| 高分辨率CCD图像传感器及CCD摄像机的性能评价
摘 要 研究了ccd图像传感器及ccd摄像机的性能及测试方法。重点探讨了高分辨率的ccd摄像机的成像特点。论述了高分辨率ccd图像传感器和高分辨率ccd摄像机的性能。这些性能与当前厂商提供的商用ccd摄像机有许多不同之处。评价高分辨率ccd图像传感器的性能主要有灵敏度、动态范围、分辨率和拖影。评价高分辨率ccd摄像机性能有灵敏度、最小照度、分辨率和光学格式等。给出了高分辨ccd摄像机的性能评价实例，简述了其工艺特点和技术特点。
关键词 ccd； 图像传感器； 高分辨率； 性能评价； ccd摄像机
分类号 o482.7/文献标识码 a
引文款目 谈新权，梅晓英： 高分辨率ccd图像传感器及ccd摄像机的性能评价 ［j］ 光学技术，1999，(1)：70-72
ccd在图像传感领域的迅速发展，成为现代光电子学和测试技术中最为关注的研究热点之一。当前，在影视领域中，以高清晰度电视hdtv为代表的民用消费电子品，由于具有诱人的市场潜力，各先进工业国家都给予极大重视。在国防军事领域，ccd成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，因而成为军事微电子学的研究热门。在科研领域，由于ccd的灵敏度高、噪声低，它成为研究宏观(如天体)和微观(如生物细胞)现象不可缺少的工具。它成本低、小而轻，因而在图像通信领域获得了广泛应用。今天，在各类光电成像领域中，它已完全取代了真空摄像管的成像系统。微细加工技术的发展，促进了固体摄像器件和摄像机系统结构与性能的变化。本文比较详细地论述了ccd图像传感器及ccd摄像机主要性能及其测试方法，对其中的常用参数进行了合理解释。特别是对厂商给出的ccd摄像机的某些技术指标进行了分析和比较全面的阐述。重点放在分析高分辨率ccd图像传感器及其摄像机的性能。从工程应用角度对性能进行了评价。
一、 图像传感器的主要特性
1. 灵敏度
灵敏度是图像传感器的重要参数。ccd图像传感器的灵敏度与很多因素有关，计算和测试都比较复杂。但可由它的单位直接得出其物理意义。这就是单位光功率所产生的信号电流，ma/w。光辐射能流密度在光度学中常以照度lx表示，其变换式为1w/m2=20lx。因此，对于给定芯片尺寸的ccd来说，灵敏度单元可用na/lx表示。在有的文献中，也用mv/lx*s来表示ccd的灵敏度，严格说来，这是ccd图像传感器的响应度，即单位曝光量所得到的有效信号电压，它反映了ccd图像传感器的灵敏度和输出级的电荷/电压转换能力。
2. 动态范围
ccd图像传感器的动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定。它反映了器件的工作范围。其数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，通常以db表示，一般为60～80db。高分辨率要求ccd的像素数增多，但导致势阱可能存贮的最大电荷量减少，因而动态范围变小。因此，在高分辨率条件下，提高器件的动态范围将是高清晰度电视摄像机的一项关键技术。
3. 分辨率
ccd像感器采用自扫描方式，每个光敏单元都被隔开较大的距离，这与采用电子束扫描方式的电真空摄像管的结构不同。因此，ccd的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。光敏单元呈周期性排列，假设要摄取的光学图像是沿水平方向光强(亮度)为正弦分布的条状图像，经ccd的光敏单元进行光/电转换，所得的信号在时间轴方向也为正弦波信号。根据奈氏抽样定理，ccd的极限分辨率是空间抽样频率的一半，因此，ccd原分辨率主要取决于ccd芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响，分辨率通常用电视线(tvl)表示。然而，有时只给出ccd图像传感器的有效像素数。高集成度的光敏单元可获得高分辨率，但光敏单元尺寸的减少导致灵敏度降低。因此，必须采用一些新的工艺结构，例如，双层像感结构，将光电导层和电荷转移层分开，从而提高了灵敏度和饱和信号电荷。
4. 拖影
在帧转移型ccd中，由光敏区向存贮区转移电荷时，光敏区在场逆程的光积分电荷带到下场，或者硅片深处的光生载流子向邻近势阱扩散，致使图像模糊，这种现象称为拖影。拖影使像对比度下降。在行转移型ccd中，光敏单元被转移单元(垂直移位寄存器)所隔开。在场消隐期间，光敏单元的电荷移到转移单元，当图像经寄存器以水平速率移位时，过载光敏单元的剩余量可能漏泄到寄存器中，所形成的拖影也使图像模糊。拖影现象在摄取黑色背景中的明亮目标时最明显。因此，可用带有一小矩形白窗口的黑色测试卡作为测试图来检测图像传感器的拖影。拖影通常用电平值的大小以db形式表示，例如，-100db。或者以百分比表示，例如，0.05%。
二、 ccd摄像机的主要特性
1. 灵敏度
它表示在特定照度(一般为2000lx)。摄取特定目标(测试图)时，调节镜头光圈，使摄像机输出的视频信号为100ire，所对应的镜头光圈指数f就表示了摄像机的灵敏度。f数越大，表示光圈开得越小，摄像机的灵敏度也就越高。文献［1］提供了一种测试摄像机灵敏度的方法，使用照度为2000lx的光，测试卡的反射系数为89.9%，将摄像机的增益调到零，打开镜头光圈，调节光圈指数f，波形监视器上读出摄像机的视频输出信号为100ire，所读到的镜头光圈指数即为灵敏度。例如，两台摄像机的灵敏度分别为2000lx、f/3.5和2000lx、f/2.8，可以说，前者的灵敏度高于后者。
