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CCD图像传感器在微光电视系统中的应用 基于CCD主要特点，CCD耦合方式及解决的途径 一、引言 CCD （电荷耦合器件），其基本结构是能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，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。 二、 CCD的主要特点 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。 （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％，但采用背部照射减薄的CCD，其单元量子产率高达90％以上。但是，CCD的暗电流很小，检测噪音也很低。 （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。 （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。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大、识别、存储等操作。 三、CCD微光电视系统 图1 CCD微光电视系统的结构图 四、CCD的耦合 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加。 （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输出的经增强的图像，耦合到CCD光敏面上，从而可达到微光摄像的目的。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。 图2 光纤光锥耦合方式的结构图 缺点是： ①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； ②另一方面，光纤面板、光锥和CCD都是像素单元阵列的离散式成像元件，所以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，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（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，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，来自光阴极的电子直接轰击CCD。 实验表明，如果采用缩小倍率电子光学倒像管，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，微光电视系统的核心部件是像增强器与CCD器件的耦合。耦合CCD器件的性能： a．由像增强器和CCD两者决定； b．光谱响应和信噪比取决于前者； c．暗电流、惰性、分辨力取决于后者； d．灵敏度则与两者有关。 五、解决的途径 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”。 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。 六、总结 CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。