機(jī)CCD靶面上輻照量的計(jì)算：條件：無窮遠(yuǎn)面發(fā)光目標(biāo)，發(fā)光目標(biāo)為朗伯體，發(fā)光強(qiáng)度與方向無關(guān)，輻出度為M0(W/m2)。相機(jī)入瞳處輻亮度L為：其中a為大氣透過率量子效率QE和響應(yīng)度R)/( 200msrWMLa（35）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)12量子效率QE和響應(yīng)度R遙感相機(jī)CCD靶面輻照度 為：CCD靶面輻照量為：)/( /42200mWFLEoptics)/( 2int00mJt

9、EH式中optics為光學(xué)系統(tǒng)透過率，F(xiàn)為相對(duì)孔徑，tint為CCD積分時(shí)間。（37）（36）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)13量子效率QE和響應(yīng)度R有些CCD的響應(yīng)度是以光度參數(shù)給出的，如R的單位是V/lx.s。當(dāng)以光度參數(shù)給出響應(yīng)度時(shí)，需要指定光源的色溫。有時(shí)需要進(jìn)行輻射度參數(shù)與光度參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。思考題：如何進(jìn)行以V/lx.s和V/J.m2兩種響應(yīng)度單位的轉(zhuǎn)換？光源色溫指定為2856K。參考資料: 1光電技術(shù)王慶有主編，電子工業(yè)出版社2005年2 CCD Arrays Cameras and Displays By Gerald C. Holst SPIE P

10、ress 1998中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)14暗電流和暗電流噪聲暗電流對(duì)CCD成像的影響：降低了動(dòng)態(tài)范圍；1增加了CCD噪聲。 inttDnedark暗電流噪聲與其他熱噪聲一樣，其概率密度分布為Poisson分布。積分時(shí)間為tint時(shí)，暗電流電子數(shù)暗電流噪聲分別和為：inttDnedarkdark（310）（311）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)15暗電流和暗電流噪聲在不同暗電流密度(nA/cm2)下，暗電流(e-/sec/pixel)與溫度(C)的關(guān)系曲線。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)16暗電流和暗電

11、流噪聲為了將暗電流降低一倍，工作溫度25C時(shí), 需要將溫度降低 8C ；-50C時(shí), 需要降低 4.8C ；而 -100C 時(shí)，只需降低2.9C。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)17暗電流和暗電流噪聲TI公司TC271在27時(shí)，Jdc100 pA/cm2 ；陣列溫度每增加78，暗電流密度增加一倍。 溫度溫度暗電流密度暗電流密度pA/ cmpA/ cm2 211百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)變化變化加倍的加倍的溫度溫度6060113611366.66.610. 810. 840402762767.77.79.59.5202055.855.88.98.98.48.40 09.029.021

12、0.210.27.27.2-20-201.111.1111.911.96.26.2-40-409.589.5810102 214.114.15.35.3-60-605.335.3310103 317.017.04.44.4-80-801.661.6610104 420.920.93.63.6中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)18暗電流和暗電流噪聲CCD的暗電流在說明書中通常以以下三種方式給出：1）一定時(shí)間內(nèi)的暗信號(hào)電子數(shù)；2）一定時(shí)間內(nèi)暗信號(hào)的電壓值；3）暗電流密度。單位時(shí)間暗信號(hào)電子數(shù)的公式：其中，Jdc為暗電流密度，T是絕對(duì)溫度，Eg是帶隙。（38）)2/(5 .

13、115105 . 2kTEdcsegeTJADTTEg110810021. 711557. 124（39）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)19暗電流和暗電流噪聲舉例CCD像元尺寸為12 m x 12m， 300K 時(shí)暗電流密度10 pA/cm2 ，求出該CCD在 -10C (263K), -50C (223K) 和 -100C (173K)時(shí)的暗電流由(3-9)計(jì)算Eg263K時(shí)， Eg = 1.120278 eV 223K時(shí)， Eg = 1.129468 eV173K時(shí)， Eg = 1.139296 eV再用(38)計(jì)算De263K時(shí)，De = 2.911 e/pi

