CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　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(diǎn)是調(diào)焦容易,成像清晰,對(duì)正面照明和背面照明的CCD均可適用;缺點(diǎn)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(diǎn)是微光攝像的總體光量子探測(cè)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,來自光陰極的(光)電子直接轟擊CCD。實(shí)驗(yàn)表明,每3.5eV的電子即可在CCD勢(shì)阱中產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì);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,精心設(shè)計(jì)、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,無熒光屏附加噪聲。因此如果選用噪聲較低的DFGA-CCD并入m=0.33的縮小倍率倒像管中,可望實(shí)現(xiàn)景物照度≤2 10-7lx光量子噪聲受限條件下的微光電視攝像。

　　微光電視系統(tǒng)的核心部件是像增強(qiáng)器與CCD器件的耦合。中繼透鏡耦合方式的耦合效率低,較少采用。光纖光錐耦合方式適用于小成像面CCD。

　　耦合CCD器件的性能由像增強(qiáng)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)。

　　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(hào)處理能力(即增加信號(hào)電子的數(shù)量)。可以采用致冷CCD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(shí)盡可能減少成像所需的光通量。

　　滿足電視要求(50～60fps)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(huì)在輸入光能減少時(shí)產(chǎn)生一種噪聲的固定圖形。此外,在高幀率工作時(shí),還不希望減少每個(gè)像單元信號(hào)的利用率。器件致冷會(huì)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(shí),暗電流會(huì)比室溫下小100～1000倍,但這時(shí)的其它噪聲就變得很突出了。盡管CCD像感器目前被公認(rèn)是低亮度成像最有前景的器件,尤其在小電荷的情況下,對(duì)低亮度成像系統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移效率不是主要限制,主要限制還是輸出放大器和低噪聲輸出檢測(cè)器,因此,我們必須了解L3成像的低噪聲檢測(cè)的情況。

　　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(cè)效果更為理想。其中FGA能處理100個(gè)噪聲電子的CCD像感器峰值信號(hào),而DFGA的飽和電平約為FGA的1/10,它僅能處理約20個(gè)噪聲電子的像感器峰值信號(hào)

　　近30年,CCD圖像傳感器的研究取得了驚人的進(jìn)展,它已經(jīng)從最初簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器發(fā)展至具有數(shù)百萬(wàn)至上千萬(wàn)像元。隨著觀察距離的增加和要求在更低照度下進(jìn)行觀察,對(duì)微光電視系統(tǒng)的要求必將越來越高,因此必須研制新的高靈敏度、低噪聲的攝像器件,CCD圖像傳感器靈敏度高和低光照成像質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)正好迎合了微光電視系統(tǒng)這一發(fā)展趨勢(shì)。作為新一代微光成像器件,CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。