CCD圖像傳感器在微光電視系統中的應用

　　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,其優點是調焦容易,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,加之熒光屏發光過程中的附加噪聲,使系統的信噪比特性不甚理想。為此,人們發明了電子轟擊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。實驗表明,每3.5eV的電子即可在CCD勢阱中產生一個電子-空穴對;10kv工作電壓下,增益達2857倍。如果采用縮小倍率電子光學倒像管(例如倍率m=0.33),則可進一步獲得10倍的附加增益.即EBCCD的光子-電荷增益可達104以上;而且,精心設計、加工、裝調的電子光學系統,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,可望實現景物照度≤2 10-7lx光量子噪聲受限條件下的微光電視攝像。

　　微光電視系統的核心部件是像增強器與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器和CCD兩者決定,光譜響應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。

　　從微光成像的要求考慮,最主要的是要提高器件的信/噪比。為此應降低器件噪聲(即減少噪聲電子數)和提高信號處理能力(即增加信號電子的數量)。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在輸入光能減少時產生一種噪聲的固定圖形。此外,在高幀率工作時,還不希望減少每個像單元信號的利用率。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。盡管CCD像感器目前被公認是低亮度成像最有前景的器件,尤其在小電荷的情況下,對低亮度成像系統電荷轉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器,因此,我們必須了解L3成像的低噪聲檢測的情況。

　　配合致冷,采用浮置柵放大器的低噪聲輸出(FGA和DFGA),CCD的檢測效果更為理想。其中FGA能處理100個噪聲電子的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

　　近30年,CCD圖像傳感器的研究取得了驚人的進展,它已經從最初簡單的8像元移位寄存器發展至具有數百萬至上千萬像元。隨著觀察距離的增加和要求在更低照度下進行觀察,對微光電視系統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量好的優點正好迎合了微光電視系統這一發展趨勢。作為新一代微光成像器件,CCD圖像傳感器在微光電視系統中發揮著關鍵的作用。