14、xel/s223K時(shí)， De = 2.123 x 10-2 e/pixel/s173K時(shí)， D e= 2.149 x 10-6 e/pixel/s中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)20噪聲和信噪比 光電響應(yīng)模型21int)()(nDSVVdtERVnDSVVtERVint光譜范圍12的CCD輸出電壓VS其中，VD和Vn分別為暗電流和噪聲，R()為光譜響應(yīng)度，E ()為光譜輻照度；當(dāng)利用平均光譜參數(shù)時(shí)，（312）（313）（37）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)21噪聲和信噪比噪聲的類型隨機(jī)噪聲（Random Noise):時(shí)空域上隨機(jī)變化，只能

15、用統(tǒng)計(jì)特性描述；圖形噪聲（Pattern Noise):時(shí)域上不變，空域上變化。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)22噪聲和信噪比理想輸出信號(hào)光子霰粒噪聲暗電流噪聲復(fù)位噪聲中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)23噪聲和信噪比放大器白噪聲放大器1/f噪聲量化噪聲中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)24噪聲和信噪比 隨機(jī)噪聲只考慮CCD芯片內(nèi) 霰粒噪聲 shot 復(fù)位噪聲 reset 暗電流噪聲 dark 放大器噪聲 a中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)25噪聲和信噪比霰粒噪聲（Shot Noise) 霰粒

16、噪聲是與入射光子數(shù)隨機(jī)變化有關(guān)的噪聲，在給定時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)服從帕松（Poisson)分布，霰粒噪聲的均方根值（以電子數(shù)計(jì)） S為信號(hào)電子數(shù)。 暗電流噪聲（ndark為暗電流電子數(shù)）Sshotdarkdarkn314315中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)26噪聲和信噪比 熱噪聲熱噪聲是白噪聲；電阻R上熱噪聲的均方根電壓k: 波爾茨曼常數(shù)，T:絕對(duì)溫度，B:帶寬kTBRVR4中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)27噪聲和信噪比 噪聲等效帶寬（NEB）0220)(1dffAABRCRCB41212中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能

17、指標(biāo)28噪聲和信噪比 復(fù)位噪聲qkTCreset/中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)29噪聲和信噪比 輸出放大器噪聲白噪聲（White Noise)：輸出放大器電阻的熱噪聲aWCVFkTBRaaW/4閃爍噪聲（Flicker Noise) (1/f 噪聲）af316中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)30噪聲和信噪比 總隨機(jī)噪聲總的隨機(jī)噪聲包括霰粒噪聲、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲和輸出放大器噪聲。22/4/afadarkrCVFkTBRqkTCnS22222afaWresetdarkshotr2readdarkrnS317319318一般將復(fù)位噪聲和輸出

18、放大器噪聲稱為讀出噪聲r(shí)ead，上式改寫為：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)31噪聲和信噪比 信噪比通常計(jì)算CCD信噪比時(shí)，只考慮時(shí)域上的隨機(jī)噪聲。因?yàn)榭臻g分布的圖形噪聲是可以補(bǔ)償?shù)摹榱藝?yán)格起見，我們還是將這樣計(jì)算的信噪比標(biāo)注為SNRr，計(jì)算公式為：2/readdarkrnSSSNR2/readdarkBrnSSSSNR有時(shí)，對(duì)目標(biāo)成像是在光照背景下完成的，背景信號(hào)為SB，計(jì)算公式應(yīng)做如下修改：320321中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)32噪聲和信噪比圖形噪聲（ Pattern Noise) 固定圖形噪聲（FPN) 無照明時(shí)，像元與像元之

19、間輸出的變化，主要為各像元之間暗電流的差別。 噪聲性質(zhì)：相加，可以補(bǔ)償。 響應(yīng)非均勻性（PRNU) 有照明時(shí)，像元與像元之間輸出的變化，主要為各像元之間響應(yīng)度的差別。將PRNU (U)定義為響應(yīng)度差的均方根值除以平均值 。 噪聲性質(zhì)：相乘，可以補(bǔ)償。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)33噪聲和信噪比圖形噪聲（Pattern Noise)考慮固定圖形噪聲(FPN)和響應(yīng)非均勻性(PRNU)時(shí)的系統(tǒng)噪聲為：22PRNUreaddarksysnSSUPRNU22)(SUnSreaddarksys222PRNUFPNreaddarksysnS當(dāng)忽略固定圖形噪聲(FPN)而只考慮

