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探討電視電影設(shè)備中的電荷禍合器件論文
電荷耦合器件.（ChargeCoupleddevice,簡(jiǎn)稱CC1D)，發(fā)明于1970年，19H年即被用于光的傳感器。1973年，運(yùn)用512個(gè)象素的光電：；極管陣的電視電影設(shè)備曾于倫敦首次展出，當(dāng)時(shí)已經(jīng)重顯出接近廣播質(zhì)量的圖象。1975年，1024個(gè)象素的CCD線陣傳感器問(wèn)世，1978年，運(yùn)用CCD線陣傳感器的彩色電視電影設(shè)備在倫敦的國(guó)際廣播會(huì)議上作首次表演。至今已有了正式產(chǎn)品，并受到廣播界的好評(píng)。以下就CCD的原理介紹一下它的應(yīng)用特點(diǎn)。
1.CCI)線陣傳感器的基本原理
圖1表示出一種三相線陣CCD圖象傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。它是一種金屬氧化物半導(dǎo)體型（簡(jiǎn)稱MOSS)的集成電路器件，在三相時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下工作。
如圖1a所示，在一塊長(zhǎng)條形的P型珪半導(dǎo)體襯底上，覆蓋著一層很薄的二氧化眭絕緣層，在二氧化硅上面以很小的間距排列著與時(shí)鐘脈沖聯(lián)接的透明轉(zhuǎn)移電極。如在t電運(yùn)上加上正電壓時(shí)，就在t各電極下面形成一連串的勢(shì)阱。當(dāng)光線透過(guò)透明電極投射到硅半導(dǎo)體晶體上時(shí)，即激發(fā)出電子-空六對(duì)，少數(shù)載流子在電場(chǎng)的作用下被吸引并儲(chǔ)存到t電極下面的勢(shì)阱內(nèi)。勢(shì)阱內(nèi)存儲(chǔ)的電荷載流子的多少，與投光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)線陣CCD傳感器受到被影片畫面所調(diào)制的光線照射的時(shí)候，在線陣傳感器中就產(chǎn)生了由積累的電荷載流子組成的一行電子圖象，這就完成了一行圖象佶號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與信A存儲(chǔ)。
當(dāng)電荷積累過(guò)程結(jié)束后，三相時(shí)鐘脈沖即把存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移向輸出電極，其三相時(shí)鐘脈沖龜壓變化的過(guò)程是：
(a)電極為正，02、03為零，電荷栽沫子存儲(chǔ)在h電極下面的勢(shì)阱內(nèi)。
(b)變正，0,不變，電荷栽流子轉(zhuǎn)移到I、^電極下面的勢(shì)阱內(nèi)。
(c)h變?yōu)榱�，t保持正電壓，為零，此時(shí)電荷載流子即全部轉(zhuǎn)移到h電極下來(lái)的和講內(nèi)。
含按照這樣的次序再使令3變正，多參?猶’叫電荷載埤于又轉(zhuǎn)臀極下而的勢(shì)阱內(nèi)。如此隨著三部分電極上的蘭相時(shí)鐘脈沖電Hi的變化，則勢(shì)阱內(nèi)存儲(chǔ)的電荷載流子就沿肴信逬作定向的移，最后被潰送到輸出電路，輸出一個(gè)時(shí)序的視頻佶號(hào)。輸出電路通常由做泎硅片上的輸出二極管和放大器組成。
在上述療式中，位號(hào)積累的時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)大於讀出時(shí)問(wèn)，即讀出時(shí)間必須相當(dāng)短，才能忽略在電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間內(nèi)由光產(chǎn)生的電荷的影響，以免圖象的淸晰度等受到損害。
