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。

2) 中继透镜耦合方式

采用中继透镜也可将微光管的输出图像耦合到CCD输入面上,其优点是调焦容易,成像清晰,对正面照明和背面照明的CCD均可适用;缺点是光能利用率低(≤10％),仪器尺寸稍大,系统杂光干扰问题需特殊考虑和处理。

3) 电子轰击式CCD,即EBCCD方式

以上前两种耦合方式的共同缺点是微光摄像的总体光量子探测效率及亮度增益损失较大,加之荧光屏发光过程中的附加噪声,使系统的信噪比特性不甚理想。为此,人们发明了电子轰击CCD(EBCCD),即把CCD做在微光管中,代替原有的荧光屏,在额定工作电压下,来自光阴极的(光)电子直接轰击CCD。实验表明,每3.5eV的电子即可在CCD势阱中产生一个电子－空穴对;10kv工作电压下,增益达2857倍。如果采用缩小倍率电子光学倒像管(例如倍率m＝0.33),则可进一步获得10倍的附加增益．即EBCCD的光子－电荷增益可达104以上;而且,精心设计、加工、装调的电子光学系统,可以获得较前两种耦合方式更高的MTF和分辨率特性,无荧光屏附加噪声。因此如果选用噪声较低的DFGA-CCD并入m＝0.33的缩小倍率倒像管中,可望实现景物照度≤2 10-7lx光量子噪声受限条件下的微光电视摄像。

微光电视系统的核心部件是像增强器与CCD器件的耦合。中继透镜耦合方式的耦合效率低,较少采用。光纤光锥耦合方式适用于小成像面CCD。

耦合CCD器件的性能由像增强器和CCD两者决定,光谱响应和信噪比取决于前者,暗电流、惰性、分辨力取决于后者,灵敏度则与两者有关。

从微光成像的要求考虑,最主要的是要提高器件的信／噪比。为此应降低器件噪声(即减少噪声电子数)和提高信号处理能力（即增加信号电子的数量）。可以采用致冷CCD和电子轰击CCD两种方法。其主要目的是在输出信噪比为1时尽可能减少成像所需的光通量。

满足电视要求(50～60fps)的CCD在室温下有明显的暗电流,它将使噪声电平增加。在消除暗电流尖峰的情况下,暗电流分布的不均匀也会在输入光能减少时产生一种噪声的固定图形。此外,在高帧率工作时,还不希望减少每个像单元信号的利用率。器件致冷会使硅中的暗电流明显改善。每冷却8℃噪声将下降一半。用普通电气致冷到－20℃～40℃时,暗电流会比室温下小100～1000倍,但这时的其它噪声就变得很突出了。尽管CCD像感器目前被公认是低亮度成像最有前景的器件,尤其在小电荷的情况下,对低亮度成像系统电荷转移效率不是主要限制,主要限制还是输出放大器和低噪声输出检测器,因此,我们必须了解L3成像的低噪声检测的情况。

配合致冷,采用浮置栅放大器的低噪声输出(FGA和DFGA),CCD的检测效果更为理想。其中FGA能处理100个噪声电子的CCD像感器峰值信号,而DFGA的饱和电平约为FGA的1／10,它仅能处理约20个噪声电子的像感器峰值信号

近30年,CCD图像传感器的研究取得了惊人的进展,它已经从最初简单的8像元移位寄存器发展至具有数百万至上千万像元。随着观察距离的增加和要求在更低照度下进行观察,对微光电视系统的要求必将越来越高,因此必须研制新的高灵敏度、低噪声的摄像器件,CCD图像传感器灵敏度高和低光照成像质量好的优点正好迎合了微光电视系统这一发展趋势。作为新一代微光成像器件,CCD图像传感器在微光电视系统中发挥着关键的作用。