CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應用

作者Emal:  wjlizhen@yahoo.com.cn

摘  要：  本文在對CCD圖像傳感器的特性進行分析的基礎上，闡述了CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應用，重點討論了CCD與像增強器耦合方式，并指出了應用當中應該注意的幾個問題及解決的途徑。

關鍵詞：  CCD ，圖像增強，微光電視，耦合

1   引言

    CCD (Charge Coupled Device) ，電荷耦合器件，是一種金屬－氧化物－半導體結構的新型器件，其基本結構是一種密排的MOS電容器，能夠存儲由入射光在CCD像敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當相序的時鐘脈沖驅動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉移，實現(xiàn)自掃描，完成從光信號到電信號的轉換。這種電信號通常是符合電視標準的視頻信號，可在電視屏幕上復原成物體的可見光像，也可以將信號存儲在磁帶機內，或輸入計算機，進行圖像增強、識別、存儲等處理。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。

2   CCD的主要特性

    與真空攝像管相比，固體攝像器件有如下特點：

    （1）體積小、重量輕、耗電少、啟動快、壽命長和可靠性高。

    （2）光譜響應范圍寬。一般的CCD器件可工作在400nm～1100nm波長范圍內。最大響應約在900nm。在紫外區(qū)，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射減薄的CCD，工作波長極限可達100nm。

（3）靈敏度高。CCD具有很高的單元光量子產率，正面照射的CCD的量子產率可達20％，若采用背部照射減薄的CCD，其單元量子產率高達90％以上。另外，CCD的暗電流很小，檢測噪音也很低。因此，即使在低照度下(10-21x)，CCD也能順利完成光電轉換和信號輸出。

    （4）動態(tài)響應范圍寬。CCD的動態(tài)響應范圍在4個數(shù)量級以上最高可達8個數(shù)量級。

    （5）可達很高的分辨率，線陣器件已有7000像元，可分辨最小尺寸7μm；面陣器件己達4096像元 4096像元，CCD攝像機分辨率已超過1000線以上。

    （6） 易與微光像增強器級聯(lián)耦合，能在低光條件下采集信號。

    （7）抗過度曝光性能。過強的光會使光敏元飽和，但不會導致芯片毀壞。

    基于以上特性，將CCD用于微光電視系統(tǒng)中，不僅可以提高系統(tǒng)終端顯示圖象的質量，而且可以利用計算機對圖像進行增強、識別、存儲等操作。

3  CCD微光電視系統(tǒng)的組成

4   像增強器與CCD的耦合

    現(xiàn)在，單獨的CCD器件的靈敏度雖然可以在低照度環(huán)境下工作，但要將CCD單獨應用于微光電視系統(tǒng)還不可能，因此，可以將微光像增強器與CCD進行耦合，讓光子在到達CCD器件之前使光子先得到增益。微光像增強器與CCD耦合方式有三種：

    （1）光纖光錐耦合方式

    光纖光錐也是一種光纖傳像器件，它一頭大，另一頭小，利用纖維光學傳像原理，可將微光管光纖面板熒光屏(通常，Φ有效為Φ18、Φ25或Φ30mm)輸出的經增強的圖像，耦合到CCD光敏面(對角線尺寸通常是12.7mm和16.9mm)上，從而可達到微光攝像的目的。

    這種耦合方式的優(yōu)點是熒光屏光能的利用率較高，理想情況下，僅受限于光纖光錐的漫射透過率(≥60％)，缺點是：需要帶光纖面板輸入窗的CCD；對背照明模式CCD的光纖耦合，有離焦和MTF下降問題；此外，光纖面板、光錐和CCD均為若干個像素單元陣列的離散式成像元件，因而，三陣列間的幾何對準損失和光纖元件本身的疵病對最終成像質量的影響等都是值得認真考慮并予嚴格對待的問題。

