探討電視電影設備中的電荷禍合器件論文

電荷耦合器件.（ChargeCoupleddevice,簡稱CC1D)，發明於1970年，19H年即被用於光的傳感器。1973年，運用512個象素的光電：；極管陣的電視電影設備曾於倫敦首次展出，當時已經重顯出接近廣播質量的圖象。1975年，1024個象素的CCD線陣傳感器問世，1978年，運用CCD線陣傳感器的彩色電視電影設備在倫敦的國際廣播會議上作首次表演。至今已有了正式產品，並受到廣播界的好評。以下就CCD的原理介紹一下它的應用特點。

　　)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構和工作原理。它是一種金屬氧化物半導體型（簡稱MOSS)的集成電路器件，在三相時鐘脈衝的驅動下工作。

如圖1a所示，在一塊長條形的P型?半導體襯底上，覆蓋着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着與時鐘脈衝聯接的透明轉移電極。如在t電運上加上正電壓時，就在t各電極下面形成一連串的勢阱。當光線透過透明電極投射到硅半導體晶體上時，即激發出電子-空六對，少數載流子在電場的作用下被吸引並儲存到t電極下面的勢阱內。勢阱內存儲的電荷載流子的多少，與投光的強度成正比。當線陣CCD傳感器受到被影片畫面所調製的光線照射的時候，在線陣傳感器中就產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的光電轉換與信A存儲。

當電荷積累過程結束後，三相時鐘脈衝即把存儲的電荷轉移向輸出電極，其三相時鐘脈衝龜壓變化的過程是：

(a)電極爲正，02、03爲零，電荷栽沫子存儲在h電極下面的勢阱內。

(b)變正，0,不變，電荷栽流子轉移到I、^電極下面的勢阱內。

(c)h變爲零，t保持正電壓，爲零，此時電荷載流子即全部轉移到h電極下?淼暮徒材凇?/p>

含按照這樣的次序再使令3變正，多???’叫電荷載埤於又轉臀極下而的勢阱內。如此隨着三部分電極上的蘭相時鐘脈衝電Hi的變化，則勢阱內存儲的電荷載流子就沿餚信?作定向的移，最後被潰送到輸出電路，輸出一個時序的視頻佶號。輸出電路通常由做?z硅片上的輸出二極管和放大器組成。

在上述療式中，位號積累的時間應遠大於讀出時問，即讀出時間必須相當短，才能忽略在電荷轉移時間內由光產生的電荷的影響，以免圖象的?[晰度等受到損害。

在實際用於電視電影設備的線陣CCD圖象傳感器中，爲了防止信號積累與讀出過程的互相影響，採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。經過約一個行週期時間的電荷積累以後，光敏部分積累的電荷，經過傳輸柵，同時被快速並行輸入到兩個二相CCD移位寄存器中，然後再用相應的方法讀出。CCD移位寄存器是不透光的，所以讀出時不會再受到光的千擾。當這一電視行的信號被讀出時，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讀出之間互相影響的矛盾。

二相CCD移位寄存器的電荷轉移原理與三相CCD大體相同。如圖3所示，它是一種二氧化硅絕緣層厚度臺階式的二相線陣電荷耦合器件，在二相時鐘脈衝的作用下工作。在圖3(a)中，當t電壓爲低電平、電壓爲?電平時，電荷栽流子儲存於A電極下面的勢阱內。在圍8(b)中，當&變爲低電平、幻變爲?電平時，則電荷載流子向右轉移到t電極下面的勢阱內。由於勢阱的深度總是自左至右逐漸傾斜變深，所以在二相#鍾脈衝電壓變化時，電荷栽流子總是按照自左至右的方向作定向轉移，最後被餓送到輸出電路。

　　線陣傳感器電視電影設備的特點

在線陣CCE(電視電影設備中，透過影片?面嫌先信號，通過放映鏡頭投射到線陣CCD的一排光敏砝半導體象素上。讀出的信號是被按照光的強弱調製了的脈衝振椹，在CCD上形成的電荷量與其照射的光通量成線性比例，經過低通濾波器後即可提供一個常規的模擬視頻信號。隨着影片的連續運動，每一幅電影畫面的逐行掃描即可被完成。

(1)分解力

運用埋溝技術製成kl024卜象素CCD線陣傳感器，在數據率爲20MVZ時,它輸出的圖象信號的頻率上限可達9:、丨Hz，極限分解力可到72&線，用35毫米影片測試圖測量，對於5MHz(相當於400線）的豎條形測試困/在圖象中心部分?得的調製度爲80%，可見，分解力是很好的。

(2)彩色合

彩色重合調整被簡化到由少數的兩三個機械裝置來完成。在光學聚焦和三個傳器被定位以後，只需要調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換特性是線性的`，即y值等於1。但在超過曝光技限時，會產生飽和現象。當某些象素曝光超過極限時，產生的過量的電荷將漏到鄰近的象??上，在監示器的圖象上將看到水平方向的“開花”現象。爲此，應將最大透光強度限制在CCD線陣傳感器的曝光極限以內，以防止影片在掃描期間的“開花”現象。博施FDL-60型CCD電視電影設備就是通過一個光控系統控制影片的透光量的。

放映密度較大的影片時，CCD暗電流會浚上產生垂直條幹擾。CCD傳感器的暗電流主要由半導體的熱電荷載流子引起，它與溫度有關。在室溫情況下，這個暗電流的峯值小於最大信號電平的0.3%。當溫度每增加10°C時，暗電流大約增大一倍。據介紹，僅從55°C開始,1024個象素埋溝CCD傳感器的干擾暗電流峯才能在監示器上被覺察到。

