中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内容 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2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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。3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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4中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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5中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD的主要性能指标参数符号东芝 TCD1503柯达 KLI2113e2v TH7834 灵敏度R9 V/lx.s50V/J/cm2650nm 32V/J/cm2540nm 25V/J/cm2460nm5 V/J/cm2响应非均匀性PRNU3%5%6%Vos 饱和输出电压Vsat2.0 V2.03.0V 电荷转换因子CVF11.5V/e-6V/e-饱和信号电荷Ne.sa t170k e-饱和曝光量SE0.22 lx.s0.6 J/cm2CCD厂家给出的性能指标形式6中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 CCD的主要性能指标参数符号东芝 TCD1503柯达 KLI2113e2v TH7834 暗信号电压VDRK1.0 mV100V/ms 暗电流Idark0.02 pA/pixel 暗信号非均匀性DSNU1.0 mV90V/ms Nyquist频率 对比传递函数 500nm 600nm 700nmCTF75% 62% 47% 总转移效率92 电荷转移效率CTE.999990.999998 动态范围DR2000 76 dB10,000 随机噪声ND0.6 mV300V7中国科学院长春光学精密机械与物理研究所量子效率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 。 8中国科学院长春光学精密机械与物理研究所量子效率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）9中国科学院长春光学精密机械与物理研究所一个行间转移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cm2V/-mJ-m/photoV/J/cm210中国科学院长春光学精密机械与物理研究所遥感相机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）11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所量子效率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）12中国科学院长春光学精密机械与物理研究所量子效率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 199813中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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）14中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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。15中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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。16中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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。 温度 暗电流密度 pA/ cm21百分数 变化加倍的 温度6011366.610. 8402767.79.52055.88.98.409.0210.27.2-201.1111.96.2-409.5810214.15.3-605.3310317.04.4-801.6610420.93.617中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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）18中国科学院长春光学精密机械与物理研究所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/s19中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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）20中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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。21中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比理想输出信号光子霰粒噪声暗电流噪声复位噪声22中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比放大器白噪声放大器1/f噪声量化噪声23中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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 a24中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 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）314315 25中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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26中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 噪声等效带宽（NEB）27中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 复位噪声28中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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）31629中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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。317319318一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：30中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和信噪比 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：32032131中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 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。32中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 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：32232332433中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 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。32532632734中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 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。32832935中国科学院长春光学精密机械与物理研究所噪声和