一、引言

        CCD （Charge Coupled Device） ，即電荷耦合器件，是一種金屬－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)相序的時鐘脈沖驅(qū)動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)自掃描，完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。這種電信號通常是符合電視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，可在電視屏幕上復(fù)原成物體的可見光像，也可以將信號存儲在磁帶機內(nèi)，或輸入計算機，進(jìn)行圖像增強、識別、存儲等處理。因此，CCD器件是一種理想的攝像器件。

二、CCD的主要特性

        與真空攝像管相比，固體攝像器件有如下特點：

（1）體積小、重量輕、耗電少、啟動快、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。
（4）動態(tài)響應(yīng)范圍寬。CCD的動態(tài)響應(yīng)范圍在4個數(shù)量級以上，最高可達(dá)8個數(shù)量級。
（5）分辨率很高。線陣器件有7000像元，可分辨最小尺寸7mm；面陣器件己達(dá)4096像元×4096像元，CCD攝像機分辨率已超過1000線以上。
（6）易與微光像增強器級聯(lián)耦合，能在低光條件下采集信號。
（7）抗過度曝光性能。過強的光會使光敏元飽和，但不會導(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，而且可以利用計算機對圖像進(jìn)行增強、識別、存儲等操作。

三、CCD在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

        CCD微光電視系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，CCD必須與光像增強器相耦合才能發(fā)揮作用。微光像增強器與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，一頭大，一頭小?？蓪⑽⒐夤芄饫w面板熒光屏（通常，Φ有效為18、25或30mm）輸出的經(jīng)增強的圖像，耦合到CCD光敏面（對角線尺寸通常是12.7mm和16.9mm）上，從而可達(dá)到微光攝像的目的。

        這種耦合方式的優(yōu)點是熒光屏光能的利用率較高，缺點是：需要帶光纖面板輸入窗的CCD，對背照明模式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均為若干個像素單元陣列的離散式成像元件，因而，三陣列間的幾何對準(zhǔn)損失和光纖元件本身的疵病對最終成像質(zhì)量的影響都是值得認(rèn)真考慮并予嚴(yán)格對待的問題。

（2） 中繼透鏡耦合方式

        采用中繼透鏡也可將微光管的輸出圖像耦合到CCD輸入面上，其優(yōu)點是調(diào)焦容易，成像清晰，對正面照明和背面照明的CCD均可適用；缺點是光能利用率低（≤10％），儀器尺寸稍大，系統(tǒng)雜光干擾問題需特殊考慮和處理。

（3） 電子轟擊式CCD，即EBCCD方式

        以上前兩種耦合方式的共同缺點是微光攝像的總體光量子探測效率及亮度增益損失較大，加之熒光屏發(fā)光過程中的附加噪聲，使系統(tǒng)的信噪比特性不甚理想。為此，人們發(fā)明了電子轟擊CCD（EBCCD），即把CCD做在微光管中，代替原有的熒光屏，在額定工作電壓下，由來自光陰極的（光）電子直接轟擊CCD。實驗表明， 10kV工作電壓下，增益達(dá)2857倍。如果采用縮小倍率電子光學(xué)倒像管（例如倍率m＝0.33），則可進(jìn)一步獲得10倍的附加增益，即EBCCD的光子－電荷增益可達(dá)104以上；而且，經(jīng)過精心設(shè)計、加工、裝調(diào)的電子光學(xué)系統(tǒng)，可以獲得較前兩種耦合方式更高的MTF和分辨率特性，且無熒光屏附加噪聲。
耦合CCD器件的性能由像增強器和CCD兩者決定，光譜響應(yīng)和信噪比取決于前者，暗電流、惰性、分辨力取決于后者，靈敏度則與兩者有關(guān)。

四、存在的問題及解決途徑

        從微光成像的要求考慮，最主要的是要提高器件的信／噪比。為此，應(yīng)降低器件噪聲（即減少噪聲電子數(shù)）和提高信號處理能力（即增加信號電子的數(shù)量）?？梢圆捎弥吕銫CD和電子轟擊CCD兩種方法，其主要目的是在輸出信噪比為1時盡可能減少成像所需的光通量。

        滿足電視要求（50fps～60fps）的CCD在室溫下有明顯的暗電流，它將使噪聲電平增加。在消除暗電流尖峰的情況下，暗電流分布的不均勻也會在輸入光能減少時產(chǎn)生一種噪聲的“固定圖形”。此外，在高幀率工作時，每個像單元信號的利用率不能降低。器件致冷會使硅中的暗電流明顯改善，每冷卻8℃噪聲將下降一半。用普通電氣致冷到-20℃～-40℃時，暗電流會比室溫下小100～1000倍，但這時的其它噪聲就變得很突出了。

        配合致冷，采用浮置柵放大器的低噪聲輸出（FGA和DFGA），CCD的檢測效果更為理想。其中，F(xiàn)GA能處理100個噪聲的CCD像感器峰值信號，而DFGA的飽和電平約為FGA的1／10，它僅能處理約20個噪聲電子的像感器峰值信號。

五、小結(jié)
　
        隨著觀察距離的增加和要求在更低照度下進(jìn)行觀察，對微光電視系統(tǒng)的要求越來越高，因此研制新的高靈敏度、低噪聲的攝像器件勢在必行，CCD圖像傳感器靈敏度高和低光照成像質(zhì)量好的優(yōu)點正好迎合了微光電視系統(tǒng)這一發(fā)展趨勢。作為新一代微光成像器件，CCD圖像傳感器將會在微光電視系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。