CCD的主要性能指标.ppt

1,CCD成像技术及其在遥感中的应用 第三章 CCD的主要性能指标,郝志航,2,内容,CCD的主要性能指标 量子效率QE和响应度R 暗电流和暗电流噪声 噪声和信噪比 动态范围 实例说明 CCD性能指标测试标准 小结,3,CCD的主要性能指标,轨道高度(H) 地面像元分辨率(GSD) 系统静态传递函数(MTFsys) 光谱波段(BW) 地面覆盖宽度 最小太阳高角()时信噪比(SNR) 相机质量(M) 相机功耗(P),典型遥感相机的主要性能要求,典型遥感相机的组成： 光学系统； 光机结构； CCD成像； 热控。,4,CCD的主要性能指标,地面像元分辨力 (MTFSYS),太阳高角 (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,5,CCD的主要性能指标,CCD的主要性能指标指的是对系统性能产生主要影响的指标。 主要性能：量子效率QE（响应度R）、饱和曝光量SEE、传递函数(MTFCCD )、噪声n、暗电流等。 其它性能：像元尺寸、像元数、电荷转移效率、响应非均匀性、环境适应能力等。,CCD应用对CCD性能指标的要求,CCD生产厂家提供的CCD性能指标,6,CCD的主要性能指标,CCD厂家给出的性能指标形式,7,CCD的主要性能指标,8,量子效率QE和响应度R,可以用量子效率计算响应度，响应度的单位是A/W或 。计算公式如下：,（31）(2-4),（32）(2-5),其中， 是电子电荷， 是量子效率， 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 。,9,量子效率QE和响应度R,在CCD工作过程的最后一步，将电子电荷转换为电压，电荷转换因子CVF为：,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。,与前式联合可以得到电压输出的响应度R,（33）,（34）,10,一个行间转移CCD器件的填充系数为50,像元面积是11.4m13.8m,电荷转换因子CVF为6V/-。如果量子效率在0.6m是 0.8 计算以V/J/cm2为单位的响应度。Ap=7.8710-7cm2。常数hc是1.991025 J.m/photo。将数值代入3-4：,计算结果单位为V/J/cm2 ，转换为V/J/cm2 ，结果为：,量子效率QE和响应度R 举例,cm2,V/-,m,J-m/photo,V/J/cm2,11,遥感相机CCD靶面上辐照量的计算： 条件：无穷远面发光目标，发光目标为朗伯体，发光强度与方向无关，辐出度为M0(W/m2)。 相机入瞳处辐亮度L为：,其中a为大气透过率,量子效率QE和响应度R,（35）,12,量子效率QE和响应度R,遥感相机CCD靶面辐照度 为：,CCD靶面辐照量为：,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）,13,量子效率QE和响应度R,有些CCD的响应度是以光度参数给出的，如R的单位是V/lx.s。当以光度参数给出响应度时，需要指定光源的色温。有时需要进行辐射度参数与光度参数之间的转换。,思考题：如何进行以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 Arrays Cameras and Displays By Gerald C. Holst SPIE Press 1998,14,暗电流和暗电流噪声,暗电流对CCD成像的影响： 降低了动态范围； 增加了CCD噪声。,暗电流噪声与其他热噪声一样，其概率密度分布为Poisson分布。积分时间为tint时，暗电流电子数暗电流噪声分别和为：,（310）,（311）,15,暗电流和暗电流噪声,在不同暗电流密度(nA/cm2)下，暗电流(e-/sec/pixel)与温度(C)的关系曲线。,16,暗电流和暗电流噪声,为了将暗电流降低一倍，工作温度25C时, 需要将温度降低 8C ；-50C时, 需要降低 4.8C ；而 -100C 时，只需降低2.9C。,17,暗电流和暗电流噪声,TI公司TC271 在27时， Jdc100 pA/cm2 ； 阵列温度每增加 78，暗电流密 度增加一倍。,18,暗电流和暗电流噪声,CCD的暗电流在说明书中通常以以下三种方式给出：1）一定时间内的暗信号电子数；2）一定时间内暗信号的电压值；3）暗电流密度。 单位时间暗信号电子数的公式：,其中，Jdc为暗电流密度，T是绝对温度，Eg是带隙。,（38）,（39）,19,暗电流和暗电流噪声举例,CCD像元尺寸为12 m x 12m， 300K 时暗电流密度10 pA/cm2 ，求出该CCD在 -10C (263K), -50C (223K) 和 -100C (173K)时的暗电流,由(3-9)计算Eg 263K时， Eg = 1.120278 eV 223K时， Eg = 1.129468 eV 173K时， Eg = 1.139296 eV,再用(38)计算De 263K时，De = 2.911 e/pixel/s 223K时， De = 2.123 x 10-2 e/pixel/s 173K时， D e= 2.149 x 10-6 e/pixel/s,20,噪声和信噪比 光电响应模型,光谱范围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；当利用平均光谱参数时，,（312）,（313） （37）,21,噪声和信噪比,噪声的类型 随机噪声（Random Noise): 时空域上随机变化，只能用统计特性描述； 图形噪声（Pattern Noise): 时域上不变，空域上变化。,22,噪声和信噪比,23,噪声和信噪比,24,噪声和信噪比 随机噪声,只考虑CCD芯片内 霰粒噪声 shot 复位噪声 reset 暗电流噪声 dark 放大器噪声 a,25,噪声和信噪比 霰粒噪声（Shot Noise),霰粒噪声是与入射光子数随机变化有关的噪声，在给定时间内入射光子数服从帕松（Poisson)分布，霰粒噪声的均方根值（以电子数计） S为信号电子数。 暗电流噪声（ndark为暗电流电子数）,314,315,26,噪声和信噪比 热噪声,热噪声是白噪声； 电阻R上热噪声的均方根电压 k: 波尔茨曼常数，T:绝对温度，B:带宽,27,噪声和信噪比 噪声等效带宽（NEB）,28,噪声和信噪比 复位噪声,29,噪声和信噪比 输出放大器噪声,白噪声（White Noise)： 输出放大器电阻的热噪声,闪烁噪声（Flicker Noise) (1/f 噪声）,316,30,噪声和信噪比 总随机噪声,总的随机噪声包括霰粒噪声、暗电流噪声、复位噪声和输出放大器噪声。