上海天放實(shí)驗(yàn)儀器有限公司
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閱讀：467發(fā)布時(shí)間：2025-9-30
CCD簡(jiǎn)介
CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文名稱：電荷耦合元件。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，每個(gè)像素單元面積越大，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
CCD是1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉•波義耳(Willard S. Boyle）和喬治•史密斯（George E. Smith）所發(fā)明的?？茖W(xué)家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路——電荷藕合器件圖像傳感器CCD" 獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
衡量CCD性能關(guān)鍵指標(biāo)
衡量CCD性能的指標(biāo)很多，其中CCD芯片尺寸，靈敏度，信噪比，動(dòng)態(tài)范圍，制冷溫度是其中比較重要的參數(shù)。
1. 像素：這個(gè)是常見的參數(shù)。在CCD像素單元芯片尺寸大小確定的情況下，像素越高，分辨率就越高，靈敏度相應(yīng)越低，兩者是反比關(guān)系，所以像素不是越高越好，在像素夠用的情況下應(yīng)盡量?jī)?yōu)先確保靈敏度。
2. CCD芯片尺寸：CCD每個(gè)像素單元芯片尺寸越大，其靈敏度越高，因?yàn)橄袼睾挽`敏度的反比關(guān)系，所以芯片尺寸越大越好；
3. 動(dòng)態(tài)范圍：實(shí)際上這個(gè)參數(shù)取決于另外2個(gè)參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍=20Xlog10(滿井電子/總噪音）這個(gè)參數(shù)值越大也表征CCD的靈敏度越高
4. 制冷溫度：CCD工作時(shí)溫度升高會(huì)產(chǎn)生噪音，尤其是長(zhǎng)時(shí)間曝光，降低溫度可以減少這類噪音產(chǎn)生，所以需要制冷CCD。制冷方式有很多，比如半導(dǎo)體制冷、水循環(huán)制冷，空氣制冷等，因此制冷溫度越低的CCD，其信噪比（SN）較高，成像靈敏度好。
5. 灰階：通常用位來表示，如14bit(16384)/16bit(65536)等，對(duì)于做灰度分析或者熒光定量分析的，CCD灰階越高越好。
從以上幾個(gè)方面來說，對(duì)于現(xiàn)今比較熱門的動(dòng)物活體成像設(shè)備的關(guān)鍵部件CCD，各大廠商均使出渾身解數(shù)來提高CCD性能，如：Carestream采用7.4um尺寸的 420萬像素零下29度制冷CCD；Caliper公司也是采用的420萬像素制冷CCD來提高成像質(zhì)量；SII多模式活體成像系統(tǒng)采用Spectral Instruments Imaging的420萬像素大尺寸CCD技術(shù)（芯片大小13.5um或22.5um），零下90度制冷，動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到6-7，為生物發(fā)光，熒光，X光成像提供超高靈敏度多模式成像保障。
關(guān)于Spectral Instruments Imaging（SII）大幅面科研CCD介紹
Spectral Instruments是大幅面CCD生產(chǎn)廠家，其生產(chǎn)CCD在宇宙天文觀測(cè)、軍事測(cè)量、等離子物理及藥物篩選領(lǐng)域久負(fù)盛名。SII 多模式活體成像系統(tǒng)采用其420萬像素、零下90℃制冷大幅面科研CCD，極大提高了成像靈敏度及分辨率，提高了信噪比。
零下90℃制冷大幅面CCD如圖例所示
單個(gè)13.5um像素單元CCD感光面積=13.52/2=91.125um2
單個(gè)7.5um像素單元CCD感光面積=7.52/2=28.125um2
由此一個(gè)13.5um CCD單元感光面積是7.5um的3.24 倍
因此同樣是420萬素情況下，13.5um大幅面CCD 可以相當(dāng)于1360萬像素的普通CCD感光效果，提高了成像靈敏度及分辨率
CCD像素大小與成像感光面積之間的關(guān)系
大尺寸芯片CCD的優(yōu)點(diǎn)
CCD的感光元件是象素，而每個(gè)象素好比可以用來儲(chǔ)存電荷的井，這個(gè)井能容納電荷的極限表明了CCD的動(dòng)態(tài)范圍，也就是曝光寬容度。CCD尺寸的大小直接決定了這個(gè)井的大小。相同尺寸 CCD，當(dāng)象素的體積增大，當(dāng)然這會(huì)造成CCD的像素?cái)?shù)相對(duì)減少，其容納電荷的能力就越強(qiáng)。
從圖像噪聲方面，在檢測(cè)方面，過多的圖像噪聲是檢測(cè)產(chǎn)生錯(cuò)誤的重要原因。而過低的靈敏度，在獲取同樣的圖像信號(hào)時(shí)候，你需要調(diào)節(jié)更大的增益值和更長(zhǎng)的曝光時(shí)間，而這正是噪聲增加的罪魁禍?zhǔn)住２捎么蟪叽?CCD，單個(gè)像素單元可以獲得更多的光子，提高了成像靈敏度，從而使得曝光時(shí)間和增益值都不用過大情況下保證成像效果。這就是為什么在熒光、近紅外光、化學(xué)發(fā)光，生物發(fā)光這些微弱發(fā)光的領(lǐng)域，更在乎大尺寸CCD芯片的原因。
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