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数字摄像头CCD的一些知识

CCD（电荷耦合器）摄像头基本知识
现在科学级的摄像头比前几年更尖端，应用领域也更广了。在生物科学领域，从显微镜、分光光度计到胶文件、化学放光探测系统，都用到了CCD的摄像头。下面对CCD的一些常见指标进行表述。
1、什么是数字摄像头
所有CCD芯片都属于模拟的设备。当图像进入计算机是数字的。如果信号在摄像头、采集卡两部分完成数字化的，这个CCD被认为是模拟CCD。数字摄像头事实上是由内置于摄像头的数字化设备完成数字化过程，这样可以减少图像噪音。与模拟摄像头相比，数字摄像头提高了摄像头的信噪比、增加摄像头的动态范围、最大化图像灰度范围。科学级的绝大多数的CCD芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造。
2、评价CCD的基本指标
像素值、信躁比、冷却温度等
a、信噪比SNR真实体现摄像头的检测能力。所有的CCD摄像头的厂家为提高摄像头的性能，都尽力使信号（可达到满井电子的数目）最大同时尽可能减少噪音。
SNR=满井电子/噪音电子=动态范围=最大灰阶=2bit数
在相同满井电子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的监测能力，热或者暗电流对于CCD都是噪音，噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超过5-10秒，CCD芯片就会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像到处可见雪花。-20度的摄像头可以拍摄高达5分钟的图像，-40度的摄像头拍摄时间可以超过1小时。
CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。
典型的真16bit的摄像头（能检测65536级灰度）都有很大的像素点（16-30um）。然而这些摄像头非常贵，同时图像数据很大，传输速度很慢。在基因组和蛋白组研究中，16bit的摄像头在捕获DNA和蛋白图像上不太实用，一般用于深度太空的专业天文学研究。真实的16bit的CCD,24um*24um的像素点,1”大小只能有50万像素点。
B、像素面积
这个指标是在芯片的一个重要指标。像素面积越大、对光越灵敏。因为像素点面积有更多电子，能产生更多信号。在1/2”、2/3”、1”的芯片上，像素点越大，像素越少。会影响空间分辨率。大像素点增加灵敏度、小的像素点增加分辨率。
要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小了像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄，因此这种方法不能无限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。而目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的
相同数目的像素，排列越密集，像素之间就越容易出现电流干扰，容易出现“噪点”等干扰成像质量的现象出现。所以尺寸越大越好，当然成本也会随之提高——并且不是成比例提高，而是以几何级数向上提

8bit-CCD可以达到30帧/每秒，基本可以认为是同步的。不论模拟或数字的CCD，超过15帧可以接受。

应用差别有以下几点:
1.数字CCD 是电子藕荷元件其可以直接和电脑连接,并可以在图象分析软件中直接对CCD进行
控制拍摄.
2.拍摄动态物体的过程CCD在拍摄时间及拍摄速度方面要优于数码相机.
3.从操作过程来说使用CCD比使用数码相机要简便得多,所以一般只要经费较充足或研究级都是
考虑CCD的.

关于CCD存在的问题及解决的途径

从微光成像的要求考虑，最主要的是要提高器件的信/噪比。为此应降低器件噪声(即减少噪声电子数)和提高信号处理能力（即增加信号电子的数量）。可以采用致冷CCD和电子轰击CCD两种方法。其主要目的是在输出信噪比为1时尽可能减少成像所需的光通量。
满足电视要求(50～60fps)的CCD在室温下有明显的暗电流，它将使噪声电平增加。在消除暗电流尖峰的情况下，暗电流分布的不均匀也会在输入光能减少时产生一种噪声的"固定图形"。此外，在高帧率工作时，还不希望减少每个像单元信号的利用率。器件致冷会使硅中的暗电流明显改善。每冷却8℃噪声将下降一半。用普通电气致冷到－20至－40℃时，暗电流会比室温下小100～1000倍，但这时的其它噪声就变得很突出了。尤其在小电荷的情况下，对低亮度成像系统电荷转移效率不是主要限制，主要限制还是输出放大器和低噪声输出检测器，因此，必须了解L3成像的低噪声检测的情况。
配合致冷，采用浮置栅放大器的低噪声输出(FGA和DFGA)，CCD的检测效果更为理想。其中FGA能处理100个噪声电子的CCD像感器峰值信号，而DFGA的饱和电平约为FGA的1/10，它仅能处理约20个噪声电子的像感器峰值信号。
小结
近30 年，CCD图像传感器的研究取得了惊人的进展，它已经从最初简单的8像元移位寄存器发展至具有数百万至上千万像元。随着观察距离的增加和要求在更低照度下进行观察，对微光电视系统的要求必将越来越高，因此必须研制新的高灵敏度、低噪声的摄像器件，CCD图像传感器灵敏度高和低光照成像质量好的优点正好迎合了微光电视系统这一发展趋势。作为新一代微光成像器件，CCD图像传感器在微光电视系统中发挥着关键的作用。