CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：在對(duì)CCD圖像傳感器特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，闡述了CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)討論了CCD與像增強(qiáng)器耦合方式，并指出了應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題和解決途徑。

關(guān)鍵詞： CCD;圖像增強(qiáng);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(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型器件，其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的MOS電容器，能夠存儲(chǔ)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(dāng)相序的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，把存儲(chǔ)的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自掃描，完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這種電信號(hào)通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見(jiàn)光像，也可以將信號(hào)存儲(chǔ)在磁帶機(jī)內(nèi)，或輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、識(shí)別、存儲(chǔ)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(diǎn)：

(1) 體積小、重量輕、耗電少、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)和可靠性高。

(2) 光譜響應(yīng)范圍寬。一般的CCD器件可工作在400nm～1100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)。最大響應(yīng)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(zhǎng)極限可達(dá)100nm。

(3) 靈敏度高。CCD具有很高的單元光量子產(chǎn)率，正面照射的CCD的量子產(chǎn)率可達(dá)20%，若采用背部照射減薄的CCD，其單元量子產(chǎn)率高達(dá)90%以上。另外，CCD的暗電流很小，檢測(cè)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(zhuǎn)換和信號(hào)輸出。

(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬。CCD的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍在4個(gè)數(shù)量級(jí)以上最高可達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)。

(5)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(dá)4096像元，CCD攝像機(jī)分辨率已超過(guò)1000線以上。

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

(7) 抗過(guò)度曝光性能。過(guò)強(qiáng)的光會(huì)使光敏元飽和，但不會(huì)導(dǎo)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(zhì)量，而且可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、識(shí)別、存儲(chǔ)等操作。

3 CCD微光電視系統(tǒng)的組成

4 像增強(qiáng)器與CCD的耦合

現(xiàn)在，單獨(dú)的CCD器件的靈敏度雖然可以在低溫度環(huán)境下工作，但要將CCD單獨(dú)應(yīng)用于微光電視系統(tǒng)還不可能。因此，可以將微光像增強(qiáng)器與CCD進(jìn)行耦合，讓光子在到達(dá)CCD器件之前使光子先得到增益。微光像增強(qiáng)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(xué)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) 的輸出經(jīng)增強(qiáng)的圖像耦合到CCD光敏面(對(duì)角線尺寸通常是12.7mm和16.9mm)上，從而可達(dá)到微光攝像的目的。

這種耦合方式的優(yōu)點(diǎn)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(guò)率(≥60%)。缺點(diǎn)是需要帶光纖面板輸入窗的CCD;對(duì)于背照明模式CCD的光纖耦合，有離焦和MTF下降問(wèn)題;此外，光纖面板、光錐和CCD均為若干個(gè)像素單元陣列的離散式成像元件，因而，三陣列間的幾何對(duì)準(zhǔn)損失和光纖元件本身的疵病對(duì)最終成像質(zhì)量的影響等都是值得認(rèn)真考慮并予嚴(yán)格對(duì)待的問(wèn)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(diǎn)是調(diào)焦容易，成像清晰，對(duì)正面照明和背面照明的CCD均可適用;缺點(diǎn)是光能利用率低(≤10%)，儀器尺寸稍大，系統(tǒng)雜光干擾問(wèn)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(diǎn)是微光攝像的總體光量子探測(cè)效率及亮度增益損失較大，加之熒光屏發(fā)光過(guò)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(lái)自光陰極的(光)電子直接轟擊CCD。實(shí)驗(yàn)表明，每3.5eV的電子就可在CCD勢(shì)阱中產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì);10kv工作電壓下，增益達(dá)2857倍。如果采用縮小倍率電子光學(xué)倒像管(例如倍率m=0.33)，則可進(jìn)一步獲得10倍的附加增益.即EBCCD的光子-電荷增益可達(dá)104以上;而且，精心設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)的電子光學(xué)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(wú)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，有望實(shí)現(xiàn)景物照度≤210-7lx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(qiáng)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(qiáng)器和CCD兩者決定，光譜響應(yīng)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(guān)。

5 存在的問(wèn)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(yīng)降低器件噪聲(即減少噪聲電子數(shù))和提高信號(hào)處理能力(即增加信號(hào)電子的數(shù)量)?？梢圆捎弥吕銫CD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(shí)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(huì)在輸入光能減少時(shí)產(chǎn)生一種噪聲的"固定圖形"。此外，在高幀率工作時(shí)，還不希望減少每個(gè)像單元信號(hào)的利用率。器件致冷會(huì)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(shí)，暗電流會(huì)比室溫下小100～1000倍，但這時(shí)的其它噪聲就變得很突出了。盡管CCD像感器目前被公認(rèn)是低亮度成像最有前景的器件，尤其在小電荷的情況下，對(duì)低亮度成像系統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)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(cè)器，因此，我們必須了解L3成像的低噪聲檢測(cè)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(cè)效果更為理想。其中FGA能處理100個(gè)噪聲電子的CCD像感器峰值信號(hào)，而DFGA的飽和電平約為FGA的1/10，它僅能處理約20個(gè)噪聲電子的像感器峰值信號(hào)。

6 小結(jié)

近30年，CCD圖像傳感器的研究取得了驚人的進(jìn)展，它已經(jīng)從最初簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器發(fā)展至具有數(shù)百萬(wàn)至上千萬(wàn)像元。隨著觀察距離的增加和要求在更低照度下進(jìn)行觀察，對(duì)微光電視系統(tǒng)的要求必將越來(lái)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(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)正好迎合了微光電視系統(tǒng)這一發(fā)展趨勢(shì)。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(guān)鍵的作用。