高分辨率CCD圖像傳感器及CCD攝像機的性能評價
摘 要 研究了ccd圖像傳感器及ccd攝像機的性能及測試方法。重點探討了高分辨率的ccd攝像機的成像特點。論述了高分辨率ccd圖像傳感器和高分辨率ccd攝像機的性能。這些性能與當(dāng)前廠商提供的商用ccd攝像機有許多不同之處。評價高分辨率ccd圖像傳感器的性能主要有靈敏度、動態(tài)范圍、分辨率和拖影。評價高分辨率ccd攝像機性能有靈敏度、最小照度、分辨率和光學(xué)格式等。給出了高分辨ccd攝像機的性能評價實例，簡述了其工藝特點和技術(shù)特點。
關(guān)鍵詞 ccd； 圖像傳感器； 高分辨率； 性能評價； ccd攝像機
分類號 o482.7/文獻(xiàn)標(biāo)識碼 a
引文款目 談新權(quán)，梅曉英： 高分辨率ccd圖像傳感器及ccd攝像機的性能評價 ［j］ 光學(xué)技術(shù)，1999，(1)：70-72
performance evaluation of high
resolution ccd image sensor and ccd camera
tan xinquan, mei xiaoying
(dept. of electronics & info. eng., huazhong university of science & technology, wuhan 430074)
abstract the performances and test methods of ccd image sensor and pickup system, and the imaging characteristic of high resolution ccd camera are studied. the performances of high resolution sensor and camera are discussed. these performances are different from that of general commercial ccd camera. performances of high resolution ccd sensor are sensitivity, dynamic range, resolution and smear. that of high resolution ccd camera are sensitivity, minimum illumination, resolution and optical format. finally is provided example of performance evaluation on high resolution ccd camera and are discussed briefly features of techniques and technology.
key words ccd; image sensor; high resolution; performance evaluation; ccd camera
citation item tan xinquan, mei xiaoying: performance evaluation of high resolution ccd image sensor and ccd camera ［j］ guangxue jishu (china), 1999,(1):70-72
ccd在圖像傳感領(lǐng)域的迅速發(fā)展，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最為關(guān)注的研究熱點之一。當(dāng)前，在影視領(lǐng)域中，以高清晰度電視hdtv為代表的民用消費電子品，由于具有誘人的市場潛力，各先進(jìn)工業(yè)國家都給予極大重視。在國防軍事領(lǐng)域，ccd成像技術(shù)在微光、夜視、遙感應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用，適應(yīng)了現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的需求，因而成為軍事微電子學(xué)的研究熱門。在科研領(lǐng)域，由于ccd的靈敏度高、噪聲低，它成為研究宏觀(如天體)和微觀(如生物細(xì)胞)現(xiàn)象不可缺少的工具。它成本低、小而輕，因而在圖像通信領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。今天，在各類光電成像領(lǐng)域中，它已完全取代了真空攝像管的成像系統(tǒng)。微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了固體攝像器件和攝像機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能的變化。本文比較詳細(xì)地論述了ccd圖像傳感器及ccd攝像機主要性能及其測試方法，對其中的常用參數(shù)進(jìn)行了合理解釋。特別是對廠商給出的ccd攝像機的某些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析和比較全面的闡述。重點放在分析高分辨率ccd圖像傳感器及其攝像機的性能。從工程應(yīng)用角度對性能進(jìn)行了評價。
一、 圖像傳感器的主要特性
1. 靈敏度
靈敏度是圖像傳感器的重要參數(shù)。ccd圖像傳感器的靈敏度與很多因素有關(guān)，計算和測試都比較復(fù)雜。但可由它的單位直接得出其物理意義。這就是單位光功率所產(chǎn)生的信號電流，ma/w。光輻射能流密度在光度學(xué)中常以照度lx表示，其變換式為1w/m2=20lx。因此，對于給定芯片尺寸的ccd來說，靈敏度單元可用na/lx表示。在有的文獻(xiàn)中，也用mv/lx*s來表示ccd的靈敏度，嚴(yán)格說來，這是ccd圖像傳感器的響應(yīng)度，即單位曝光量所得到的有效信號電壓，它反映了ccd圖像傳感器的靈敏度和輸出級的電荷/電壓轉(zhuǎn)換能力。
