CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)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(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(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)抗過度曝光性能。過強(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。

　　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)。

　　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(duì)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(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)待的問題。