在實(shí)際用于電視電影設(shè)備的線陣CCD圖象傳感器中，為了防止信號(hào)積累與讀出過(guò)程的互相影響，采取了將電荷積累部分與讀出部分分離集成的方法，如圖2所示。經(jīng)過(guò)約一個(gè)行周期時(shí)間的電荷積累以后，光敏部分積累的電荷，經(jīng)過(guò)傳輸柵，同時(shí)被快速并行輸入到兩個(gè)二相CCD移位寄存器中，然后再用相應(yīng)的方法讀出。CCD移位寄存器是不透光的，所以讀出時(shí)不會(huì)再受到光的千擾。當(dāng)這一電視行的信號(hào)被讀出時(shí)，下一行的電荷圖象又在傳感器的光敏部分再次積累形成。這就解決了電荷積累與信號(hào)讀出之間互相影響的矛盾。
二相CCD移位寄存器的電荷轉(zhuǎn)移原理與三相CCD大體相同。如圖3所示，它是一種二氧化硅絕緣層厚度臺(tái)階式的二相線陣電荷耦合器件，在二相時(shí)鐘脈沖的作用下工作。在圖3(a)中，當(dāng)t電壓為低電平、電壓為髙電平時(shí)，電荷栽流子儲(chǔ)存于A電極下面的勢(shì)阱內(nèi)。在圍8(b)中，當(dāng)&變?yōu)榈碗娖健⒒米優(yōu)轶{電平時(shí)，則電荷載流子向右轉(zhuǎn)移到t電極下面的勢(shì)阱內(nèi)。由于勢(shì)阱的深度總是自左至右逐漸傾斜變深，所以在二相#鐘脈沖電壓變化時(shí)，電荷栽流子總是按照自左至右的方向作定向轉(zhuǎn)移，最后被餓送到輸出電路。
2.CCD線陣傳感器電視電影設(shè)備的特點(diǎn)
在線陣CCE(電視電影設(shè)備中，透過(guò)影片?面嫌先信號(hào)，通過(guò)放映鏡頭投射到線陣CCD的一排光敏砝半導(dǎo)體象素上。讀出的信號(hào)是被按照光的強(qiáng)弱調(diào)制了的脈沖振椹，在CCD上形成的電荷量與其照射的光通量成線性比例，經(jīng)過(guò)低通濾波器后即可提供一個(gè)常規(guī)的模擬視頻信號(hào)。隨著影片的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，每一幅電影畫面的逐行掃描即可被完成。
(1)分解力
運(yùn)用埋溝技術(shù)制成kl024卜象素CCD線陣傳感器，在數(shù)據(jù)率為20MVZ時(shí),它輸出的圖象信號(hào)的頻率上限可達(dá)9:、丨Hz，極限分解力可到72&線，用35毫米影片測(cè)試圖測(cè)量，對(duì)于5MHz(相當(dāng)于400線）的豎條形測(cè)試?yán)?在圖象中心部分癱得的調(diào)制度為80%，可見(jiàn)，分解力是很好的。
(2)彩色合
彩色重合調(diào)整被簡(jiǎn)化到由少數(shù)的兩三個(gè)機(jī)械裝置來(lái)完成。在光學(xué)聚焦和三個(gè)傳器被定位以后，只需要調(diào)整傳感器的垂直和水平位置。在圖象的中心部分可以得到小於0.04%的重合誤差，在圖象的邊角部分也能獲得高穩(wěn)定性的彩色重合。
(3)光電梓換特性和暗電流
CCD線陣傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性是線性的，即y值等于1。但在超過(guò)曝光技限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。當(dāng)某些象素曝光超過(guò)極限時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)量的電荷將漏到鄰近的象棄上，在監(jiān)示器的圖象上將看到水平方向的“開花”現(xiàn)象。為此，應(yīng)將最大透光強(qiáng)度限制在CCD線陣傳感器的曝光極限以內(nèi)，以防止影片在掃描期間的“開花”現(xiàn)象。博施FDL-60型CCD電視電影設(shè)備就是通過(guò)一個(gè)光控系統(tǒng)控制影片的透光量的。