2. 動態(tài)范圍
ccd圖像傳感器的動態(tài)范圍由它的信號處理能力和噪聲電平?jīng)Q定。它反映了器件的工作范圍。其數(shù)值可以用輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比，通常以db表示，一般為60～80db。高分辨率要求ccd的像素數(shù)增多，但導(dǎo)致勢阱可能存貯的最大電荷量減少，因而動態(tài)范圍變小。因此，在高分辨率條件下，提高器件的動態(tài)范圍將是高清晰度電視攝像機的一項關(guān)鍵技術(shù)。
3. 分辨率
ccd像感器采用自掃描方式，每個光敏單元都被隔開較大的距離，這與采用電子束掃描方式的電真空攝像管的結(jié)構(gòu)不同。因此，ccd的光電轉(zhuǎn)換實質(zhì)上是由空間上分立的光敏單元對光學(xué)圖像進(jìn)行抽樣。光敏單元呈周期性排列，假設(shè)要攝取的光學(xué)圖像是沿水平方向光強(亮度)為正弦分布的條狀圖像，經(jīng)ccd的光敏單元進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，所得的信號在時間軸方向也為正弦波信號。根據(jù)奈氏抽樣定理，ccd的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半，因此，ccd原分辨率主要取決于ccd芯片的像素數(shù)。其次，還受到傳輸效率的影響，分辨率通常用電視線(tvl)表示。然而，有時只給出ccd圖像傳感器的有效像素數(shù)。高集成度的光敏單元可獲得高分辨率，但光敏單元尺寸的減少導(dǎo)致靈敏度降低。因此，必須采用一些新的工藝結(jié)構(gòu)，例如，雙層像感結(jié)構(gòu)，將光電導(dǎo)層和電荷轉(zhuǎn)移層分開，從而提高了靈敏度和飽和信號電荷。
4. 拖影
在幀轉(zhuǎn)移型ccd中，由光敏區(qū)向存貯區(qū)轉(zhuǎn)移電荷時，光敏區(qū)在場逆程的光積分電荷帶到下場，或者硅片深處的光生載流子向鄰近勢阱擴散，致使圖像模糊，這種現(xiàn)象稱為拖影。拖影使像對比度下降。在行轉(zhuǎn)移型ccd中，光敏單元被轉(zhuǎn)移單元(垂直移位寄存器)所隔開。在場消隱期間，光敏單元的電荷移到轉(zhuǎn)移單元，當(dāng)圖像經(jīng)寄存器以水平速率移位時，過載光敏單元的剩余量可能漏泄到寄存器中，所形成的拖影也使圖像模糊。拖影現(xiàn)象在攝取黑色背景中的明亮目標(biāo)時最明顯。因此，可用帶有一小矩形白窗口的黑色測試卡作為測試圖來檢測圖像傳感器的拖影。拖影通常用電平值的大小以db形式表示，例如，-100db。或者以百分比表示，例如，0.05%。
二、 ccd攝像機的主要特性
1. 靈敏度
它表示在特定照度(一般為2000lx)。攝取特定目標(biāo)(測試圖)時，調(diào)節(jié)鏡頭光圈，使攝像機輸出的視頻信號為100ire，所對應(yīng)的鏡頭光圈指數(shù)f就表示了攝像機的靈敏度。f數(shù)越大，表示光圈開得越小，攝像機的靈敏度也就越高。文獻(xiàn)［1］提供了一種測試攝像機靈敏度的方法，使用照度為2000lx的光，測試卡的反射系數(shù)為89.9%，將攝像機的增益調(diào)到零，打開鏡頭光圈，調(diào)節(jié)光圈指數(shù)f，波形監(jiān)視器上讀出攝像機的視頻輸出信號為100ire，所讀到的鏡頭光圈指數(shù)即為靈敏度。例如，兩臺攝像機的靈敏度分別為2000lx、f/3.5和2000lx、f/2.8，可以說，前者的靈敏度高于后者。
2. 最小照度
攝取特定目標(biāo)(測試圖)，將光圈增益開到最大時，視頻信號輸出幅度為100ire，所對應(yīng)的入射光的最小值。測試卡的反射系數(shù)為89.9%，攝像機增益設(shè)置為最大值，光圈最大值，減小或增加照度，使視頻輸出信號幅度為100ire，所對應(yīng)的入射光照度值即為攝像機的最小照度。
3. 分辨率
分辨率是指攝像機對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。國際上一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)來表示分辨率，也可用空間頻率來表示，即線對/mm。分辨率測量可以這樣進(jìn)行，使用垂直條測試圖，測出不同電視線/像高時的輸出幅度響應(yīng)，然后以零空間頻率下的值進(jìn)行歸一化，一般可認(rèn)為幅度響應(yīng)為零頻率的30%所對應(yīng)的電視線作為攝像機的極限分辨率。
需要指出的是，攝像機的分辨率除了與鏡頭有關(guān)外，它并不完全取決于圖像傳感器的像素數(shù)。如果采用標(biāo)準(zhǔn)成像方法，根據(jù)奈氏抽樣理論，使用每行728個像素的ccd圖像傳感器的攝像機，分辨率只有546電視線。然而，文獻(xiàn)［1］指出，若用調(diào)制傳遞函數(shù)表示分辨率時，按上述方法測出不同電視線/像高時的輸出幅度響應(yīng)，當(dāng)輸出幅度響應(yīng)為零時，所對應(yīng)的分辨率稱為ccd的極限分辨率或稱理論響應(yīng)特性。文獻(xiàn)［1］給出了每行728個像素的ccd芯片的信號、虛假信息與分辨率的關(guān)系曲線，這里定義的極限分辨率為1100電視線。其實，這種極限值只是一種理論值。因為當(dāng)ccd的像素數(shù)不變時，隨著所攝目標(biāo)空間頻率的提高，使得抽樣頻率小于兩倍最高空間頻率，產(chǎn)生混迭失真。這種由光學(xué)抽樣產(chǎn)生的混迭失真，通常稱為“虛假信息”。研究表明，虛假信息隨空間頻率的提高而線性增加。當(dāng)分辨率高于546電視線時，虛假信息的能量超過了真實的圖像信息的能量，故546電視線以上的真實圖像信息并不能看到。在ccd成像系統(tǒng)中，采用兩種提高分辨率的技術(shù)：光學(xué)低通濾波和空間偏置成像。此時，使用較少像素的ccd像感器可以獲得的分辨率高于像素數(shù)。例如，文獻(xiàn)［2］用有效像素數(shù)為766(h)×980(v)的2/3ccd像感器，所得到的ccd攝像機的分辨率為：水平方向大于900電視線，垂直方向約800電視線。
