ccd图像传感器的原理及军事应用

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1、CCD图像传感器的原理及军事应用【摘要】电荷耦合器件(CCD)是一种新型光电转换器件,主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是面阵CCD在军事领域的应用中已取得令人瞩目的发展。【关键词】CCD图像传感器CCD摄像器件无损检测电荷耦合器件(CCD)是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出

2、结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵CCD。首先来介绍CCD的单元结构和工作原理。CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，如图1(a)所示，它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1

3、层厚度约为1000A～1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。如图1(b)所示。（a）（b）图1CCD单元结构并且可用式QS=Ci×VG×A求出MOS电容器的电

4、荷储存容量。（注：QS：电荷储存量；Ci：单位面积氧化层的电容；VG：外加偏置电压；A：MOS电容栅的面积）由此可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高。而面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种

5、是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。基于这些优点，CCD在军事上的应用越来越为广泛。下面介绍两种典型的CCD应用技术：（1）CCD摄像器件在坦克红外夜视瞄准仪中的应用从其工作原理来说，红外夜视瞄准仪可分为两大类，即主动式和被动式。由于被动式结构复杂，需要低温致冷，目前很少运用。因此主要介绍主动式红外夜视瞄准仪。主动式红外夜视瞄准仪由红外照明光源、红外摄像机、摄像机控制器、显示器等几部分组成。其工作原理如图2所示，红外光源发出红外，光经目标反射后被

6、红外摄像机获得，而后经摄像机控制器输出到显示器。其中，CCD在红外摄像机中的应用，结构原理如图3所示。目标反射回来的红外线经光学系统会聚至CCD上，产生的信号电流经放大器输出到下1级的摄像机控制器。图2工作原理图图3红外摄像机的结构由于CCD具有比传统的对红外敏感摄像件(如Si靶红外视像管、PbOPbS复合靶近红外视像管等)的体积小、重量轻、功耗低、寿命长等优点，所以CCD摄像器件的应用非常广泛。（2）CCD在武器装备无损检测中的应用现在已经在实践中成功运用的X光光电检测系统就是1种比较好的无损检测手段。它主要用于武器装

7、备的探伤，比如装甲车辆焊接部位的检查，飞机零件、发动机曲轴质量的探视等。但在实际应用中很不方便，因此通常采用X光光电检测系统对武器装备进行探伤，实现了检测工作的流水作业，具有安全、迅速、节约等多种优越性，是一种较为理想的检测方法。如图4所示为某基地的X光光电检测系统的原理图。图4X光光电检测系统原理图其工作过程为：X光穿透被测件投射到X光增强器的阴极上，经过X光增强器变换和增强的可见光图像为CCD所摄取，进一步变成视频信号。视频信号经采集板采集并处理为数字信号送入计算机系统。计算机系统将送入的信号数据(含形状、尺寸、均匀性

8、等数据)与原来存储在计算机系统中的数据比较，于是便可检测出误差数值等一系列数据来。检测的结果不仅可以显示或由外部设备打印记录下来，而且还可将差值数据转换为模拟信号，用以控制传送、分类等伺服机构，自动分检合格与不合格产品，实现检测、分类自动化。随着半导体技术的迅速发展，CCD图像传感器技术的成熟步伐大大加