(4)垂直條紋干擾

由於構成集成電路的各個象素靈敏度的不同，當對CCD線陣專感器投以均勻的白光時，由於象素中靈敏度較低的輸出信號在圖象上會造成與走片同向連續垂直條紋狀的干擾圖象，就象影片劃傷後出現的“下雨”圖形一樣，稱爲固定圖形干擾，這將對圖象的信雜比產生影響。當片門開着通過掃描和存儲這一行信號，對於每一個象素靈敏度衡校正量可以被自動地測出來。消除固定圍形干擾的一種方法是：將這一誤差採樣信號通過一個模/數轉換器後,存入一個程序可控只讀存儲器，以產生一個與固定圖形干擾信號變化量相反的校正信號。然後將這個8比特的校正信號存入隨機存取存儲器，再將這個校正信號經過數/模轉換以後和帶有固定圖形干擾的圖象信號相乘，干擾條紋即可被消除。圖4是這個校正系統的原理圖。圖中，E(S)是帶有固定圖形干擾的視頻佶號，f(S)是固定圖形干擾信號，I(S)是圖象信號，E'(S)是經過固定圖形雜波校正電路後的視頰信號。

（5）光譜靈敏度

用一個等能量光譜的光源，在lOOnm到700nm波長範圍內測量第一代線陣CCD圖象傳感器的光譜靈敏度，它們輸出的藍、綠、紅信號的大概比例是10:11。如果採用色溫爲3200°K的囟素燈作光源，當綠通道被調製到最大的時候，藍通道的信號比例僅爲8%,可見第一代線陣CCD傳感器的藍光靈敏度是比較低的。這主要是由於光敏部分被多晶眭電極覆蓋，降低了藍光的透射率。

笫二代CCD傳感器的光譜響應曲線如圖5所示。由於改進f傳輸電極的結構，光敏部分已不再被多晶睡電極覆蓋，靈敏度提高了，特?e是藍光靈敏度有了明顯的提?。

CCD傳感器測出的雜波譜表明，在lOOKHz#下部分的雜波電平比高頻部分要?出約20dB。在第一代CCD傳感器的電視電影設備的前置放大器的輸出端，測得的紅路、綠路不加權信雜比是65dB,藍路是57dB。這些數字本應指示出格外好的信雜比性能，但是與一個飛點掃描電視電影比較（典型信雜比是48dB)，由於CCD傳感器低頻雜波的視覺敏感性，CCD電視電影的雜波可見度還是稍微大於飛點掃描電視電影。據介紹，利用改進了藍光靈敏度的CCD傳感器的電視電影，亮度信號信雜比可以達到74dB。

:D-133型電荷耦合器件線陣傳感器

在西德博施公司FDL-60型電視電影設備和英國馬可尼公司B-3410型線陣傳感器電視電影中，都採用了美國仙童公司生產的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個象素用於圖象傳感，另有8個象素作爲黑基準和隔離晶胞。每個象素的面積是13x13平方微米。影片畫面通過常規的棱鏡分光系統被分解成紅、綠、藍三種光並投射到三個對應的線陣傳感器的光敏部分。當超過約5印s的行枳分週期後，傳輸柵夂被接通?電平，光敏部分積累的電荷即被分別快速轉移到CCD模擬移位寄存器A和B。

CCD檳擬移位寄存器採用自對準離子注入勢壘和?埋n溝道技術，採用了所謂的一相半時鐘脈衝系統。器件的基本結構和電荷轉移原理與二相CCD相同，其差別僅在於其中的一相不是時鐘脈衝，而是一個直流電壓VT,這個直流電壓正好取在時鐘脈衝電壓*r的高電平和低電平中間。這樣隨着另一相時鐘脈衝電壓的電平?於和低於VT而交替變化，信號電荷即可完成定向轉移。這種一相半時鐘工作方式較之一般的二相方式，所需時鐘脈衝的振幅要大一些，但可以使外圍的驅動電路大大簡化。

時鐘脈衝fr的頻率約爲10MHz。從兩個‘CCD移位寄存器傳送來的信號電荷，分別經過選通電荷檢測器被交替地檢測輸出，並分別送給輸出放大器A和B。兩個輸出信號A和B被結合在一起，即可得到數據串約爲20MHz的視頻信息。

圖6中，上下兩?鵲牧礁瞿Ｄ庖莆患拇嫫饔靡允佔?扇諾緋∷?贍懿??牡綰桑?員Ｖば藕諾綰剎皇苡跋臁Ｆ渲猩廈嫺囊桓瞿Ｄ庖莆患拇嫫魘涑齙陌諄?嫉縉叫藕牛?箍梢雜糜諫?柚斬酥甘競圖剖??/p>

白基準信號的注入電路如圖7所示。在?耙桓魴謝?種芷誚崾?螅?渙⒓脣油?{電平，在積累的信號電荷被快速轉移到CCD移位寄存器A和B的同時，白基準信號的注入也被完成。在移位寄存器A和B讀出的白基準信號位於每行視頰信號的末尾，它們可以被用於進行自動增益控制。而前面訾提及的黑基準信號，則可用於完成直流電平恢復等功能。

C1CCD-133型線陣傳感器需要的外部時鐘h和fr的振幅爲12V。在室溫25°C時，使用14V的直流電源，以5MHz的數據率和lm3的積分時間等條件測得的CCD-133型線陣圖象傳感器的典型指標是：

　　結語

目前半導體面陣傳感器在清晰度等項指標上，還不能和?級攝象管競爭，而應用線陣CCD圖象傳感器的電視電影設備，則是一個富有生命力的選擇方案。因爲這種新器件的應用，?於新的電視電影設備以?[晰度高、信雜比較?、體積小、重;a輕、壽命長、可靠性高和調整閻單、片路簡單、使用費用省等一系列優點。