2. 最小照度
摄取特定目标(测试图)，将光圈增益开到最大时，视频信号输出幅度为100ire，所对应的入射光的最小值。测试卡的反射系数为89.9%，摄像机增益设置为最大值，光圈最大值，减小或增加照度，使视频输出信号幅度为100ire，所对应的入射光照度值即为摄像机的最小照度。
3. 分辨率
分辨率是指摄像机对物像中明暗细节的分辨能力。国际上一般采用调制传递函数(mtf)来表示分辨率，也可用空间频率来表示，即线对/mm。分辨率测量可以这样进行，使用垂直条测试图，测出不同电视线/像高时的输出幅度响应，然后以零空间频率下的值进行归一化，一般可认为幅度响应为零频率的30%所对应的电视线作为摄像机的极限分辨率。
需要指出的是，摄像机的分辨率除了与镜头有关外，它并不完全取决于图像传感器的像素数。如果采用标准成像方法，根据奈氏抽样理论，使用每行728个像素的ccd图像传感器的摄像机，分辨率只有546电视线。然而，文献［1］指出，若用调制传递函数表示分辨率时，按上述方法测出不同电视线/像高时的输出幅度响应，当输出幅度响应为零时，所对应的分辨率称为ccd的极限分辨率或称理论响应特性。文献［1］给出了每行728个像素的ccd芯片的信号、虚假信息与分辨率的关系曲线，这里定义的极限分辨率为1100电视线。其实，这种极限值只是一种理论值。因为当ccd的像素数不变时，随着所摄目标空间频率的提高，使得抽样频率小于两倍最高空间频率，产生混迭失真。这种由光学抽样产生的混迭失真，通常称为“虚假信息”。研究表明，虚假信息随空间频率的提高而线性增加。当分辨率高于546电视线时，虚假信息的能量超过了真实的图像信息的能量，故546电视线以上的真实图像信息并不能看到。在ccd成像系统中，采用两种提高分辨率的技术：光学低通滤波和空间偏置成像。此时，使用较少像素的ccd像感器可以获得的分辨率高于像素数。例如，文献［2］用有效像素数为766(h)×980(v)的2/3ccd像感器，所得到的ccd摄像机的分辨率为：水平方向大于900电视线，垂直方向约800电视线。
4. 光学格式
有时也称为光学系统的尺寸。它直接决定ccd摄像机时的体积和重量。它与ccd像感器的大小是相适应的。它的尺寸越大，允许ccd像感器的芯片尺寸越大，图像传感器的有效扫描宽度也就越大，摄像机的体积也越大。通常有1寸，2/3寸，1/2寸和1/3寸的光学格式。
三、 实例分析
作为本文的总结，给出了一种hdtv的ccd彩色摄像机的技术性能，如表1所示。它的技术指标比目前商用ccd摄像机的技术指标要先进得多。无论是对摄像机系统还是对ccd图像传感器本身的评价都是全面的。表中，ccd图像传感器为200万像素的光电导层固态成像器件psid。由于光学格式为1寸，允许ccd传感器的芯片尺寸大，所以它的动态范围大，灵敏度提高了。同时，由于采用psid技术，ccd的灵敏度是常规行间转移型ccd的5倍。饱和电子数是常规行间转移型的3倍。为了转移大量的饱和电子，特别研制了低功耗的高速开关谐振驱动方法。拖影主要起因于光漏泄和载流子扩散到移位寄存器中，在psid中，入射光几乎完全被非晶硅层吸收，而透过非晶硅传输的红外射线被像素电极阻挡。因此，拖尾噪声降到小于-1000db。由表1中可看出，摄像机采用3片psid结构的ccd图像传感器，由于图像传感器信号输出结构采用浮置扩散放大器，输出结构在输出端引入了许多噪声，包括由电源跟随放大器产生的1/f噪声和由复位电路产生的复位噪声。为了抑制这些噪声，特别研究了箝位—限制抑制噪声的ccs方法，显著抑制了1/f噪声。psid和ccs方法使得系统具有2000lx、f/5.6的高灵敏度和52db的snr。而分辨率为1000(h)×700(v)电视线。因此，它可用于hdtv的摄像。
表1 hdtv ccd彩色摄像机技术规格
摄像机系统 rgb三片ccd 图像传感器 2×106像素psid
行 数 1125 芯片尺寸 16.2(h)×10.5(v)mm2
有效行数 1035 成像面积 14.0(h)×7.8(v)mm2
场 频 60.00hz 有效像素数 1920(h)×1036(v)
图像尺寸(1格式) 14.0(h)×7.8(v)mm2 总像素数 2000(h)×1050(v)
光栅比 16∶9 灵敏度 210na/lx
灵敏度 2000lx,f/5.6 饱和电流 2000na
snr 52db 动态范围 72db
分辨率 1000(h)，(700)v电视线 拖 影 -100db
功耗(机头) 50w
尺寸(机头) 240(h)×160(w)×280(d)mm2
重量(机头) 8kg
作者单位：(华中理工大学电子与信息工程系， 武汉 430074)
参考文献
1 cohen j. the latest in ccd camera technology. be. 1993, 35(7): 26～33
2 fumio okano, yoshihiro fujita, kohji mitani et al. the dual green pickup experiment for a compact hdtv color camera with three-2/3 inch ccds ［j］ ieee. tb. 1991, 37(1): 17～22
3 noah j. ccd camera testing. be 1993, 35(7): 33～34
4 刘继琨编.固体摄像器件的物理基础 ［m］ 成都：电子科技大学出版社，1989
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