温度对ccd成像的影响

温度对CCD成像的影响  

信噪比(SNR)在数值上是指信号电压对於杂讯电压的比值，其物理意义是基於每个图元所获得的确定信号与不确定信号的相对大小;在要求精确图像的应用场合，高的信噪比就显得尤其重要。

信噪比随温度升高而急剧降低

一般来说，CCD的主要噪音源有以下三种∶第一，光子射入器件转换成光电荷所产生的杂讯;第二，光电荷转移时，电荷量波动产生的杂讯;第三，光电荷读出时的杂讯。热力学规律指出∶温度越高，电子的平均动能越大，光电荷的转换、转移和输出过程中的不确定性越高，也即意味著CCD的杂讯越强。另外，爱因斯坦的光电理论阐述了光电子的发生与入射光子有关，而与温度无关，也即意味著CCD的信号强度并不随温度的提高而增强。因此，CCD的信噪比随温度的升高而急剧降低。

散热装置可防止CCD老化

有趣的是，CCD的信噪比不仅与温度有关，而且与CCD器件的老化程度有关。通过对比可以看出，新的CCD器件有著较高的信噪比。高温是加速电子器件老化的常见因素，这不能不说是温度对CCD成像品质的另一种长远的影响。

为了降低环境温度对CCD信噪比的影响，给CCD提供散热装置是有效的措施。图2中线A表示CCD具有散热装置，线B则表示依赖晶片自身散热。可以看出，同样的CCD，有散热装置的信噪比是没有散热装置的大约两倍。

暗电流对CCD成像品质非常不利

暗电流(Dark Current)起因於热激发产生的电子-空穴对。在现实世界里，所有的图像感测器都受暗电流的影响，原因是我们无法创造出一个温度是开氏绝对零度的环境。对於半导体器件来说，只要其温度不是开氏绝对零度，元器件内部的电子-空穴对永远处於产生、迁移和湮灭的动态平衡中。温度越高，电子-空穴对产生和迁移的速率就越快，也即暗电流越大。应当指出，温度的变化和暗电流的大小是非线性的，例如，温度每降低 6℃，暗电流约减少一半。

暗电流计量单位是电子/图元/秒。在通常温度下，暗电流的数值是250-1000左右，每秒一个图元产生1000个电子电量并不算大，但要知道，对一个512X512的CCD而言，其图元的个数约为262,000，每秒要读出的图元约为6,553,600，所以说「暗流涌动」并不夸张。

 

在生产制造CCD的过程中，目前普遍采用的技术是「光刻掩膜+离子渗透」。这个过程无法保证CCD的每个图元中的每个晶格有完全相同的稳定性，换句话说，每个图元在同样条件下产生电子-空穴对的能力不同。这种CCD本身的缺陷是暗电流产生的重要原因，而且这种器件本身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，在CCD处於非光照环境下也会产生固定的图形。暗电流对CCD的成像品质非常不利，它同时限制了器件的灵敏度和动态范围。

散热装置可改善CCD成像品质

尽可能地降低CCD的温度对於提高CCD的多项技术指标很有好处。尤其是在炎热的夏季，如何给CCD「纳凉」成为许多工程应用场合一个令人关注的问题。在摄像机的全天候护罩内加入风扇是成熟的解决措施，但并不能直接降低CCD的温度。值得注意的是，日本HARADA(原田)公司今年推出了几款摄像机，在机芯上直接加入散热器，在改善CCD成像品质方面做出了有益的尝试。