CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應用

一 引言

CCD是一種新型的MOS結構器件，其基本結構是一種封閉的MOS電容器，它能夠在CCD中作為敏感單元存儲受電荷入射光光信息的啟發(fā)，并以適當的相序與時鐘脈沖，由存儲的電荷以電荷包的形式傳輸束，

實現自掃描，完成從光信號到電信號的轉換。

這種電信號通常達到電視視頻信號的標準，可以在電視屏幕上恢復成可見光等物體，信號也可以存儲在磁帶機中，或輸入計算機，進行圖像增強、識別、存儲、處理等。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。

二、CCD的主要特點

A.與真空攝像管相比，固體攝像器件具有以下特點

（1）體積小、重量輕、功耗低、啟動快、壽命長、可靠性高。

（2）光譜響應范圍寬。通常，CCD器件可以在400nm~1100nm的波長范圍內工作。最大響應約為900nm。在紫外區(qū)域，由于硅芯片本身的吸收，量子效率下降，但通過使用背照射的降低CCD，工作波長極限可以達到100nm。

（3）靈敏度高。CCDS單位光產量高，CCD量產率高達20%，可高達90%。此外，CCD的暗電流非常小，檢測噪聲非常低。因此，即使在低照度（10-21x）下，CCD也能順利完成光電轉換和信號輸出。

（4）動態(tài)響應范圍廣。CCD的動態(tài)響應范圍可以在8個數量級中達到4個數量級。

（5）高分辨率。線陣設備有7像素，可以分辨出最小尺寸為000μm。表面陣列設備有7像素，CCD相機有4096多行。

（6）易于與微光圖像增強器配合使用，可在弱光條件下采集信號。

（7）抗過度曝光性能。過多的光線會使感光元件飽和，但不會導致芯片損壞?；谝陨咸攸c，CCD應用于低照度電視系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)終端顯示圖像的質量，而且可以利用計算機進行圖像增強、識別、存儲等。

三、CCD電視系統(tǒng)的組成

IV 圖像增強器和CCD耦合

現在，單個CCD器件的靈敏度可以在低溫環(huán)境中工作，但不可能將CCD應用于微光學電視系統(tǒng)。因此，微光可以與CCD耦合，使光子在到達CCD器件之前獲得增益。有微光學圖像增強器和CCD耦合三種。

4.1 光纖錐形耦合

光錐也是光纖圖像傳輸器件的一種，它頭大，另一邊小，利用光纖圖像傳輸理論，可以將光管光纖面板屏（正常情況下，有效為Φ Φ 18、25或30 mm Φ

Φ）耦合到輸出端，由增強型圖像CCD光敏面耦合（對角線尺寸通常為12.7mm和16.9mm）， 可以實現LLL視頻的目標。

這種耦合方式的優(yōu)點是熒光屏利用率高，理想情況下，只有光錐的漫射透射率限制在60%。缺點是需要光纖面板輸入窗口的CCD。對于背光模式CCD光纖耦合，焦點和MTF有所下降;此外，光纖面板、光錐和小區(qū)陣列CCD都是幾個像素離散的成像元件，因此，三個陣列幾何對齊之間的損耗和光纖元件本身的故障對最終圖像的質量是值得認真考慮和嚴格對待的問題。

4.2 中繼透鏡耦合

使用中繼透鏡，微管的輸出圖像可以耦合到CCD輸入表面。優(yōu)點是易于對焦，圖像清晰，可應用于前后照明的CCD。缺點是光能利用率低（小于10%），儀器尺寸稍大，系統(tǒng)雜亂的問題需要特別考慮和處理。

4.3 電子轟炸CCD（即EBCCD）

耦合方式多于前兩種是LLL視頻整體光量子檢測效率和亮度增益損失較大的常見缺點，再加上熒光屏在發(fā)光過程中的加法噪聲，系統(tǒng)的信噪比性能不是很理想。為此，發(fā)明了電子轟擊CCD（EBCCD），就是在微光管中做CCD，代替原來的熒光屏，在額定工作電壓下，來自時間極點的電子直接轟擊CCD。

實驗表明，每個3.5eV的電子可以在CCD電位阱中產生一個電子-空穴對。10kV工作電壓，增益2857倍。如果采用電子光學倒像管的還原（例如，m=0.33），可以獲得10倍的額外增益。而且，經過精心設計、加工和安裝的電子光學系統(tǒng)可以獲得比前兩種耦合模式更高的MTF和分辨率特性，而不會產生熒光屏的額外噪聲。因此，如果將低噪聲dfga-ccd摻入m=0.33的縮小比管中，有望在物體照明條件下實現量子噪聲受限條件下的低光電視攝像機。

低光電視系統(tǒng)的核心組件是增強器和CCD器件的耦合。中繼透鏡耦合的耦合效率低且使用較少。光纖錐耦合應用于小圖像CCD。

耦合CCD器件的性能由增強器和CCD共同決定。頻譜響應和信噪比取決于前者。暗電流、慣性和分辨率取決于后者，靈敏度與兩者有關。

存在的問題和解決辦法

要求微光學成像的主要原因是提高器件的信噪比。這應該降低器件的噪聲（即減少噪聲電子的數量）并提高信號處理能力（即增加信號電子的數量）。這兩種方法可用于冷CCD和電子轟擊CCD。主要目的是在輸出信噪比為1時最小化成像所需的光通量。

滿足電視要求（50~60fps）的CCD在室溫下有明顯的暗電流，會增加噪聲水平。在消除暗電流峰值的情況下，當輸入光可以減少時，暗電流分布的不均勻性會產生一種嘈雜的“固定數字”。此外，在高幀速率下，您不希望降低每個小區(qū)信號的利用率。

器件的冷卻可以顯著改善硅中的暗電流。每8°C冷卻噪音將下降一半。采用普通電制冷至--20至40°C，暗電流比室溫小100~1000倍，但隨后另一種噪音變得十分突出。雖然CCD作為傳感器目前已知是最有前途的低光成像器件，特別是在電荷量小的情況下，電荷轉移效率不是低光成像系統(tǒng)的主要限制，主要限制還是輸出和低噪聲放大器輸出探測器，因此，必須知道L3成像檢測的低噪聲。采用浮柵放大器的低噪聲輸出（FGA和DFGA），CCD的檢測效果更加理想。

FGA可以處理100個噪聲電子的CCD圖像傳感器峰值信號，DFGA飽和水平約為FGA的1/10，只能處理約20個噪聲電子的圖像傳感器峰值信號。