,317,319,318,一般将复位噪声和输出放大器噪声称为读出噪声read，上式改写为：,31,噪声和信噪比 信噪比,通常计算CCD信噪比时，只考虑时域上的随机噪声。因为空间分布的图形噪声是可以补偿的。为了严格起见，我们还是将这样计算的信噪比标注为SNRr，计算公式为：,有时，对目标成像是在光照背景下完成的，背景信号为SB，计算公式应做如下修改：,320,321,32,噪声和信噪比 图形噪声（ Pattern Noise),固定图形噪声（FPN) 无照明时，像元与像元之间输出的变化，主要为各像元之间暗电流的差别。 噪声性质：相加，可以补偿。 响应非均匀性（PRNU) 有照明时，像元与像元之间输出的变化，主要为各像元之间响应度的差别。将PRNU (U)定义为响应度差的均方根值除以平均值 。 噪声性质：相乘，可以补偿。,33,噪声和信噪比 图形噪声（Pattern Noise),考虑固定图形噪声(FPN)和响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声为：,当忽略固定图形噪声(FPN)而只考虑响应非均匀性(PRNU)时的系统噪声为：,由于,所以：,322,323,324,34,噪声和信噪比 信噪比极限,CCD可以达到的最大信噪比 光信号越强，信噪比越大，这时可以忽略读出噪声和暗电流噪声。当只考虑随机噪声时，总噪声和信噪比为：,当考虑响应非均匀性(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。,325,326,327,35,噪声和信噪比 探测极限,光信号非常弱时，信噪比很小；忽略暗电流噪声时，当只考虑随机噪声时，总噪声和信噪比为：,SNRr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。,328,329,36,噪声和信噪比 提高信噪比的方法,为了提高信噪比必须降低噪声： 复位噪声和放大器噪声 相关双采样技术 暗电流噪声 制冷 固定图形噪声(FPN) 补偿(必须预先测量) 响应非均匀性(PRNU) 补偿(必须预先测量) 光子霰粒噪声 不能降低和补偿，是信噪比的限制 （满阱电荷影响）,37,噪声和信噪比 提高信噪比的方法,相关双采样可以抑制复位噪声和放大器1/f 噪声。,？,38,动态范围,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,动态范围DR：,330,39,动态范围,动态范围也可以用满阱电荷和读出噪声电子数来计算 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。,动态范围DR：,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。,331,40,像元尺寸和像元数,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，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的设计，因为它确定了系统的Nyquist频率fN ：,324,41,像元尺寸和像元数,Nyquist频率越高，光学系统的设计、加工和装调就越困难。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。,42,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,像元数：5000，像元尺寸： 7m 7 m,哑像元(Dummy Pixels)和暗信号参考像元,43,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,44,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,测试条件：Ta = 25C, VOD = 12 V, V = VSH = VRS = VCP = 5 V (脉冲), 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（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 :,45,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,46,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,注5: VDRK 定义为所有有效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: 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。,47,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,48,CCD主要性能指标 TCD1503D举例,注 9: 随机噪声定义为无照明条件下两个相邻有效像元之间信号差值的标准方差() 。计算过程如下：,一次读出的两个像元 (n 和 n + 1) 确定作为测量点； 每次输出时，取 200 ns内平均作为 Vn和Vn + 1； 用 Vn 减去 Vn + 1得到V： V Vn Vn + 1； 4）重复读出30次并作2)和3)步，计算标准方差(),49,CCD主要性能指标 TCD1503D,5) 重复2)、 3) 和 4)步 10 次得到 10 个值,6）利用上述方法计算的 值是实际随机噪声的 倍 ，最后随机噪声为：,50,噪声和信噪比 噪声的测量,以2048像元线阵列CCD为例说明 试验设备：积分球 被试设备：线阵CCD相机,51,噪声和信噪比 线阵列CCD噪声测量,亮场条件下测量，获取200行图像数据g(i,j)， i=12048，j=1200，总噪声 为:,像元 i 200次平均值,像元 i 噪声,总噪声,52,噪声和信噪比 线阵列CCD固定图形噪声测量,暗场条件下测量，获取200行图像数据g(i,j)， i=12048，j=1200，固定图形噪声 为,像元i暗电流平均值,暗电流总平均值,53,噪声和信噪比 线阵列CCD暗电流噪声测量,暗场条件下测量，获取200行图像数据g(i,j)， i=12048，j=1200，暗电流噪声 为,54,噪声和信噪比 线阵列CCD响应非均匀性测量,通过改变入射光强度从输出10%到80%饱和输出测量8组图像数据，每组500行。