\r\n今年入夏以來，許多城市持續(xù)高溫，「烈日炎炎似火燒」是很多人的共同感嘆。業(yè)內(nèi)人士若能在防璁納涼之馀，關(guān)注一下溫度對CCD成像的影響，將會對CCTV系統(tǒng)的選擇、設(shè)計(jì)和維護(hù)有很大的幫助。本文著重討論溫度影響CCD成像的兩項(xiàng)重要指標(biāo)——信噪比（SNR）和暗電流（Dark Current），當(dāng)然，由於高溫引發(fā)的元器件損壞或攝像機(jī)故障則不在本文的討論范圍。
信噪比（SNR）在數(shù)值上是指信號電壓對於雜訊電壓的比值，其物理意義是基於每個(gè)圖元所獲得的確定信號與不確定信號的相對大??；在要求精確圖像的應(yīng)用場合，高的信噪比就顯得尤其重要。
信噪比隨溫度升高而急劇降低
一般來說，CCD的主要噪音源有以下三種∶第一，光子射入器件轉(zhuǎn)換成光電荷所產(chǎn)生的雜訊；第二，光電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，電荷量波動產(chǎn)生的雜訊；第三，光電荷讀出時(shí)的雜訊。熱力學(xué)規(guī)律指出∶溫度越高，電子的平均動能越大，光電荷的轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)移和輸出過程中的不確定性越高，也即意味著CCD的雜訊越強(qiáng)。另外，愛因斯坦的光電理論闡述了光電子的發(fā)生與入射光子有關(guān)，而與溫度無關(guān)，也即意味著CCD的信號強(qiáng)度并不隨溫度的提高而增強(qiáng)。因此，CCD的信噪比隨溫度的升高而急劇降低。
散熱裝置可防止CCD老化
有趣的是，CCD的信噪比不僅與溫度有關(guān)，而且與CCD器件的老化程度有關(guān)。通過對比可以看出，新的CCD器件有著較高的信噪比。高溫是加速電子器件老化的常見因素，這不能不說是溫度對CCD成像品質(zhì)的另一種長遠(yuǎn)的影響。
為了降低環(huán)境溫度對CCD信噪比的影響，給CCD提供散熱裝置是有效的措施。圖2中線A表示CCD具有散熱裝置，線B則表示依賴晶片自身散熱?？梢钥闯觯瑯拥腃CD，有散熱裝置的信噪比是沒有散熱裝置的大約兩倍。
暗電流對CCD成像品質(zhì)非常不利
暗電流（Dark Current）起因於熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對。在現(xiàn)實(shí)世界里，所有的圖像感測器都受暗電流的影響，原因是我們無法創(chuàng)造出一個(gè)溫度是開氏絕對零度的環(huán)境。對於半導(dǎo)體器件來說，只要其溫度不是開氏絕對零度，元器件內(nèi)部的電子-空穴對永遠(yuǎn)處於產(chǎn)生、遷移和湮滅的動態(tài)平衡中。溫度越高，電子-空穴對產(chǎn)生和遷移的速率就越快，也即暗電流越大。應(yīng)當(dāng)指出，溫度的變化和暗電流的大小是非線性的，例如，溫度每降低 6℃，暗電流約減少一半。
暗電流計(jì)量單位是電子/圖元/秒。在通常溫度下，暗電流的數(shù)值是250-1000左右，每秒一個(gè)圖元產(chǎn)生1000個(gè)電子電量并不算大，但要知道，對一個(gè)512X512的CCD而言，其圖元的個(gè)數(shù)約為262,000，每秒要讀出的圖元約為6,553,600，所以說「暗流涌動」并不夸張。
在生產(chǎn)制造CCD的過程中，目前普遍采用的技術(shù)是「光刻掩膜+離子滲透」。這個(gè)過程無法保證CCD的每個(gè)圖元中的每個(gè)晶格有完全相同的穩(wěn)定性，換句話說，每個(gè)圖元在同樣條件下產(chǎn)生電子-空穴對的能力不同。這種CCD本身的缺陷是暗電流產(chǎn)生的重要原因，而且這種器件本身的缺陷還使得暗電流的產(chǎn)生也不均勻，在CCD處於非光照環(huán)境下也會產(chǎn)生固定的圖形。暗電流對CCD的成像品質(zhì)非常不利，它同時(shí)限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍。
散熱裝置可改善CCD成像品質(zhì)
盡可能地降低CCD的溫度對於提高CCD的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很有好處。尤其是在炎熱的夏季，如何給CCD「納涼」成為許多工程應(yīng)用場合一個(gè)令人關(guān)注的問題。在攝像機(jī)的全天候護(hù)罩內(nèi)加入風(fēng)扇是成熟的解決措施，但并不能直接降低CCD的溫度。值得注意的是，日本HARADA（原田）公司今年推出了幾款攝像機(jī)，在機(jī)芯上直接加入散熱器，在改善CCD成像品質(zhì)方面做出了有益的嘗試。
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