CCD和CMOS的动态范围知识

2016-07-29技术资料

为了满足图像系统越来越广泛的要求,无论是个人的还是专业的应用,科研还是工业的,都对图像质量提出了越来越高的要求。

众所周知,动态范围是提高图像质量最重要的指标。近两年CCD和CMOS芯片在提高动态范围上都获得了很大的进步,例如CCD利用类似于雪崩二极管的撞击(impationigation)现象,产生电子倍增效果(electron multiplication),开发出灵敏极高的摄像机,甚至于灵敏到可以对每个光子进行记数;而CMOS则开发出了一种称作HDRC(High Dynamic Range)的技术,利用具有双斜率的对数灵敏度响应曲线,大大增加了摄像机的对比度,拓宽了CMOS的动态范围,其典型实例如下图所示。

用HDRC拓宽动态范围的示例
cmos工业相机

从图中可以看出,当景物中的亮度反差很大时,普通摄像机只能单独地清晰反映出室外亮的景物的灰度层次,或者室内暗的景物的灰度层次,而不能同时在一幅图像内反映出亮和暗二个区域的灰度层次。采用HDRC技术,双斜率对数曲线使这二个区域的灰度层次同时出现在一幅图像中。

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下图展示了一些高档图像传感器的动态范围,图中的X方向是光子数, 每一种摄像机水平线的左端,代表了它的最小可检出的光子数,即灵敏度,而右端代表了最大未饱和的光子数,即满势阱容量。

不同图像传感器的动态范围
图像传感器的动态范围

图中蓝的横线是三种高档CMOS摄像机的动态范围,三条黄线和二条黑线是CCD的动态范围,其中三条黄线中的上面二条使用了电子倍增技术(emCCD)。从图中可以看出,CCD的灵敏度普遍比CMOS高,使用了em技术的CCD97已经灵敏到几乎可以对单个光子进行计数的能力;同时CCD的动态范围也比CMOS的要好一些,但是HDRC CMOS的动态范围则大大地提高了,它可以检出最暗到0.001 Lux的光照输入,在最亮到500,00 Lux的强阳光下的光照下,图像尚未饱和,动态范围高达500×106 :1的170db。