电视电影设备中的电荷祸合器件

　　电荷耦合器件.（ChargeCoupleddevice,简称CC1D)，发明于1970年，19H年即被用于光的传感器。1973年，运用512个象素的光电：；极管阵的电视电影设备曾于伦敦首次展出，当时已经重显出接近广播质量的图象。1975年，1024个象素的CCD线阵传感器问世，1978年，运用CCD线阵传感器的彩色电视电影设备在伦敦的国际广播会议上作首次表演。至今已有了正式产品，并受到广播界的好评。以下就CCD的原理介绍一下它的应用特点。

　　

　　1. CCI)线阵传感器的基本原理

　　

　　图1表示出一种三相线阵CCD图象传感器的基本结构和工作原理。它是一种金属氧化物半导体型（简称MOSS)的集成电路器件，在三相时钟脉冲的驱动下工作。

　　

　　如图1a所示，在一块长条形的P型珪半导体衬底上，覆盖着一层很薄的二氧化眭绝缘层，在二氧化硅上面以很小的间距排列着与时钟脉冲联接的透明转移电极。如在t电运上加上正电压时，就在t各电极下面形成一连串的势阱。当光线透过透明电极投射到硅半导体晶体上时，即激发出电子-空六对，少数载流子在电场的作用下被吸引并储存到t电极下面的势阱内。势阱内存储的电荷载流子的多少，与投光的强度成正比。当线阵CCD传感器受到被影片画面所调制的光线照射的时候，在线阵传感器中就产生了由积累的电荷载流子组成的一行电子图象，这就完成了一行图象佶号的光电转换与信A存储。

　　

　　当电荷积累过程结束后，三相时钟脉冲即把存储的电荷转移向输出电极，其三相时钟脉冲龟压变化的过程是：

　　

　　(a) 电极为正，02、03为零，电荷栽沫子存储在h电极下面的势阱内。

　　

　　(b) 变正，0,不变，电荷栽流子转移到I、^电极下面的势阱内。

　　

　　(c) h变为零，t保持正电压，为零，此时电荷载流子即全部转移到h电极下來的和讲内。

　　

　　含按照这样的次序再使令3变正，多參•猶’叫电荷载埤于又转臀极下而的势阱内。如此随着三部分电极上的兰相时钟脉冲电Hi的变化，则势阱内存储的电荷载流子就沿肴信逬作定向的移，最后被溃送到输出电路，输出一个时序的视频佶号。输出电路通常由做泎硅片上的输出二极管和放大器组成。

　　

　　在上述疗式中，位号积累的时间应远大於读出时问，即读出时间必须相当短，才能忽略在电荷转移时间内由光产生的电荷的影响，以免图象的淸晰度等受到损害。

　　

　　在实际用于电视电影设备的线阵CCD图象传感器中，为了防止信号积累与读出过程的互相影响，采取了将电荷积累部分与读出部分分离集成的方法，如图2所示。经过约一个行周期时间的电荷积累以后，光敏部分积累的电荷，经过传输栅，同时被快速并行输入到两个二相CCD移位寄存器中，然后再用相应的方法读出。CCD移位寄存器是不透光的，所以读出时不会再受到光的千扰。当这一电视行的信号被读出时，下一行的电荷图象又在传感器的光敏部分再次积累形成。这就解决了电荷积累与信号读出之间互相影响的矛盾。

　　

　　二相CCD移位寄存器的电荷转移原理与三相CCD大体相同。如图3所示，它是一种二氧化硅绝缘层厚度台阶式的二相线阵电荷耦合器件，在二相时钟脉冲的作用下工作。在图3(a)中，当t电压为低电平、电压为髙电平时，电荷栽流子储存于A电极下面的势阱内。在围8(b)中，当&变为低电平、幻变为髙电平时，则电荷载流子向右转移到t电极下面的势阱内。由于势阱的深度总是自左至右逐渐倾斜变深，所以在二相#钟脉冲电压变化时，电荷栽流子总是按照自左至右的方向作定向转移，最后被饿送到输出电路。