对每组数据计算信号输出平均值：,差的峰峰值或均方差表示响应度的非均匀性。,55,噪声和信噪比 线阵列CCD响应非均匀性测量,56,噪声和信噪比 线阵列CCD响应非均匀性测量,57,线阵列CCD响应线性度测量,通过改变入射光强度从输出10%到80%饱和输出测量8组图像数据，每组200行。同时纪录光亮度监视输出数据 ，对每组数据计算信号输出平均值（m=18)： 利用最小二乘法计算，计算线性拟和的残差。,58,响应线性度测量,59,CCD性能指标测试标准,国内尚没有完整的测试标准, 准备推出一份通用规范。,欧洲欧空局(ESA)于1993年提出一个CCD测试规范： Electro-Optical Test Methods for Charge Coupled Devices ESA/SCC Basic Specification No. 2500,60,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,整个规范分为六部分： 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）,61,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,第三部分中定义了CCD输出波形 CCD输出的行头,输出,输出,CCD,CDS,62,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,CCD输出的行尾,Vs:信号电压,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,63,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,理想CCD输出,64,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,第五和第六部分的测试方法中，每项测试包括的内容： 测试参数名称 1 该参数定义 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(响应度)和19项(量子效率)。,65,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4 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： (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置引线干 扰引入的噪声,假定噪声(4) 在总噪声中占的比例很小，总噪声是其它3项的均方根值。,66,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4.2 测试原理 (1) 器件处于正常工作状态，详细记录CCD负载以及测试放大器增益等数据；,67,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4.2 测试原理 (2) 获取一个像元的N次连续测量数据Xi，噪声m为：,其中G为片外增益，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。,68,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4.2 测试原理 (3) 当相邻(一行或一列)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，可以用下式计算m。,69,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4.2 测试原理 在(2)和(3)测量中，总噪声中包括了测量仪器噪声。使用如下图的CCD仿真电路代替CCD标定仪器的噪声0 。,去除仪器噪声，可以得到CCD的噪声：,70,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.4.3 测试条件 器件处于黑暗的条件； 温度：253C (在详细规范中指定的外)； 像元读出频率应在详细规范中给出。,71,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.17 响应度 R (Responsivity) 6.17.1 定义 响应度 R是在给定波带宽度照明下，有用信号电压(不包括暗信号)与曝光量(J/m2) 之比。 响应度 R是光电灵敏度和电荷电压转换因子两个参数的函数。,72,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.17.2 测试原理 在给定波带宽度条件下，对给定的入射光强度，输出信号是Va (mV) 测量入射光强度：E (mW/m2), 积分时间：Ti (ms) 响应度R用下式计算：,73,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.17.3 测试条件 器件均匀照明； 温度：253C (在详细规范中指定的外)； 需要平均的像元数应在详细规范中给出； 测试每组像元的位置应在详细规范中给出； 波长范围和光谱分辩率应在详细规范中给出。,74,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.19 量子效率QE(Quantum Efficiency) 6.19.1 定义 给定波长的QE是半导体中产生的电子数(对应有用信号，不包括暗信号)与入射光子数之比。,75,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.19.2 测试原理 QE是由给定波长的响应度R导出的，导出公式为：,76,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.19.2 测试原理 QE是由给定波长的响应度R导出的，导出公式为：,77,CCD性能指标测试标准 ESA/SCC No. 2500简介,6.19.3 测试条件 器件均匀照明； 温度：253C (在详细规范中指定的外)； 需要平均的像元数应在详细规范中给出； 测试每组像元的位置应在详细规范中给出； 波长范围和光谱分辩率应在详细规范中给出。,78,CCD的主要性能指标是选择CCD的重要依据。 CCD的主要性能指标是进行系统分析的基础。 CCD性能指标的测试在国内还没有获得足够的重视，需要改进。,小结,