CCD圖像傳感器在微光電視系統中的應用

　　1.引言

　　CCD (Charge Coupled Device) 電荷耦合器件,是一種金屬一氧化物--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,并能在適當相應的時(shí)鐘脈沖驅動(dòng)下,把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉移,實(shí)現自?huà)呙?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(jiàn)光像,也可以將信號存儲在磁帶機內,或輸入計算機,進(jìn)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。

　　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(cháng)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(cháng)范圍內。最大響應約在900nm。在紫外區,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(cháng)極限可達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20%,若采用背部照射減薄的CCD,其單元量子產(chǎn)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(dòng)態(tài)響應范圍寬。CCD的動(dòng)態(tài)響應范圍在4個(gè)數量級以上最高可達8個(gè)數量級。

　　(5)可達很高的分辨率,線(xiàn)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(guò)1000線(xiàn)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(guò)度曝光性能。過(guò)強的光會(huì )使光敏元飽和,但不會(huì )導致芯片毀壞。

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

　　現在,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還不可能,因此,可以將微光像增強器與CCD進(jìn)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(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)輸出的經(jīng)增強的圖像,耦合到CCD光敏面(對角線(xiàn)尺寸通常是12.7mm和16.9mm)上,從而可達到微光攝像的目的(如圖2)。

　　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,三陣列間的幾何對準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真考慮并予嚴格對待的問(wèn)題。