20、響應(yīng)非均勻性(PRNU)時(shí)的系統(tǒng)噪聲為：由于所以：322323324中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)34噪聲和信噪比信噪比極限CCD可以達(dá)到的最大信噪比光信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越大，這時(shí)可以忽略讀出噪聲和暗電流噪聲。當(dāng)只考慮隨機(jī)噪聲時(shí)，總噪聲和信噪比為：2)(SUSsysSr當(dāng)考慮響應(yīng)非均勻性(PRNU)時(shí)的系統(tǒng)噪聲和信噪比為：滿阱電荷和響應(yīng)非均勻性是最大信噪比的限制。325326327SSSNRrr/21/USSSSNRsyssys中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)35噪聲和信噪比探測(cè)極限光信號(hào)非常弱時(shí)，信噪比很??；忽略暗電流噪聲時(shí)，當(dāng)只考慮隨機(jī)噪

21、聲時(shí)，總噪聲和信噪比為：readreadr2SNRr等于一的曝光量稱為等效噪聲曝光量NEE。這時(shí)可以忽略響應(yīng)非均勻性的影響。實(shí)際上，這時(shí)是不能忽略暗電流噪聲的。讀出噪聲和暗電流決定CCD的探測(cè)限制。328329readrSSNR/2/readdarksyssysnSSSNR中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)36噪聲和信噪比 提高信噪比的方法為了提高信噪比必須降低噪聲： 復(fù)位噪聲和放大器噪聲 相關(guān)雙采樣技術(shù) 暗電流噪聲 制冷 固定圖形噪聲(FPN) 補(bǔ)償(必須預(yù)先測(cè)量) 響應(yīng)非均勻性(PRNU) 補(bǔ)償(必須預(yù)先測(cè)量) 光子霰粒噪聲 不能降低和補(bǔ)償，是信噪比的限制 （滿阱電

22、荷影響）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)37噪聲和信噪比 提高信噪比的方法 相關(guān)雙采樣可以抑制復(fù)位噪聲和放大器1/f 噪聲。CCD輸出采樣脈沖輸出嵌位脈沖？中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)38動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)描述CCD能夠探測(cè)最小光能量和最大光能量比例的性能參數(shù)，在許多應(yīng)用中是很重要的。最小光能量CCD能探測(cè)的最小光能量應(yīng)該是其輸出信噪比大于或等于1的光能量，定義使CCD輸出信噪比等于1的光能量為等效噪聲曝光量NEE最大光能量CCD能探測(cè)的最大光能量是CCD的飽和曝光量SEE動(dòng)態(tài)范圍DR：NEESEEDR/330中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)

23、械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)39動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍也可以用滿阱電荷和讀出噪聲電子數(shù)來計(jì)算滿阱電荷nwell可以表示CCD探測(cè)最大信號(hào)能力，讀出噪聲電子數(shù)read可以表示CCD探測(cè)最小信號(hào)能力。動(dòng)態(tài)范圍DR：readdarkwellnnDR/ )(有的廠家將動(dòng)態(tài)范圍定義為飽和電壓與暗信號(hào)之比，不是很合理。331中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)40像元尺寸和像元數(shù)像元尺寸和像元數(shù)是決定系統(tǒng)視場(chǎng)角和分辯率的重要參數(shù)，在某種程度上也是決定系統(tǒng)體積和重量的決定性因素。像元尺寸a的大小直接影響光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗_定了系統(tǒng)的Nyquist頻率fN ：)/( 2/1mmlpa

24、fN324中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)41像元尺寸和像元數(shù)Nyquist頻率越高，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào)就越困難。一般高級(jí)膠片相機(jī)，如Nikon相機(jī)在Nyquist頻率小于或等于50lp/mm時(shí)具有較好的成像質(zhì)量。像元尺寸a (m) 2.557.51015fN (lp/mm)200100 66.75033.3中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)42CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D舉例舉例像元數(shù)：5000，像元尺寸： 7m 7 m啞像元(Dummy Pixels)和暗信號(hào)參考像元中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)

25、43CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D舉例舉例CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lxsPhoto 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

26、 UniformityDSNU1.02.5mV(Note 5)DC Power DissipationPD 350400mWTotal Transfer EfficiencyTTE92 %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)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光