　　

　　2. CCD线阵传感器电视电影设备的特点

　　

　　在线阵CCE(电视电影设备中，透过影片»面嫌先信号，通过放映镜头投射到线阵CCD的一排光敏砝半导体象素上。读出的信号是被按照光的强弱调制了的脉冲振椹，在CCD上形成的电荷量与其照射的光通量成线性比例，经过低通滤波器后即可提供一个常规的模拟视频信号。随着影片的连续运动，每一幅电影画面的逐行扫描即可被完成。

　　

　　(1) 分解力

　　

　　运用埋沟技术制成kl024卜象素CCD线阵传感器，在数据率为20MVZ时,它输出的图象信号的频率上限可达9:、丨Hz，极限分解力可到72&线，用35毫米影片测试图测量，对于5MHz(相当于400线）的竖条形测试困/在图象中心部分癱得的调制度为80%，可见，分解力是很好的。

　　

　　(2) 彩色合

　　

　　彩色重合调整被简化到由少数的两三个机械装置来完成。在光学聚焦和三个传器被定位以后，只需要调整传感器的垂直和水平位置。在图象的中心部分可以得到小於0.04%的重合误差，在图象的边角部分也能获得高稳定性的彩色重合。

　　

　　(3) 光电梓换特性和暗电流

　　

　　CCD线阵传感器的光电转换特性是线性的，即y值等于1。但在超过曝光技限时，会产生饱和现象。当某些象素曝光超过极限时，产生的过量的电荷将漏到邻近的象棄上，在监示器的图象上将看到水平方向的“开花”现象。为此，应将最大透光强度限制在CCD线阵传感器的曝光极限以内，以防止影片在扫描期间的“开花”现象。博施FDL-60型CCD电视电影设备就是通过一个光控系统控制影片的透光量的。

　　

　　放映密度较大的影片时，CCD暗电流会浚上产生垂直条干扰。CCD传感器的暗电流主要由半导体的热电荷载流子引起，它与温度有关。在室温情况下，这个暗电流的峰值小于最大信号电平的0.3%。当温度每增加10°C时，暗电流大约增大一倍。据介绍，仅从55°C开始,1024个象素埋沟CCD传感器的干扰暗电流峰才能在监示器上被觉察到。

　　

　　(4) 垂直条纹干扰

　　

　　由于构成集成电路的各个象素灵敏度的不同，当对CCD线阵专感器投以均匀的白光时，由于象素中灵敏度较低的输出信号在图象上会造成与走片同向连续垂直条纹状的干扰图象，就象影片划伤后出现的“下雨”图形一样，称为固定图形干扰，这将对图象的信杂比产生影响。当片门开着通过扫描和存储这一行信号，对于每一个象素灵敏度衡校正量可以被自动地测出来。消除固定围形干扰的一种方法是：将这一误差采样信号通过一个模/数转换器后,存入一个程序可控只读存储器，以产生一个与固定图形干扰信号变化量相反的校正信号。然后将这个8比特的校正信号存入随机存取存储器，再将这个校正信号经过数/模转换以后和带有固定图形干扰的图象信号相乘，干扰条纹即可被消除。图4是这个校正系统的原理图。图中，E(S)是带有固定图形干扰的视频佶号，f(S)是固定图形干扰信号，I(S)是图象信号，E'(S)是经过固定图形杂波校正电路后的视颊信号。

  

    （5）光谱灵敏度

   用一个等能量光谱的光源，在lOOnm到700nm波长范围内测量第一代线阵CCD图象传感器的光谱灵敏度，它们输出的蓝、绿、红信号的大概比例是10:11。如果采用色温为3200°K的囟素灯作光源，当绿通道被调制到最大的时候，蓝通道的信号比例仅为8%,可见第一代线阵CCD传感器的蓝光灵敏度是比较低的。这主要是由于光敏部分被多晶眭电极覆盖，降低了蓝光的透射率。

