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)該注意的幾個問題和解決途徑。
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)相序的時鐘脈沖驅(qū)動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自掃描，完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。這種電信號通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見光像，也可以將信號存儲在磁帶機(jī)內(nèi)，或輸入計算機(jī)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、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(diǎn)：
??? （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(yīng)范圍寬。一般的CCD器件可工作在400nm～1100nm波長范圍內(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)換和信號輸出。
??? （4）動態(tài)響應(yīng)范圍寬。CCD的動態(tài)響應(yīng)范圍在4個數(shù)量級以上最高可達(dá)8個數(shù)量級。
??? （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1000線以上。
??? （6） 易與微光像增強(qiáng)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(qiáng)的光會使光敏元飽和，但不會導(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，而且可以利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行增強(qiáng)、識別、存儲等操作。
3? CCD微光電視系統(tǒng)的組成
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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。

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??? 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率(≥60％)。缺點(diǎn)是需要帶光纖面板輸入窗的CCD；對于背照明模式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(zhǔn)損失和光纖元件本身的疵病對最終成像質(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(diǎn)是調(diào)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)表明，每3.5eV的電子就可在CCD勢阱中產(chǎn)生一個電子－空穴對；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、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))和提高信號處理能力（即增加信號電子的數(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(chǎn)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(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(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(jìn)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(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。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。

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