电荷耦合摄像器件

CCD能通过自身扫描和光电转换功能将空间的光强分布转换为时序的图像信号，并根据确定的时空参数间的相互关系获得物体空间分布状态数据。因此，CCD具有摄像功能。电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCD，简称ICCD，它能把二维的光学图像信号转变成一维视频信号输出。相比传统的摄像器件， ICCD的体积小、功耗低、可靠性高、寿命长、空间分辨率高、光电灵敏度高、动态范围大、红外敏感性强、信噪比高、集成度高，同时具有可高速扫描、基本上不保留残像等特点，已成为图形测量系统的核心器件。ICCD的基本结构如图4－6所示，它主要由微型放大镜片、分色阵列以及MOS电荷储存区组成。

图4－6 ICCD的基本结构

4.2.1 线阵CCD和面阵CCD

根据MOS光敏单元排列方式的不同，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两大类，如图4－7所示。线阵CCD的光敏单元线性排列，由MOS光敏单元阵列、转移栅和读出移位寄存器等部分组成，其基本工作原理是“并行转移，串行输出”。线阵CCD根据沟道数不同，又分为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。前者转移次数多、效率低，只适用于像素单元较少的成像器件；后者转移次数较前者减少一半，总转移效率也是前者的两倍。线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。

面阵CCD是将光敏单元排列成矩阵而得到的器件，它可以理解为按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列而构成的。根据工作结构的不同，面阵CCD可分为场转移面阵CCD和隔列转移面阵CCD。前者电极结构简单，感光区面积可以很小，但是需要面积较大的暂存区，以实现瞬时场转移过程；后者采用隔列转移的方式，转移效率大大提高，但是结构较为复杂。

图4－7 CCD的两种结构类型

4.2.2 ICCD的工作原理

下面以线阵ICCD为例，介绍ICCD的基本工作原理。线阵ICCD由光敏区、转移栅、CCD移位寄存器、电荷注入区、信号读出电路等几个部分组成。图4－8（a）所示是一个具有N个光敏单元的线阵ICCD，其工作波形如图4－8（b）所示。

图4－8 ICCD工作原理

ICCD摄像过程可归纳为积分、转移、传输、输出、计数五个环节。

（1）积分 在有效积分时间里，ΦP处于高电平，每个光敏单元下形成势阱，光生电子被积累到势阱中，形成一个电信号“图像”。

（2）转移 将N个光信号电荷包并行转移到所对应的各位CCD中，Φt处于高电平。

（3）传输 N个信号电荷在二相脉冲Φ1、Φ2驱动下依次沿CCD串行输出。

（4）输出 通过输出二极管VT3、复位管VT2、放大管VT1，以及负载电阻RL组成的浮置扩散放大器，将脉冲电荷转换为电压信号Uo输出。

（5）计数 计数器用来记录驱动周期的个数。通常计数器预置值为N＋m，m为过驱动次数。

4.2.3 ICCD的性能参数

1.光电转换特性

ICCD的光电转换特性是指入射光与输出信号的关系，如图4－9所示。图中横轴为曝光量，纵轴为输出信号电压值。由图可知，ICCD的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的拐点G所对应的曝光量为饱和曝光量SE，当曝光量大于SE时ICCD输出信号不增加，此时对应的电压USAT为饱和输出电压。UDARK为无光照时的输出电压，即暗输出电压。

图4－9 ICCD的光电转换特性

2.光谱响应

ICCD接收光的形式有正面光照射与背面光照射两种。由于ICCD正面布置有很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背光照射时的低，为此，ICCD常用背光照射的方式。目前广泛应用的ICCD器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围均为400nm～1 100nm。另外，红外IC－CD器件用多元红外探测器阵列代替可见光ICCD的光敏部分，其中主要材料有锑化铟（InSb）、碲锡铅（PbSnTe）和碲镉汞（HgCdTe）等，此时光谱范围延伸至3μm～5μm和8μm～14μm。

3.动态范围

势阱中可存储的最大电荷量（饱和曝光量）和噪声决定的最小电荷量（噪声曝光量）之比称为ICCD的动态范围。势阱中的最大信号电荷量取决于ICCD的电极面积及器件结构（SCCD或BCCD）、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。决定最小电荷量的噪声包括以下几种：电荷注入器件引起的噪声，如光子噪声、暗电流噪声；电荷转移过程中电荷量变化引起的噪声，如胖零噪声、俘获噪声；检测产生的噪声，如输出噪声。ICCD的动态范围一般在103～104数量级。

