CCD图像传感器在微光电视系统中的应用

　　1.引言

　　CCD (Charge Coupled Device) 电荷耦合器件,是一种金属一氧化物--半导体结构的新型器件,其基本结构是一种密排的MOS电容器,能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷,并能在适当相应的时钟脉冲驱动下,把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移,实现自扫描,完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号,可在电视屏幕上复原成物体的可见光像,也可以将信号存储在磁带机内,或输入计算机,进行图像增强、识别、存储等处理。因此,CCD器件是一种理想的摄像器件。

　　与真空摄像管相比,固体摄像器件有如下特点：

　　(1)体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高。

　　(2)光谱响应范围宽。一般的CCD器件可工作在400nm～1100nm波长范围内。最大响应约在900nm。在紫外区,由于硅片自身的吸收,量子效率下降,但采用背部照射减薄的CCD,工作波长极限可达100nm。

　　(3)灵敏度高。CCD具有很高的单元光量子产率,正面照射的CCD的量子产率可达20%,若采用背部照射减薄的CCD,其单元量子产率高达90%以上。另外,CCD的暗电流很小,检测噪音也很低。因此,即使在低照度下(10-21x),CCD也能顺利完成光电转换和信号输出。

　　(4)动态响应范围宽。CCD的动态响应范围在4个数量级以上最高可达8个数量级。

　　(5)可达很高的分辨率,线阵器件已有7000像元,可分辨最小尺寸7μm;面阵器件己达4096像元4096像元,CCD摄像机分辨率已超过1000线以上。

　　(6)易与微光像增强器级联耦合,能在低光条件下采集信号。

　　(7)抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和,但不会导致芯片毁坏。

　　基于以上特性,将CCD用于微光电视系统中,不仅可以提高系统终端显示图象的质量,而且可以利用计算机对图像进行增强、识别、存储等操作。

　　现在,单独的CCD器件的灵敏度虽然可以在低照度环境下工作,但要将CCD单独应用于微光电视系统还不可能,因此,可以将微光像增强器与CCD进行耦合,让光子在到达CCD器件之前使光子先得到增益。

　　微光像增强器与CCD耦合方式有三种：

　　1)光纤光锥耦合方式

　　光纤光锥也是一种光纤传像器件,它一头大,另一头小,利用纤维光学传像原理,可将微光管光纤面板荧光屏(通常,Φ有效为Φ18、Φ25或Φ30mm)输出的经增强的图像,耦合到CCD光敏面(对角线尺寸通常是12.7mm和16.9mm)上,从而可达到微光摄像的目的(如图2)。

　　这种耦合方式的优点是荧光屏光能的利用率较高,理想情况下,仅受限于光纤光锥的漫射透过率(≥60%),缺点是：需要带光纤面板输入窗的CCD;对背照明模式CCD的光纤耦合,有离焦和MTF下降问题;此外,光纤面板、光锥和CCD均为若干个像素单元阵列的离散式成像元件,因而,三阵列间的几何对准损失和光纤元件本身的疵病对最终成像质量的影响等都是值得认真考虑并予严格对待的问题。