这篇文章是第13部分AAC系列的CCD(电荷耦合器件)图像传感器。在我们潜入CCD图像传感器的量子效率和信噪比之前，您可能会发现赶上这个正在进行的谈话有助于：
- 图像传感器的基础知识
- CCDS的基础知识
- CCD类型（例如，全帧，交互转移和帧传输）
- CCD读数时钟技术
- CCD输出信号
- 对CCD输出信号进行采样、放大和数字化
- 黑色背景ccd
- CCD装箱
- CCD传感器帧率
- CCD成像系统中的像素读出和帧率
- CCD图像传感器中的暗噪声
- CCD图像传感器中的光子噪声，读取噪声和复位噪声
为了确定CCD成像系统的总体信噪比(SNR)，我们需要知道入射光和总噪声响应时产生的信号的大小。在前两篇文章中，我们进行了探讨黑暗的噪音那光子噪声，读取噪声和重置噪声。
我们将假设CCD的输出信号是使用相关的双采样处理的(在我们的文章中有更多关于这方面的内容)对CCD输出信号进行采样、放大和数字化)，因此我们可以忽略重置噪声。
计算CCD信号电平
有三个因素决定CCD产生的信号量。其中两个是入射光照强度和入射光照持续时间。
光照强度的正式名称是光子助焊剂（由P表示），并且它被量化为到达每秒给定像素位置的光子的数量。如果我们通过集成时间乘以该数量（由t）表示，则我们知道在图像形成时段期间接收的像素的总数。
量子效率
如果CCD像素能够持续地为每个入射光子产生一个自由电子，我们就可以仅使用上述数量来计算信号电平。
然而，ccd就像人类一样，是不完美的。由于各种原因，并不是每个光子都能产生一个可用的电子。有些被多晶硅电极吸收、散射或反射，有些可能产生电子直接扩散到防开花CCD结构，其他的则可能击中像素的非光敏部分。
这就是为什么我们需要第三个因素:量子效率（QE，或QE.在方程)。这个值指定了CCD对光的总体灵敏度，它允许我们计算出相对于入射光子的总数，产生了多少可用电荷。
互转CCD如果没有微透镜，QE就会很低，因为很大一部分像素区域是不具有光活性的。微透镜将光子引导到光活性区域，但它们也会产生一些反射和吸收。插图的使用在半导体
量子效率为100％将表明每个光子都被转换成可用的电子。黑色背景ccd可以在特定波长实现大于90%的QE，但典型的前置发光CCD的平均可见光谱QE明显较低。
如果具有QE = 30％的像素在积分周期期间接收1000个光子，则该像素中的光产生的电荷分组将包括300电子，并且这成为我们SNR计算中的信号项。因此，信号等于光子通量乘以集成时间乘以量子效率：
\ [s = ptq_e \]
CCD信噪比公式
CCD操作中最重要的噪声源是光子噪声，暗噪声和读取噪声。
- 光子噪声计算为光子信号电平的平方根。因此，\（n_p = \ sqrt（ptqe）\）。
- 暗噪声计算为暗电流的平方根乘以积分时间：\（n_d = \ sqrt（i_dt）\）。
- 读取噪音（nR.）不是从另一个易用的数量计算的。您必须找到读取噪音规范。
\[信噪比= \压裂{PtQ_E} {N_P + N_D + N_R} \]
\ [snr = \ frac {ptq_e} {\ sqrt {ptq_e + {i_dt} + n_r ^ 2}}}} \]
要记住的一件事是QE随着波长的函数而变化显着。因此，为了提高计算的信号电平的精度（以及因此，计算的光子噪声），需要考虑CCD对给定应用程序或操作环境中存在的光学波长的敏感性。
CCD信噪比的方便工具
尼康创建了一个在线计算器它可以快速地进行信噪比分析，并生成信噪比与集成时间之间的信息图。
CCD SNR计算器。使用的图像礼貌尼康
如果您与滑块一起游戏，您将看到较长的集成时间一致地产生更高的SNR。另请注意，该工具允许您轻松确定如何装箱会影响整体信噪比。
如果你尝试使用这个工具，你会注意到有时它会显示“Read Noise Limited”，有时它会显示“Photon Noise Limited”。在结束本文之前，让我们简要地讨论一下这个问题。
阅读噪音有限与光子噪音有限
如果一个CCD的总噪声是由读噪声控制的，我们说它是读噪声限制的。如果总噪声是由光子噪声控制的，那么它就是光子噪声受限的。入射光越多，光子噪声就越多;因此，当系统积分时间较长、光子通量较高时，光子噪声往往占主导地位。
暗噪声有限公司？
似乎CCD可能是暗噪声限制，因为在较高温度下暗噪声的量可以相对较大。尽管如此，我们真的没有“黑暗噪音限制”类别。
首先，暗噪声往往很小，特别是在典型的摄影和录像中使用的集成时间。例如，KAI-2020有大约20个电子的RMS读取噪声。在40°C和100毫秒的集成时间(这是一个相当长的曝光日常图像捕捉)，暗噪声将是2电子RMS(典型)和5.9电子RMS(最大)。
此外，在纯粹的实验环境中，暗噪声从来不是一个限制因素，因为我们总是可以通过冷却传感器将暗噪声降低到可以忽略的水平。
结论
如果我们知道光子通量，暗电流和读取噪声，我们可以使用相当简单的公式估算CCD的输出信号的SNR。
在下一篇文章中，我们将探讨动态范围，这是一个相关的概念，也在CCD相机系统产生的图像质量中起着重要作用。