27、學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)44CCD主要性能指標(biāo)TCD1503D舉例舉例%100 / xxPRNU測(cè)試條件：Ta = 25C, VOD = 12 V, V = VSH = VRS = VCP = 5 V (脈沖), f = 1 MHz, tINT = 10 ms, 光源：日光型熒光燈, 負(fù)載電阻 = 1.00 k。注2: 在50%飽和曝光量 (典型值)處測(cè)量PRNU的定義 : 是信號(hào)平均值， 是最大偏差（通道1）在 2500 像元模式(通道2)工作時(shí), 測(cè)試條件同上。注3: VSAT 定義為所有有效像元最小的飽和輸出電壓。 注 4:飽和曝光量 SE的定義 :)( /slxRVS

28、ESAT中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)45CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D舉例舉例CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lxsPhoto 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 VoltageVD

29、RK1.02.5mV(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 VoltageVOS1 4.05.5 7.0V(Note 7)VOS2 4.05.57.0V(Note 7)DC Differential Error Voltage|VOS1VOS2|300mVRand

30、om NoiseND 0.6 mV(Note 9)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)46CCD主要性能指標(biāo)TCD1503D舉例舉例 /DRKSATVVDR 注5: VDRK 定義為所有有效像元暗信號(hào)電壓的平均值。DSNU定義為VDRK 與 VMDK 的差值， VMDK是暗信號(hào)電壓最大值。注 6: 動(dòng)態(tài)范圍 DR定義 : VDRK 與積分時(shí)間 tINT 成比例，短積分時(shí)間 有可能增大DR。注 7: DC 信號(hào)輸出電壓和 DC 補(bǔ)償輸出電壓定義為右圖注8: PRNU (3) 定義為在 5% SE (典型值)條件下，相鄰像元間最大信號(hào)電壓差。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研

31、究所CCD的主要性能指標(biāo)47CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D舉例舉例CHARACTERISTICSYMBOLMINTYP.MAXUNIT NOTESensitivityR7.29 10.8V / lxsPhoto 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)Dar

32、k 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 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(Not

33、e 9)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)48CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D舉例舉例注 9: 隨機(jī)噪聲定義為無照明條件下兩個(gè)相鄰有效像元之間信號(hào)差值的標(biāo)準(zhǔn)方差() 。計(jì)算過程如下：一次讀出的兩個(gè)像元 (n 和 n + 1) 確定作為測(cè)量點(diǎn)； 每次輸出時(shí)，取 200 ns內(nèi)平均作為 Vn和Vn + 1；用 Vn 減去 Vn + 1得到V： V Vn Vn + 1；4）重復(fù)讀出30次并作2)和3)步，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方差() 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)49CCD主要性能指標(biāo) TCD1503D5) 重復(fù)2)、 3) 和 4)步 10 次得到 10

34、 個(gè)值6）利用上述方法計(jì)算的 值是實(shí)際隨機(jī)噪聲的 倍 ，最后隨機(jī)噪聲為：2中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)50噪聲和信噪比 噪聲的測(cè)量以2048像元線陣列CCD為例說明試驗(yàn)設(shè)備：積分球被試設(shè)備：線陣CCD相機(jī)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)51噪聲和信噪比 線陣列CCD噪聲測(cè)量 亮場(chǎng)條件下測(cè)量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)，i=12048，j=1200，總噪聲 為:sys20481220012200120481),(2001),(2001inisysjinijigjigjigg像元 i 200次平均值像元 i 噪聲總噪聲中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)

35、精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)52噪聲和信噪比 線陣列CCD固定圖形噪聲測(cè)量 暗場(chǎng)條件下測(cè)量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)，i=12048，j=1200，固定圖形噪聲 為 FPN2001204812048211( ,)200120481()2048D ijDD iiFPND iDiVg ijVVVV像元i暗電流平均值暗電流總平均值中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)53噪聲和信噪比 線陣列CCD暗電流噪聲測(cè)量 暗場(chǎng)條件下測(cè)量，獲取200行圖像數(shù)據(jù)g(i,j)，i=12048，j=1200，暗電流噪聲 為dark2048120012),(20482001ijD