4.暗电流

暗电流的存在限制了器件的动态范围和信号处理能力。暗电流大小与光积分时间、周围环境温度等密切相关，通常温度每上升30℃～35℃，暗电流提高约一个数量级。ICCD在室温下暗电流为5n A／cm2～10n A／cm2。

5.分辨率

作为图像传感器件的重要特性，分辨率常用调制传递函数MTF来评价。图4－10所示为宽带光源与窄带光源照明下线阵ICCD的MTF曲线，f为归一化空间频率。

图4－10 线阵ICCD的MTF曲线

ICCD具有很高的空间分辨率，7 000像素的线阵ICCD的分辨率高达7μm。实际上，像素位数越高的器件具有越高的分辨率。因此，采用高位数光敏单元ICCD测量物体尺寸，可以得到更高的精度。在采用线阵ICCD进行二维图像的视频扫描时，其第二维的分辨率取决于扫描速度与ICCD光敏单元的高度等。

二维面阵ICCD的输出信号一般遵循电视系统的扫描方式。它在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率高于垂直分辨率。在评价面阵ICCD分辨率时，一般只评价其水平分辨率，采用电视系统对图像分辨率的评价指标——电视线数，它指在一副图像上，在水平方向能够分辨出的黑白条数。水平分辨率与水平方向上ICCD像素数量有关，像素数量越多，分辨率越高。4 096×4 096的面阵ICCD已经达到1 000电视线以上。

4.2.4 ICCD与CMOS摄像器件的比较

在摄像器件领域，除了ICCD以外，还有一种应用广泛的摄像器件，即CMOS摄像器件。CMOS全称为互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor），它的核心元件是感光二极管。

CMOS器件与ICCD相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是在低亮度环境下）和系统灵活性与ICCD相比相对较低。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、对摄像质量无过高要求的场合，如保安用小型／微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数器、某些车用摄像系统等即可采用CMOS器件。

ICCD与CMOS图像传感器相比，有较好的图像质量和灵活性，适用于高端的摄像技术应用领域，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等领域。CCD的灵活性体现为：与采用CMOS器件相比，用户可构建更多不同的摄像系统。CMOS与CCD图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺线上制作，工艺线的设备亦相似。但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别，如二者在灵敏度、电子－电压转换率、动态范围、响应均匀性、暗电流、速度、偏置与功耗、可靠性等方面的差别即较大。

由于CCD与CMOS图像传感器均具有各自的特点，二者互为补充，因此在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。

4.2.5 ICCD的发展趋势

ICCD的发展趋势体现在CCD上，目前CCD的发展趋势主要体现在以下两个方面。

1）CCD性能的提高

CCD的发展应不断适应工业发展的需求，那么CCD的发展必然朝着高分辨率、高速和高灵敏度、高响应范围的方向发展。测量精度要求的提高必然促成CCD分辨率的提高。目前CCD的像素已从100万提高到2 000万以上，大面阵、小像素的CCD摄像机层出不穷，例如美国EG＆G Retion公司研制出了8 192×8 192像素的高分辨率CCD图像传感器。对于某些高速瞬态成像场合（如高速飞行弹头的飞行姿态），要求CCD具有高的工作速度和灵敏度。另外，目前的CCD器件可进行可见光和近红外光的检测，而对X射线、紫外光、中远红外光检测的研究，促使它向多光谱响应方向发展。

2）特殊CCD的发展

提高分辨率与单纯增加像素之间存在着矛盾。因此，日本富士公司研制出了超级CCD （super CCD），它用八角形像素取代传统矩形像素，使像素空间效率显著提高、密度更大，从而可以使光吸收效率得到显著提高。其采用独特的45°蜂窝状像素排列形式，使其分辨率比传统CCD高60％。像素单元光吸收效率的提高使感光度、信噪比、动态范围这些指标明显改善，在300万像素时提升达130％。由于信噪比提高，在专门信号处理器下CCD的彩色还原能力提高50％。

传统CCD均采用三原色体系，而日本Sony公司发布的四色感应CCD——ICX456，新增了一个颜色——绿色，加强了对自然风景的解色能力。