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【电视电影设备中的电荷祸合器件】 电荷藕合器件

来源:无烟日 时间:2019-11-21 08:49:11 点击:

电视电影设备中的电荷祸合器件

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。

3.Ct: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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