36、idarkVjig中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)54噪聲和信噪比線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測(cè)量 通過改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度從輸出10%到80%飽和輸出測(cè)量8組圖像數(shù)據(jù)，每組500行。對(duì)每組數(shù)據(jù)計(jì)算信號(hào)輸出平均值：5001),(5001jDimmiVjigg)20481( igmi 差的峰峰值或均方差表示響應(yīng)度的非均勻性。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)55噪聲和信噪比線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測(cè)量中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)56噪聲和信噪比線陣列CCD響應(yīng)非均勻性測(cè)量中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指

37、標(biāo)57線陣列CCD響應(yīng)線性度測(cè)量 通過改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度從輸出10%到80%飽和輸出測(cè)量8組圖像數(shù)據(jù)，每組200行。同時(shí)紀(jì)錄光亮度監(jiān)視輸出數(shù)據(jù) ，對(duì)每組數(shù)據(jù)計(jì)算信號(hào)輸出平均值（m=18)： 利用最小二乘法計(jì)算，計(jì)算線性擬和的殘差。2001),(2001jDimmiVjiggRmDbDRgRmimi中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)58響應(yīng)線性度測(cè)量00.511.522.5050100150200250239.623.214Y1Y22.2980.29X中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)59CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)尚沒有完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn), 準(zhǔn)備推出一份通

38、用規(guī)范。歐洲歐空局(ESA)于1993年提出一個(gè)CCD測(cè)試規(guī)范：Electro-Optical Test Methods for Charge Coupled DevicesESA/SCC Basic Specification No. 2500中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)60CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介整個(gè)規(guī)范分為六部分：1 范圍2 引用文件（空）3 術(shù)語(yǔ)、定義、縮略語(yǔ)、符號(hào)和單位4 測(cè)試設(shè)備5 電氣測(cè)試方法（包含5項(xiàng)測(cè)試）6 光電測(cè)試方法（包含29項(xiàng)測(cè)試）中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)61CCD性能指標(biāo)

39、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介第三部分中定義了CCD輸出波形CCD輸出的行頭寄存器暗電流(寄存器光敏元)暗電流(寄存器光敏元)暗電流+光電信號(hào)Vs:信號(hào)電壓輸出輸出CCDCDS中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)62CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介CCD輸出的行尾Vs:信號(hào)電壓寄存器暗電流寄存器暗電流+行轉(zhuǎn)移殘留信號(hào)CCD輸出CDS輸出中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)63CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介理想CCD輸出中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)64CC

40、D性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介第五和第六部分的測(cè)試方法中，每項(xiàng)測(cè)試包括的內(nèi)容：測(cè)試參數(shù)名稱1 該參數(shù)定義2 測(cè)試原理3 測(cè)試條件下面介紹光電測(cè)試方法中的第4項(xiàng)(隨機(jī)噪聲)，17項(xiàng)(響應(yīng)度)和19項(xiàng)(量子效率)。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)65CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介6.4 隨機(jī)噪聲(Temporal Noise)6.4.1 定義CCD輸出中的隨機(jī)噪聲有以下來源：(1) CCD輸出放大器噪聲(2)復(fù)位噪聲(3)霰粒噪聲（包括光電信號(hào)和暗電流）(4) CCD片外電路噪聲以及時(shí)鐘和偏置引線干 擾引入的噪聲假定噪聲

41、(4) 在總噪聲中占的比例很小，總噪聲是其它3項(xiàng)的均方根值。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)66CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介6.4.2 測(cè)試原理(1) 器件處于正常工作狀態(tài)，詳細(xì)記錄CCD負(fù)載以及測(cè)試放大器增益等數(shù)據(jù)；中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)67CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介6.4.2 測(cè)試原理(2) 獲取一個(gè)像元的N次連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)Xi，噪聲m為：其中G為片外增益，N至少應(yīng)該為1000。如有必要，可以對(duì)一組具有相同噪聲的像元進(jìn)行測(cè)量平均測(cè)量像元是啞像元，如使用有效像元，應(yīng)考慮暗電流影響。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所CCD的主要性能指標(biāo)68CCD性能指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ESA/SCC No. 2500簡(jiǎn)介6.4.2 測(cè)試原理(3) 當(dāng)相鄰(一行或一列)像元的噪聲不相關(guān)時(shí)，可以采用如下方法測(cè)量m：連續(xù)對(duì)同一列或同一行進(jìn)行兩次測(cè)量，獲數(shù)