　　

　　笫二代CCD传感器的光谱响应曲线如图5所示。由于改进f传输电极的结构，光敏部分已不再被多晶睡电极覆盖，灵敏度提高了，特別是蓝光灵敏度有了明显的提髙。

　　

　　CCD传感器测出的杂波谱表明，在lOOKHz#下部分的杂波电平比高频部分要髙出约20dB。在第一代CCD传感器的电视电影设备的前置放大器的输出端，测得的红路、绿路不加权信杂比是65dB,蓝路是57dB。这些数字本应指示出格外好的信杂比性能，但是与一个飞点扫描电视电影比较（典型信杂比是48dB)，由于CCD传感器低频杂波的视觉敏感性，CCD电视电影的杂波可见度还是稍微大于飞点扫描电视电影。据介绍，利用改进了蓝光灵敏度的CCD传感器的电视电影，亮度信号信杂比可以达到74dB。

　　

　　:D-133型电荷耦合器件线阵传感器

　　

　　在西德博施公司FDL-60型电视电影设备和英国马可尼公司B-3410型线阵传感器电视电影中，都采用了美国仙童公司生产的CCD-133型第二代线阵传感器。

　　

　　如图6所示，在这种传感器中有1024个象素用于图象传感，另有8个象素作为黑基准和隔离晶胞。每个象素的面积是13x13平方微米。影片画面通过常规的棱镜分光系统被分解成红、绿、蓝三种光并投射到三个对应的线阵传感器的光敏部分。当超过约5印s的行枳分周期后，传输栅夂被接通髙电平，光敏部分积累的电荷即被分别快速转移到CCD模拟移位寄存器A和B。

　　

　　CCD槟拟移位寄存器采用自对准离子注入势垒和鼸埋n沟道技术，采用了所谓的一相半时钟脉冲系统。器件的基本结构和电荷转移原理与二相CCD相同，其差别仅在于其中的一相不是时钟脉冲，而是一个直流电压VT,这个直流电压正好取在时钟脉冲电压*r的高电平和低电平中间。这样随着另一相时钟脉冲电压的电平髙于和低于VT而交替变化，信号电荷即可完成定向转移。这种一相半时钟工作方式较之一般的二相方式，所需时钟脉冲的振幅要大一些，但可以使外围的驱动电路大大简化。

　　

　　时钟脉冲fr的频率约为10MHz。从两个‘CCD移位寄存器传送来的信号电荷，分别经过选通电荷检测器被交替地检测输出，并分别送给输出放大器A和B。两个输出信号A和B被结合在一起，即可得到数据串约为20MHz的视频信息。

　　

　　图6中，上下两側的两个模拟移位寄存器用以收集干扰电场所可能产生的电荷，以保证信号电荷不受影响。其中上面的一个模拟移位寄存器输出的白基准电平信号，还可以用于扫描终端指示和计数。

　　

　　白基准信号的注入电路如图7所示。在毎一个行积分周期结束后，被立即接通髙电平，在积累的信号电荷被快速转移到CCD移位寄存器A和B的同时，白基准信号的注入也被完成。在移位寄存器A和B读出的白基准信号位于每行视颊信号的末尾，它们可以被用于进行自动增益控制。而前面訾提及的黑基准信号，则可用于完成直流电平恢复等功能。

　　

　　C1CCD-133型线阵传感器需要的外部时钟h和fr的振幅为12V。在室温25°C时，使用14V的直流电源，以5MHz的数据率和lm3的积分时间等条件测得的CCD-133型线阵图象传感器的典型指标是：

     结语

　　

　　目前半导体面阵传感器在清晰度等项指标上，还不能和髙级摄象管竞争，而应用线阵CCD图象传感器的电视电影设备，则是一个富有生命力的选择方案。因为这种新器件的应用，陚于新的电视电影设备以淸晰度高、信杂比较髙、体积小、重;a轻、寿命长、可靠性高和调整阎单、片路简单、使用费用省等一系列优点。

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