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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。
CCD的结构和工作原理
1CCD的种类
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。
2CCD的工作原理
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。
MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得：
QS=Ci×VG×A
式中： QS是电荷储存量；
Ci是单位面积氧化层的电容；
VG是外加偏置电压；
A是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。图2示出1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。
（a）初始状态；(b)电荷由①电极向②电极转移；(c)电荷在①、②电极下均匀分布；
(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)3相交叠脉冲。
假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中，如图2(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极①下面的势阱最深，如果逐渐将电极②的电压由2V增加到10V，这时，①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极①下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图2(b)和(c)所示，然后再逐渐将电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图2中(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中，此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。如果电极有许多个，可将其电极按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图2(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。
信号电荷在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后1个势阱(3下面)中时，复位脉冲R为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反向偏置下，其结电容CS被充电到1个固定的直流电平VCC上，于是源极跟随器T2的输出电平VOS被复位到1个固定的且略低于VCC的正电平上，此电平称为复位电平。 当R正脉冲结束后，T1截止，由于T1存在一定的漏电流，漏电流在T1上产生1个小的电压降，使输出电压有1个下跳，其下跳值称为馈通电压。当R为正时，3也处于高电位，信号电荷被转移到3的势阱中，由于输出栅压OG是1个比3低的正电压，因此信号电荷仍被保存在3的势阱中，但随着R正脉冲的结束，并变得低于OG电平时，这时信号电荷进入CS后，立即使输出电位下降，其下降辐度与信号电荷成比例，即信号电荷越多，输出电平VOS下降越大，其下降幅度才是真正的信号电压。
CCD在军事上的应用
1CCD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。
图3 3相CCD的示意图
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4所示，红外光源发出红外，光经目标反射后被红外摄像机获得，而后经摄像机控制器输出到显示器。
CCD在红外摄像机中的应用，结构原理如图5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5 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、PbOPbS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。
2CCD在武器装备无损检测中的应用
目前，无损检测是1门比较新的学科，很多技术已经成熟，并且已成功运用于武器装备的检测中。由于无损检测的运用，大大缩短了武器装备检测的费用，同时缩短了检测时间，使检测工作便于操作。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。通常，这类检查是采用高压(几百千伏)产生的硬X射线穿透零件进行拍片观察的。由于这种强度的X射线对人体危害极大，弊端很大，在实际应用中很不方便。采用X光光电检测系统对武器装备进行探伤，改变了过去的常规方式，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。图6示出某基地的X光光电检测系统的原理图。
图6 X光光电检测系统原理图
其工作过程如下：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快。在军用CCD、空间CCD等高技术的竟争中，美、日一直处于领先地位。我国的CCD研究虽然起步比较晚，但在某些方面已达到世界领先水平，如彩色CCD摄像机。今后，CCD图像传感器必然朝着多像元素、高分辨率、微型化的方向发展，其性能的不断提高为军事应用展现了更加光明的前景。 |
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| CCD图像传感器的原理及军事应用 | |
| 作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2006-9-6 12:00:22 |  |
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