電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，通常指定為可達(dá)到的*大信號(hào)除以由照相機(jī)噪聲，其中信號(hào)強(qiáng)度是由全井容量，并噪聲是黑暗和讀噪聲的總和。 作為一個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍的增加，能夠定量測(cè)量的圖像中*暗的強(qiáng)度（性能intrascene）得到改善。 interscene的動(dòng)態(tài)范圍表示的頻譜的強(qiáng)度時(shí)，可以容納不同的視場(chǎng)的檢測(cè)器增益，積分時(shí)間，鏡頭的光圈，和其他變量作相應(yīng)調(diào)整。

光電二極管的大小決定，枯竭井的大小 - 較大的二極管相比具有更大的全阱容量相機(jī)噪聲。 在顯微攝影的范圍內(nèi)使用的典型的二極管在現(xiàn)代的CCD的大小，以及與相應(yīng)的2萬(wàn)至60萬(wàn)個(gè)電子的能力，從4.5到24微米。 閱讀噪聲是一個(gè)組合，所有設(shè)備讀出過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲。 這包括從輸入時(shí)鐘和固定模式的噪音，隨著復(fù)位晶體管噪聲和放大器的輸出噪聲。 讀噪聲通常伴隨CCD傳感器，具有典型值的范圍從10到20的電子/像素在高品質(zhì)的芯片在室溫下操作的性能數(shù)據(jù)表中指定的，下降到2-5個(gè)電子/像素，可在珀耳帖冷卻的CCD科學(xué)成像應(yīng)用。 表示以分貝為單位的動(dòng)態(tài)范圍根據(jù)下面的公式：

其中N(sat)是線性全阱容量指出電子和N(noise)的數(shù)量是的讀和暗噪聲的總價(jià)值，也可以表達(dá)為。 在一個(gè)高性能的冷卻CCD攝像機(jī)，井產(chǎn)能的單個(gè)光電二極管的大小成比例，使得存儲(chǔ)的電子的*大數(shù)目是每個(gè)光電二極管的橫截面面積的約1000倍。 因此，應(yīng)該有一個(gè)*大6.7×6.7微米的光電二極管的CCD的電荷存儲(chǔ)容量（全井容量）約44900的電子（或空穴）。 在一個(gè)典型的讀出速率為1 MHz，此CCD讀出噪聲是約10個(gè)電子/像素，這將產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍為44900/10，4490。 為了利用全方位的灰度等級(jí)，可用此動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，相機(jī)應(yīng)該有一個(gè)12位模擬到數(shù)字（A / D）轉(zhuǎn)換器，能夠解決4096個(gè)灰度級(jí)。 控制讀出和暗噪聲的大小是在這些裝置中保持一種高動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)關(guān)鍵因素。

性能更高的冷卻CCD傳感器設(shè)計(jì)具有低噪聲輸出放大器和適合使用的慢掃描顯微照片成像往往有較低的讀出噪聲和擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。 作為一個(gè)例子，馬可尼應(yīng)用技術(shù)CCD39-01傳感器是背照式，幀轉(zhuǎn)移CCD具有方形像素大小為24微米，分割輸出寄存器允許利用四輸出放大器。 此設(shè)備的全井產(chǎn)能達(dá)到的水平300,000電子。 再加上讀出的噪聲的均方根（rms）的三個(gè)電子水平在20千赫茲（冷卻時(shí)），CCD39-01是能夠得到的動(dòng)態(tài)范圍大約為100,000：1。 要充分利用潛在的CCD，一個(gè)17位的A / D轉(zhuǎn)換器具有131,072灰度等級(jí)應(yīng)采用（雖然一個(gè)16位A / D轉(zhuǎn)換器，有65,536灰階也就夠了）。

一個(gè)特定的CCD的動(dòng)態(tài)范圍是取決于幾個(gè)變量。 暗電流強(qiáng)烈地受到溫度（圖1），每8到10攝氏度加倍。 在較高的溫度下，暗電流是顯性的，而在較低的溫度下，動(dòng)態(tài)范圍是由放大器的輸出噪聲。 收集在每個(gè)像素中的暗電荷的量不僅取決于設(shè)備的溫度，而且還對(duì)積分時(shí)間和讀出之前的存儲(chǔ)時(shí)間。 的噪聲電平也正比于讀出放大器的帶寬，這是由像素傳輸速率的影響，并因此由時(shí)鐘頻率的影響。 由于時(shí)鐘頻率的增加，暗電流和散粒噪聲的電子的數(shù)目也相應(yīng)減少，由輸出放大器和視頻處理電子設(shè)備需要較少的帶寬。 積分時(shí)間也影響的CCD的動(dòng)態(tài)范圍，如在圖1中示出。 的總積分時(shí)間增加，產(chǎn)生增加暗電流和隨后的減少的動(dòng)態(tài)范圍，但這種影響只進(jìn)場(chǎng)時(shí)，積分時(shí)間*過(guò)5分鐘。