放映密度較大的影片時(shí)，CCD暗電流會(huì)浚上產(chǎn)生垂直條干擾。CCD傳感器的暗電流主要由半導(dǎo)體的熱電荷載流子引起，它與溫度有關(guān)。在室溫情況下，這個(gè)暗電流的峰值小于最大信號(hào)電平的0.3%。當(dāng)溫度每增加10°C時(shí)，暗電流大約增大一倍。據(jù)介紹，僅從55°C開始,1024個(gè)象素埋溝CCD傳感器的干擾暗電流峰才能在監(jiān)示器上被覺(jué)察到。
(4)垂直條紋干擾
由于構(gòu)成集成電路的各個(gè)象素靈敏度的不同，當(dāng)對(duì)CCD線陣專感器投以均勻的白光時(shí)，由于象素中靈敏度較低的輸出信號(hào)在圖象上會(huì)造成與走片同向連續(xù)垂直條紋狀的干擾圖象，就象影片劃傷后出現(xiàn)的“下雨”圖形一樣，稱為固定圖形干擾，這將對(duì)圖象的信雜比產(chǎn)生影響。當(dāng)片門開著通過(guò)掃描和存儲(chǔ)這一行信號(hào)，對(duì)于每一個(gè)象素靈敏度衡校正量可以被自動(dòng)地測(cè)出來(lái)。消除固定圍形干擾的一種方法是：將這一誤差采樣信號(hào)通過(guò)一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器后,存入一個(gè)程序可控只讀存儲(chǔ)器，以產(chǎn)生一個(gè)與固定圖形干擾信號(hào)變化量相反的校正信號(hào)。然后將這個(gè)8比特的校正信號(hào)存入隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，再將這個(gè)校正信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換以后和帶有固定圖形干擾的圖象信號(hào)相乘，干擾條紋即可被消除。圖4是這個(gè)校正系統(tǒng)的原理圖。圖中，E(S)是帶有固定圖形干擾的視頻佶號(hào)，f(S)是固定圖形干擾信號(hào)，I(S)是圖象信號(hào)，E'(S)是經(jīng)過(guò)固定圖形雜波校正電路后的視頰信號(hào)。
（5）光譜靈敏度
用一個(gè)等能量光譜的光源，在lOOnm到700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量第一代線陣CCD圖象傳感器的光譜靈敏度，它們輸出的藍(lán)、綠、紅信號(hào)的大概比例是10:11。如果采用色溫為3200°K的囟素?zé)糇鞴庠矗?dāng)綠通道被調(diào)制到最大的時(shí)候，藍(lán)通道的信號(hào)比例僅為8%,可見(jiàn)第一代線陣CCD傳感器的藍(lán)光靈敏度是比較低的。這主要是由于光敏部分被多晶眭電極覆蓋，降低了藍(lán)光的透射率。
笫二代CCD傳感器的光譜響應(yīng)曲線如圖5所示。由于改進(jìn)f傳輸電極的結(jié)構(gòu)，光敏部分已不再被多晶睡電極覆蓋，靈敏度提高了，特別是藍(lán)光靈敏度有了明顯的提髙。
CCD傳感器測(cè)出的雜波譜表明，在lOOKHz#下部分的雜波電平比高頻部分要髙出約20dB。在第一代CCD傳感器的電視電影設(shè)備的前置放大器的輸出端，測(cè)得的紅路、綠路不加權(quán)信雜比是65dB,藍(lán)路是57dB。這些數(shù)字本應(yīng)指示出格外好的信雜比性能，但是與一個(gè)飛點(diǎn)掃描電視電影比較（典型信雜比是48dB)，由于CCD傳感器低頻雜波的視覺(jué)敏感性，CCD電視電影的雜波可見(jiàn)度還是稍微大于飛點(diǎn)掃描電視電影。據(jù)介紹，利用改進(jìn)了藍(lán)光靈敏度的CCD傳感器的電視電影，亮度信號(hào)信雜比可以達(dá)到74dB。
3.Ct:D-133型電荷耦合器件線陣傳感器
