CCD图像传感器在微光电视系统中的应用

　　一 引言

　　CCD是一种新型的MOS结构器件，其基本结构是一种封闭的MOS电容器，它能够在CCD中作为敏感单元存储受电荷入射光光信息的启发，并以适当的相序与时钟脉冲，由存储的电荷以电荷包的形式传输束，

实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。

　　这种电信号通常达到电视视频信号的标准，可以在电视屏幕上恢复成可见光等物体，信号也可以存储在磁带机中，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储、处理等。因此，CCD器件是一种理想的摄像器件。

　　二、CCD的主要特点

　　A.与真空摄像管相比，固体摄像器件具有以下特点

　　（1）体积小、重量轻、功耗低、启动快、寿命长、可靠性高。

　　（2）光谱响应范围宽。通常，CCD器件可以在400nm~1100nm的波长范围内工作。最大响应约为900nm。在紫外区域，由于硅芯片本身的吸收，量子效率下降，但通过使用背照射的降低CCD，工作波长极限可以达到100nm。

　　（3）灵敏度高。CCDS单位光产量高，CCD量产率高达20%，可高达90%。此外，CCD的暗电流非常小，检测噪声非常低。因此，即使在低照度（10-21x）下，CCD也能顺利完成光电转换和信号输出。

　　（4）动态响应范围广。CCD的动态响应范围可以在8个数量级中达到4个数量级。

　　（5）高分辨率。线阵设备有7像素，可以分辨出最小尺寸为000μm。表面阵列设备有7像素，CCD相机有4096多行。

　　（6）易于与微光图像增强器配合使用，可在弱光条件下采集信号。

　　（7）抗过度曝光性能。过多的光线会使感光元件饱和，但不会导致芯片损坏。基于以上特点，CCD应用于低照度电视系统，不仅可以提高系统终端显示图像的质量，而且可以利用计算机进行图像增强、识别、存储等。

　　三、CCD电视系统的组成

　　

　　IV 图像增强器和CCD耦合

　　现在，单个CCD器件的灵敏度可以在低温环境中工作，但不可能将CCD应用于微光学电视系统。因此，微光可以与CCD耦合，使光子在到达CCD器件之前获得增益。有微光学图像增强器和CCD耦合三种。

　　4.1 光纤锥形耦合

　　光锥也是光纤图像传输器件的一种，它头大，另一边小，利用光纤图像传输理论，可以将光管光纤面板屏（正常情况下，有效为Φ Φ 18、25或30 mm Φ

Φ）耦合到输出端，由增强型图像CCD光敏面耦合（对角线尺寸通常为12.7mm和16.9mm）， 可以实现LLL视频的目标。

　　这种耦合方式的优点是荧光屏利用率高，理想情况下，只有光锥的漫射透射率限制在60%。缺点是需要光纤面板输入窗口的CCD。对于背光模式CCD光纤耦合，焦点和MTF有所下降;此外，光纤面板、光锥和小区阵列CCD都是几个像素离散的成像元件，因此，三个阵列几何对齐之间的损耗和光纤元件本身的故障对最终图像的质量是值得认真考虑和严格对待的问题。

　　4.2 中继透镜耦合

　　使用中继透镜，微管的输出图像可以耦合到CCD输入表面。优点是易于对焦，图像清晰，可应用于前后照明的CCD。缺点是光能利用率低（小于10%），仪器尺寸稍大，系统杂乱的问题需要特别考虑和处理。

　　4.3 电子轰炸CCD（即EBCCD）

　　耦合方式多于前两种是LLL视频整体光量子检测效率和亮度增益损失较大的常见缺点，再加上荧光屏在发光过程中的加法噪声，系统的信噪比性能不是很理想。为此，发明了电子轰击CCD（EBCCD），就是在微光管中做CCD，代替原来的荧光屏，在额定工作电压下，来自时间极点的电子直接轰击CCD。

　　实验表明，每个3.5eV的电子可以在CCD电位阱中产生一个电子-空穴对。10kV工作电压，增益2857倍。如果采用电子光学倒像管的还原（例如，m=0.33），可以获得10倍的额外增益。而且，经过精心设计、加工和安装的电子光学系统可以获得比前两种耦合模式更高的MTF和分辨率特性，而不会产生荧光屏的额外噪声。因此，如果将低噪声dfga-ccd掺入m=0.33的缩小比管中，有望在物体照明条件下实现量子噪声受限条件下的低光电视摄像机。

　　低光电视系统的核心组件是增强器和CCD器件的耦合。中继透镜耦合的耦合效率低且使用较少。光纤锥耦合应用于小图像CCD。

　　耦合CCD器件的性能由增强器和CCD共同决定。频谱响应和信噪比取决于前者。暗电流、惯性和分辨率取决于后者，灵敏度与两者有关。

　　存在的问题和解决办法

　　要求微光学成像的主要原因是提高器件的信噪比。这应该降低器件的噪声（即减少噪声电子的数量）并提高信号处理能力（即增加信号电子的数量）。这两种方法可用于冷CCD和电子轰击CCD。主要目的是在输出信噪比为1时最小化成像所需的光通量。

　　满足电视要求（50~60fps）的CCD在室温下有明显的暗电流，会增加噪声水平。在消除暗电流峰值的情况下，当输入光可以减少时，暗电流分布的不均匀性会产生一种嘈杂的“固定数字”。此外，在高帧速率下，您不希望降低每个小区信号的利用率。

　　器件的冷却可以显著改善硅中的暗电流。每8°C冷却噪音将下降一半。采用普通电制冷至--20至40°C，暗电流比室温小100~1000倍，但随后另一种噪音变得十分突出。虽然CCD作为传感器目前已知是最有前途的低光成像器件，特别是在电荷量小的情况下，电荷转移效率不是低光成像系统的主要限制，主要限制还是输出和低噪声放大器输出探测器，因此，必须知道L3成像检测的低噪声。采用浮栅放大器的低噪声输出（FGA和DFGA），CCD的检测效果更加理想。

　　FGA可以处理100个噪声电子的CCD图像传感器峰值信号，DFGA饱和水平约为FGA的1/10，只能处理约20个噪声电子的图像传感器峰值信号。