4. 光學(xué)格式
有時也稱為光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。它直接決定ccd攝像機時的體積和重量。它與ccd像感器的大小是相適應(yīng)的。它的尺寸越大，允許ccd像感器的芯片尺寸越大，圖像傳感器的有效掃描寬度也就越大，攝像機的體積也越大。通常有1寸，2/3寸，1/2寸和1/3寸的光學(xué)格式。
三、 實例分析
作為本文的總結(jié)，給出了一種hdtv的ccd彩色攝像機的技術(shù)性能，如表1所示。它的技術(shù)指標(biāo)比目前商用ccd攝像機的技術(shù)指標(biāo)要先進(jìn)得多。無論是對攝像機系統(tǒng)還是對ccd圖像傳感器本身的評價都是全面的。表中，ccd圖像傳感器為200萬像素的光電導(dǎo)層固態(tài)成像器件psid。由于光學(xué)格式為1寸，允許ccd傳感器的芯片尺寸大，所以它的動態(tài)范圍大，靈敏度提高了。同時，由于采用psid技術(shù)，ccd的靈敏度是常規(guī)行間轉(zhuǎn)移型ccd的5倍。飽和電子數(shù)是常規(guī)行間轉(zhuǎn)移型的3倍。為了轉(zhuǎn)移大量的飽和電子，特別研制了低功耗的高速開關(guān)諧振驅(qū)動方法。拖影主要起因于光漏泄和載流子擴散到移位寄存器中，在psid中，入射光幾乎完全被非晶硅層吸收，而透過非晶硅傳輸?shù)募t外射線被像素電極阻擋。因此，拖尾噪聲降到小于-1000db。由表1中可看出，攝像機采用3片psid結(jié)構(gòu)的ccd圖像傳感器，由于圖像傳感器信號輸出結(jié)構(gòu)采用浮置擴散放大器，輸出結(jié)構(gòu)在輸出端引入了許多噪聲，包括由電源跟隨放大器產(chǎn)生的1/f噪聲和由復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位噪聲。為了抑制這些噪聲，特別研究了箝位—限制抑制噪聲的ccs方法，顯著抑制了1/f噪聲。psid和ccs方法使得系統(tǒng)具有2000lx、f/5.6的高靈敏度和52db的snr。而分辨率為1000(h)×700(v)電視線。因此，它可用于hdtv的攝像。
表1 hdtv ccd彩色攝像機技術(shù)規(guī)格
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攝像機系統(tǒng) |
rgb三片ccd |
圖像傳感器 |
2×106像素psid |
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行 數(shù) |
1125 |
芯片尺寸 |
16.2(h)×10.5(v)mm2 |
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有效行數(shù) |
1035 |
成像面積 |
14.0(h)×7.8(v)mm2 |
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場 頻 |
60.00hz |
有效像素數(shù) |
1920(h)×1036(v) |
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圖像尺寸(1格式) |
14.0(h)×7.8(v)mm2 |
總像素數(shù) |
2000(h)×1050(v) |
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光柵比 |
16∶9 |
靈敏度 |
210na/lx |
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靈敏度 |
2000lx,f/5.6 |
飽和電流 |
2000na |
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snr |
52db |
動態(tài)范圍 |
72db |
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分辨率 |
1000(h)，(700)v電視線 |
拖 影 |
-100db |
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功耗(機頭) |
50w |
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尺寸(機頭) |
240(h)×160(w)×280(d)mm2 |
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重量(機頭) |
8kg |
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作者單位：(華中理工大學(xué)電子與信息工程系， 武漢 430074)
參考文獻(xiàn)
1 cohen j. the latest in ccd camera technology. be. 1993, 35(7): 26～33
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3 noah j. ccd camera testing. be 1993, 35(7): 33～34
4 劉繼琨編.固體攝像器件的物理基礎(chǔ) ［m］ 成都：電子科技大學(xué)出版社，1989
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