1.引言

       CCD (Charge Coupled Device) 電荷耦合器件,是一種金屬一氧化物--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)相應(yīng)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。

       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）可達(dá)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。
   

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       現(xiàn)在,單獨(dú)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(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)輸出的經(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(如圖2)。

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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(guò)率(≥60％),缺點(diǎn)是：需要帶光纖面板輸入窗的CCD;對(duì)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。

     

       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)。
   

        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）。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(shí)盡可能減少成像所需的光通量。
   

       滿(mǎn)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℃～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)。
   

       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。