    (2) 中繼透鏡耦合方式   

    采用中繼透鏡也可將微光管的輸出圖像耦合到CCD輸入面上，其優(yōu)點是調焦容易，成像清晰，對正面照明和背面照明的CCD均可適用；缺點是光能利用率低(≤10％)，儀器尺寸稍大，系統(tǒng)雜光干擾問題需特殊考慮和處理。

    (3) 電子轟擊式CCD，即EBCCD方式

    以上前兩種耦合方式的共同缺點是微光攝像的總體光量子探測效率及亮度增益損失較大，加之熒光屏發(fā)光過程中的附加噪聲，使系統(tǒng)的信噪比特性不甚理想。為此，人們發(fā)明了電子轟擊CCD(EBCCD)，即把CCD做在微光管中，代替原有的熒光屏，在額定工作電壓下，來自光陰極的(光)電子直接轟擊CCD。實驗表明，每3.5eV的電子即可在CCD勢阱中產生一個電子－空穴對；10kv工作電壓下，增益達2857倍。如果采用縮小倍率電子光學倒像管(例如倍率m＝0.33)，則可進一步獲得10倍的附加增益．即EBCCD的光子－電荷增益可達104以上；而且，精心設計、加工、裝調的電子光學系統(tǒng)，可以獲得較前兩種耦合方式更高的MTF和分辨率特性，無熒光屏附加噪聲。因此如果選用噪聲較低的DFGA-CCD并入     m＝0.33的縮小倍率倒像管中，可望實現(xiàn)景物照度≤2 10-7lx光量子噪聲受限條件下的微光電視攝像。

    微光電視系統(tǒng)的核心部件是像增強器與CCD器件的耦合。中繼透鏡耦合方式的耦合效率低，較少采用。光纖光錐耦合方式適用于小成像面CCD。

    耦合CCD器件的性能由像增強器和CCD兩者決定，光譜響應和信噪比取決于前者，暗電流、惰性、分辨力取決于后者，靈敏度則與兩者有關。

    5   存在的問題及解決的途徑

    從微光成像的要求考慮，最主要的是要提高器件的信／噪比。為此應降低器件噪聲(即減少噪聲電子數(shù))和提高信號處理能力（即增加信號電子的數(shù)量）。可以采用致冷CCD和電子轟擊CCD兩種方法。其主要目的是在輸出信噪比為1時盡可能減少成像所需的光通量。

    滿足電視要求(50～60fps)的CCD在室溫下有明顯的暗電流，它將使噪聲電平增加。在消除暗電流尖峰的情況下，暗電流分布的不均勻也會在輸入光能減少時產生一種噪聲的"固定圖形"。此外，在高幀率工作時，還不希望減少每個像單元信號的利用率。器件致冷會使硅中的暗電流明顯改善。每冷卻8℃噪聲將下降一半。用普通電氣致冷到－20至－40℃時，暗電流會比室溫下小100～1000倍，但這時的其它噪聲就變得很突出了。盡管CCD像感器目前被公認是低亮度成像最有前景的器件，尤其在小電荷的情況下，對低亮度成像系統(tǒng)電荷轉移效率不是主要限制，主要限制還是輸出放大器和低噪聲輸出檢測器，因此，我們必須了解L3成像的低噪聲檢測的情況。

    配合致冷，采用浮置柵放大器的低噪聲輸出(FGA和DFGA)，CCD的檢測效果更為理想。其中FGA能處理100個噪聲電子的CCD像感器峰值信號，而DFGA的飽和電平約為FGA的1／10，它僅能處理約20個噪聲電子的像感器峰值信號。

    6   小結

    近30年，CCD圖像傳感器的研究取得了驚人的進展，它已經從最初簡單的8像元移位寄存器發(fā)展至具有數(shù)百萬至上千萬像元。隨著觀察距離的增加和要求在更低照度下進行觀察，對微光電視系統(tǒng)的要求必將越來越高，因此必須研制新的高靈敏度、低噪聲的攝像器件，CCD圖像傳感器靈敏度高和低光照成像質量好的優(yōu)點正好迎合了微光電視系統(tǒng)這一發(fā)展趨勢。作為新一代微光成像器件，CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵的作用。