CCD 常用知识总结随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。

噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N （Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。

随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。

为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。

CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。

噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。

CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。

CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD 动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。

（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）CCD的发展现状CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。

它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。

自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。

国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。

二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。

目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。

另外CCD芯片的拼接技术也日益成熟。

国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达国家落后近十年。

尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国内需求。

（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）目前国内对于CCD参数能够进行标定的单位：北京天文台的CCD工作原理：CCD工作时通过转换光为电子（电荷），这个过程如下：高能光子（可见光或红外范围）撞击硅，并激发硅内电子进入更高能级，这样产生电子空穴对。

电荷被收集到单个像素上，然后通过在垂直和水平寄存器上施加不同的电压进行电荷转移，这些电荷被数字化和编码。

这个过程所需时间依赖系统输出流量。

图像质量依赖于采样。

关于CCD的集中控制采集方案调研：对于CCD的集中图像采集系统目前在我们星光神光实验中，规划的集中采集方式有两种。

1基于软件的CCD图像采集网络式集中控制2基于硬件的单机集中控制其相应的拓扑系统图见神光Ⅲ概念设计报告，杨存榜的方案有两种方案优劣的比较。

CCD及检测中基本知识点CCD（电荷耦合器件）突出特点以电荷作为信号，基本功能是电荷的存储和电荷的转移，工作的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

CCD两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（SCCD）;二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD(BCCD).探测x、γ射线的面阵CCD，x、γ射线为电磁辐射，可以直接照射CCD，入射光子与Si 原子的内壳层电子相互作用，对Si材料每激发一对电子—空穴对需3.65ev的能量，为滤除可见光对测量的干扰，在CCD表面用铝化聚脂膜或薄铍窗作遮挡材料，可实现对X，γ射线测量的初步要求。

根据射线能量和探测要求不同，可制成几种结构的CCD探测器。

1直接照射型。

2 通过闪烁/磷光体转换探测型。

3闪烁/磷光体的发光用光学透镜或光导纤维传输，耦合与CCD探测。

4闪烁/磷光体耦合在像增强器或微通道板作预储存放大，再经光学传输与CCD耦合。

CCD在可见光和x光成像中的应用：★在x光成像中：CCD可以对x射线成像。

x射线入射到CCD光敏单元可在单元势阱内产生载流子，从而测量x射线空间强度分布。

由于x射线能量较高，其中一部分会穿过CCD而探测不到，因而CCD对x射线的探测率远远低于可见光。

另外在x射线照射下存在CCD的辐射损伤问题，例如：对于10kev的x射线，ccd的工作寿命只有几个小时。

用CCD对x射线成像的一个有效办法是将x射线在荧光屏上转换为可见光，再用CCD对可见光成像。

如果x射线光强不够，可通过像增强器放大在由CCD读出。

★色温的有关概念色温是借用绝对黑体绝对温度描述一般光源发光特征的一个参数，光源的色温是指与光源发出辐射颜色相同的黑体的绝对温度，如光源本身就是绝对黑体，色温就是光源本身的绝对温度。