在西德博施公司FDL-60型電視電影設(shè)備和英國(guó)馬可尼公司B-3410型線陣傳感器電視電影中，都采用了美國(guó)仙童公司生產(chǎn)的CCD-133型第二代線陣傳感器。
如圖6所示，在這種傳感器中有1024個(gè)象素用于圖象傳感，另有8個(gè)象素作為黑基準(zhǔn)和隔離晶胞。每個(gè)象素的面積是13x13平方微米。影片畫面通過(guò)常規(guī)的棱鏡分光系統(tǒng)被分解成紅、綠、藍(lán)三種光并投射到三個(gè)對(duì)應(yīng)的線陣傳感器的光敏部分。當(dāng)超過(guò)約5印s的行枳分周期后，傳輸柵夂被接通髙電平，光敏部分積累的電荷即被分別快速轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器A和B。
CCD檳擬移位寄存器采用自對(duì)準(zhǔn)離子注入勢(shì)壘和鼸埋n溝道技術(shù)，采用了所謂的一相半時(shí)鐘脈沖系統(tǒng)。器件的基本結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移原理與二相CCD相同，其差別僅在于其中的一相不是時(shí)鐘脈沖，而是一個(gè)直流電壓VT,這個(gè)直流電壓正好取在時(shí)鐘脈沖電壓*r的高電平和低電平中間。這樣隨著另一相時(shí)鐘脈沖電壓的電平髙于和低于VT而交替變化，信號(hào)電荷即可完成定向轉(zhuǎn)移。這種一相半時(shí)鐘工作方式較之一般的二相方式，所需時(shí)鐘脈沖的振幅要大一些，但可以使外圍的驅(qū)動(dòng)電路大大簡(jiǎn)化。
時(shí)鐘脈沖fr的頻率約為10MHz。從兩個(gè)‘CCD移位寄存器傳送來(lái)的信號(hào)電荷，分別經(jīng)過(guò)選通電荷檢測(cè)器被交替地檢測(cè)輸出，并分別送給輸出放大器A和B。兩個(gè)輸出信號(hào)A和B被結(jié)合在一起，即可得到數(shù)據(jù)串約為20MHz的視頻信息。
圖6中，上下兩側(cè)的兩個(gè)模擬移位寄存器用以收集干擾電場(chǎng)所可能產(chǎn)生的電荷，以保證信號(hào)電荷不受影響。其中上面的一個(gè)模擬移位寄存器輸出的白基準(zhǔn)電平信號(hào)，還可以用于掃描終端指示和計(jì)數(shù)。
白基準(zhǔn)信號(hào)的注入電路如圖7所示。在毎一個(gè)行積分周期結(jié)束后，被立即接通髙電平，在積累的信號(hào)電荷被快速轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器A和B的同時(shí)，白基準(zhǔn)信號(hào)的注入也被完成。在移位寄存器A和B讀出的白基準(zhǔn)信號(hào)位于每行視頰信號(hào)的末尾，它們可以被用于進(jìn)行自動(dòng)增益控制。而前面訾提及的黑基準(zhǔn)信號(hào)，則可用于完成直流電平恢復(fù)等功能。
C1CCD-133型線陣傳感器需要的外部時(shí)鐘h和fr的振幅為12V。在室溫25°C時(shí)，使用14V的直流電源，以5MHz的數(shù)據(jù)率和lm3的積分時(shí)間等條件測(cè)得的CCD-133型線陣圖象傳感器的典型指標(biāo)是：
結(jié)語(yǔ)
目前半導(dǎo)體面陣傳感器在清晰度等項(xiàng)指標(biāo)上，還不能和髙級(jí)攝象管競(jìng)爭(zhēng)，而應(yīng)用線陣CCD圖象傳感器的電視電影設(shè)備，則是一個(gè)富有生命力的選擇方案。因?yàn)檫@種新器件的應(yīng)用，陚于新的電視電影設(shè)備以淸晰度高、信雜比較髙、體積小、重;a輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高和調(diào)整閻單、片路簡(jiǎn)單、使用費(fèi)用省等一系列優(yōu)點(diǎn)。
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