位深度是指二進(jìn)制范圍的可能的灰度值，利用由A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬圖像信息轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，能夠由計(jì)算機(jī)讀取和分析。 例如，*流行的8位A / D轉(zhuǎn)換器有一個(gè)二進(jìn)制的2·（E8）或256個(gè)可能的值（圖2）的范圍內(nèi)，而一個(gè)12位的轉(zhuǎn)換器具有2·（E12）或4096的值的范圍內(nèi)和一個(gè)16位的轉(zhuǎn)換器具有2·（E16），或65,536個(gè)可能的值。 的A / D轉(zhuǎn)換器的位深度決定的灰度增量的大小，具有更高的比特深度對(duì)應(yīng)于更大范圍的有用的圖像信息可從相機(jī)。 在一定的水平，以及下面的建議的上限由讀出噪聲信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，得到更好的結(jié)果。 舉例來(lái)說(shuō)，如果馬可尼CCD39-01用于信號(hào)平均，18位（262,144灰度等級(jí)）的A / D轉(zhuǎn)換器可能會(huì)被用來(lái)樣本數(shù)據(jù)262,144 1。 然而，此設(shè)備的噪聲電平的統(tǒng)計(jì)信息顯示的圖象數(shù)據(jù)不能被正確地測(cè)定為大于1的一部分在100000無(wú)信號(hào)平均。 顯然，一個(gè)16位或18位A / D轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生更好的結(jié)果時(shí)，馬可尼CCD39-01芯片。 與此相反，F(xiàn)UJICHROME Velvia的，細(xì)粒度的彩色透明薄膜，已被證明產(chǎn)生小于10級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍（1024灰度級(jí)）。

表1列出了用于存儲(chǔ)數(shù)字信息的比特?cái)?shù)之間的關(guān)系，數(shù)值相當(dāng)于在灰度級(jí)，用分貝（dB）對(duì)應(yīng)的值（1位等于約6 dB）。 如表中所示，如果由一個(gè)A / D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的1位的精度為0.72伏的視頻信號(hào)，該信號(hào)將被表示由兩個(gè)值，二進(jìn)制0或1與0伏和0.72伏的電壓值。 顯微攝影中使用的數(shù)碼相機(jī)中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)數(shù)字化儀采用8位A / D轉(zhuǎn)換器，其中有256個(gè)離散的灰度等級(jí)（0到255之間），來(lái)代表電壓幅度。 0.72伏的*大信號(hào)，然后將細(xì)分為256步，每步2.9毫伏值。

的數(shù)量，以達(dá)到可接受的視覺(jué)質(zhì)量，必須生成灰度級(jí)應(yīng)該是足夠的個(gè)人之間的灰度值的步驟是對(duì)人的眼睛無(wú)法辨別。 “明顯的差異”平均人眼的灰度級(jí)圖像的強(qiáng)度是理想的觀看條件下的兩成左右。 在大多數(shù)的情況下，眼睛能分辨約50個(gè)離散的灰度色調(diào)的強(qiáng)度范圍內(nèi)的視頻監(jiān)視器，建議的*小動(dòng)態(tài)范圍的圖像應(yīng)介于6和第7位（64和128灰度級(jí)，圖2）。

數(shù)字圖像應(yīng)該至少有8位分辨率時(shí)增加對(duì)比度在圖像處理過(guò)程中避免產(chǎn)生視覺(jué)上明顯增強(qiáng)后的圖像灰度級(jí)的步驟。 的數(shù)量減少的效果灰度水平上的外觀的顯微照片，可以看出，在圖3中，其示出了黑色和白色（原來(lái)8位）的圖像的彩色薄邊的馬鈴薯 （馬鈴薯），顯示在不同的分辨率取值范圍為6位（圖3（a）），下降到5位（圖3（b）），4位（圖3（c）），和3-bit（圖第3（d））。

改進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)具有12位分辨率的CCD，能夠讓研究者來(lái)顯示圖像具有更大的緯度可能比8位圖像。 這是可能的，因?yàn)橄鄳?yīng)的軟件可以提供必要的灰******調(diào)，從一個(gè)更大的調(diào)色板（4096灰度等級(jí)）的計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，這通常出現(xiàn)在256級(jí)灰度的圖像。 與此相反，一個(gè)8位的數(shù)字圖像的受限制的調(diào)色板256級(jí)灰度，*初是由數(shù)碼相機(jī)所捕獲。 由于倍率提高圖像處理過(guò)程中，該軟件可以選擇*準(zhǔn)確的灰度，重現(xiàn)部分放大后的圖像，而不改變?cè)瓉?lái)的數(shù)據(jù)。 檢查陰影區(qū)域中的12-bit數(shù)字圖像的深度允許調(diào)查員的可視化，將不存在在一個(gè)8 - 比特圖像的細(xì)微的細(xì)節(jié)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。

數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào)所需的精確度取決于在相機(jī)中輸出的數(shù)字灰度級(jí)的步驟和均方根噪聲之間的差異。具有內(nèi)部A / D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，這并不需要在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行重采樣和數(shù)字化的CCD攝像機(jī)。 這些攝像機(jī)是能夠生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)高達(dá)18位分辨率（262,144灰度）的高端機(jī)型，并沒(méi)有限制到0.72伏的信號(hào)RS-170視頻系統(tǒng)的限制，并利用更廣泛的模擬電壓范圍其A / D轉(zhuǎn)換器。 所表現(xiàn)出的大的數(shù)字范圍CCD攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于在所顯示的8位圖像的改進(jìn)的信號(hào)與噪聲的和寬線性動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)可以被數(shù)字化。