【电视电影设备中的电荷祸合器件】 电荷藕合器件

电视电影设备中的电荷祸合器件

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。