若光源本身不是绝对黑体，色温只表示光源发光的颜色特征，不代表光源本身的实际温度。

CCD实践中应用知识x光CCD面阵的前面放置铍窗，其功能是实现x光能量的衰减。

（注意牵涉抽真空系统）1)对于CCD而言，面阵上采集图像如下图：图中圆形区域为采集的灰度表示：a b c 为a，c区域间进行灰度的加减运算？能全都体现出来了。

本软件的最主要就是实现控制箱的控制和图像的采集。

对于更进一步的运算可以采用软件固有的转换功能，将图像转换为ASCII码来在进行运算。

或者在利用专门的图像处理软件来对已经采到的图像来处理。

对于一台CCD而言，一旦厂家出厂以后其量子效率是不会改变的，除非仪器坏了。

所以在正常工作状态下不需要每年都去检测其量子效率（谱响应实际为相对量子效率）。

3王哲斌标定谱响应原理:首先是把辉光经过150谱仪分为单色光，在经过750谱仪。

然后再750谱仪出射口用380功率计测量光波长不同时的光功率。

然后接上CCD测量采集。

根据CCD快门采集时间的设置，采集一系列随波长变化的图像。

然后考虑CCD 面均匀基础上二重积分整个面上∫Q/t（曝光时间）时间归一化处理，即得到相对光功率/入射光功率=相对量子效率。

4 CCD暗电流消除方案。

暗电流噪声可以通过dark frame 的应用从原图像中移除。

dark frame图像的拍摄条件：1没有光照的暗室条件下，I=0；2曝光时间为零△t=原图像的曝光时间。

类同bias frame，dark frame也需要采集一定数目（9幅或者更多）的dark frame然后将他们平均起来。

可以利用中值耦合（median combining）技术来生成一幅 master dark frame.在图像校正中，dark frame 将从原图像中被减除。

5有关平场图的理论：并非CCD的所有像素对光都有同样的灵敏度，即使硅晶片极小的厚度差别都会影响灵敏度。

而且芯片本身像素或许没有被均匀照射、物体本身亮度的浮动都会直接影响灵敏度。

光照不均匀和有害像素间的浮动为5%-10%。

像素的灵敏度浮动和不均匀照射模式对于CCD来说可以通过拍摄一幅均匀光照的图像定义出来。

在此方式下，每个像素队同样亮度光照的反应都可被测量。

这种图像称之为a flat field frame，不仅可以用于校正（pixel sensitivity variation）像素灵敏度浮动和芯片照明浮动（chip illumination variation）,而且可以校正出现在CCD窗口上阻碍光线进入CCD的灰尘和外物。

典型的平场图（flat field frame）是一幅均匀照明源的短时曝光图。

像dark frame 和bias frame 一样，flat field frame也需要采集多幅然后平均中值耦合产生一幅master flat field frame。

但是唯一不同的是在中值耦合（median combining）平场图前，需要从每幅平场图中减去master dark frame和master bias frame,同时要求flat field frame 的曝光时间和dark frame的曝光时间一样。

之后才可将每幅平场图进行中值耦合产生一幅主平场图。

所以对一幅源图的校正：可如下：FI=RI-MBF-MDFFI=final image RI=raw imagine MBF=master bias frameMDF= master dark frame MFFF= master flat field frameCCD的指标概念及相关原理：1量子效率：在所有打入CCD的光子中，有多少比例的光子可以激发光电子。

CCD的量子效率约为30%——70%之间，量子效率越高越好。

对某一台CCD其量子效率并不是固定不变的，而是波长的函数。

每台CCD都只响应其相应波段的光波范围。

针对某一台CCD而言，其量子效率一旦出厂后就是固定值了，标定一次就可以了不必要每年都标定。

除非中间CCD被损伤。

CCD量子效率基本上由半导体材料的性质决定，也与绝缘层、电极材料和结构有关。

不透明电极、半透明电极和绝缘层的吸收、各个界面对光的多次反射都会降低量子效率。

常用的厚度为0.5μm左右的多晶硅对可见光有较严重的干涉效应。

由于光的吸收、反射、干涉和介质厚度有关，所以，在一般工艺条件下，光谱响应在各批器件之间可以变化很大。

同一个硅片上各个器件之间以及一个芯片内各个单元之间光谱响应变化很小。

( CCD量子效率主要有电极、绝缘层的吸收、反射、干涉影响，同时也与半导体吸收系数的具体数值有关。

)针对可见光CCD，当波长在5000Å-7000Å 之间（相当于绿光和红光）有最高的量子效率，而在5000Å以下的蓝光量子效率最低，可能只为绿光的一半一下，（主要因为硅对蓝光的响应比红光的响应差，而且多晶硅对蓝光的吸收比对红光的吸收强）量子效率指探测器对不同波长光的响应，硅CCD对红外最敏感，可以通过镀以特殊材料物质可以使其变得对紫外光敏感。

（网页文字翻译）2暗电流：在没有光照CCD时，CCD中各个MOS电容器存储的电荷称为暗电流。

暗电流来自于耗尽区内载流子的热产生及耗尽区边界载流子的扩散，其中载流子的热产生构成暗电流的主要成分。

一部CCD暗电流特性与其所用的晶片有关，也与其上的冷却机构有关（冷却能力越强越好）。

暗电流同温度与曝光时间有关，它同曝光时间（积分时间）成正比，所以在要求积分时间较长的弱光测量中，暗电流噪声是起限制作用的一种因素。

温度越高暗电流越大。

CCD芯片的温度每降7℃，暗电流减少一半。