电荷耦合器件（下）

在美国贝尔实验室的W.S.玻意耳和G.E.史密斯于1970年宣布发明电荷耦合器件（CCD）的第一篇论文中，他们就预测这种新型半导体器件将在以下三个领域得到广泛的应用：（1）象感（或摄象）；（2）信号处理；（3）存储器。近二十年的发展充分证明了他们的预测是正确的。

下面分别介绍 CCD在象感和信号处理领域的应用。

概括地说，CCD象感是利用半导体的光电转换功能和CCD的移位寄存功能，首先将投射在CCD上面的光学图象转换为电荷包分布，然后将这些电荷包“自扫描”到同一输出端，形成脉冲序列。

光照到半导体上产生载流子后，组成CCD的一系列MOS电容器（称为光敏单元）的表面势阱，可以收集光生少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的，因此，光信号转换成电信号的过程，实际上还包括对光图象（空间连续的光强分布）进行空间上分立的采样过程。当然，每毫米的单元数越多，分辨图象细节的能力也就越强。

CCD象感器就其结构来说可以分为两大类：线型象感器和面型象感器，它们具有不同的用途。

1．线型象感器：CCD线型象感器可以分为三个不同的功能区。如图7所示，中间是光敏区，也是MOS三层结构，栅电极材料通常是多晶硅。用“S”形的沟阻扩散（图中打斜线部分）分割为两组光敏单元，呈叉指状。光敏区设光栅和转移控制栅。每个周期开始时，光栅加高电平（注意：我们一直假定衬底是P型硅），各感光单元下面形成势阱，收集光生少数载流子（电子），形成信号电荷包。这段时间间隔称为积分期，这时转移控制栅关闭（加低电平）。

光敏区两侧是转移区，都是CCD移位寄存器，但是加不同的时钟脉冲。当积分期结束时，光栅电平下降，转移控制栅打开，各光敏单元势阱内积累起来的电荷包将分别进入两侧的移位寄存器。第1、3、5……个电荷包（即A\(_{1}\)2\(_{3}\)……）同时向上转移至A寄存器诸单元；第2、4、6、……个电荷包（B1\(_{2}\)3……）同时进入B寄存器诸单元。

两个移位寄存器中的电荷包在时钟A和B的驱动下，分别同步地向输出端转移，经过适当合并，可以在一个输出端得到幅度不等的脉冲串，其次序与光敏单元排列一致。在转移的同时，光敏区开始进行下一次的电荷积分。

由此，CCD象感器的原理可简述如下：一幅图象（光信号）通过半导体光吸收和感光单元采样，转换成势阱内的一组信号电荷包（电信号），电荷包大小与该处光强成正比。这级信号电荷包通过CCD转移功能传至单一输出端，成为高低不等的脉冲序列，亦即将信号电荷的空间分布转换成时域的脉冲串。

2.面型象感器：面型象感器的光敏单元呈二线排列，这里有两类不同的传输方式：帧传输和行间传输。

图8是采用帧传输的象感器，分光敏区、暂存区和读出寄存器三部分，分别加不同的脉冲。在积分期，一幅图象转换成二维分布的信号电荷包阵列。接着，光敏区和暂存区在相同频率的脉冲驱动下，信号电荷包并行地自光敏区转移至暂存区。然后，暂存区加频率较低的脉冲，信号电荷包一行一行地向读出寄存器转移。读出寄存器的时钟频率极高，以便很快地将一行电荷包转移至输出端，再接受下一行电荷包。在暂存区的电荷包逐行被读出的过程中，光敏区进行下一帧积分。

图9是行间传输象感器的示意图，它比较适合于二相器件。光敏单元呈二维排列，两列感光单元之间是一个垂直移位寄存器，光敏单元与转移单元一一对应。底部仍然是一个水平读出寄存器，其单元数等于垂直寄存器个数。

光敏单元在积分期内积累的信号电荷包，在转移控制栅控制下，一次水平转移至起暂存作用的诸垂直寄存器。接着这些电荷包垂直向下转移，通过水平寄存器读出。

自从CCD诞生以来，它的象感器已经成为全固态化摄象系统的主要象感器件。除了固态摄象器件的一般特点外（如坚固耐震、工作电压低、可靠），CCD象感器还具有噪声低、速度快、与数字信号处理技术兼容等特有的优点。下面我们列举CCD在象感领域的一些应用。

1．可见光象感

（1）文件传真 这里只需要采用线型象感器件，另一方向上的扫描通过象感器与文件的相对运动完成。一般采用大约2000个光敏单元的器件，对于A\(_{4}\)标准（210mm）的文件，可以有大约10个单元／mm的分辨能力。目前它在许多文件读入装置和电子邮件系统上使用。

（2）工业摄象机 应用范围极其广泛，例如在线测量、工业检测、字符识别、表面质量控制等。它的突出优点是容易与微型计算机和数字信号处理电路连用，对输出信号进行处理。

还有灵巧炸弹制导系统中的摄象器件，自调焦相机中的取象装置，模拟图象存储，星体跟踪器等也都可以用CCD。

2．非可见光象感

（ 1）红外象感 CCD在红外象感中的应用有两种方式：利用CCD对其它红外探测器阵列得到的输出信号进行处理，这样得到混合式红外象感器；红外探测器和读出CCD做在同一半导体衬底上，这样得到单片红外CCD象感器。红外象感在军事和科学技术上都有广泛的用途。

（2）X射线成象 例如，可用在X射线强度分布的定量测定和瞬时高能天体源的定位上。

（3）紫外线成象 这是许多空间实验，例如研究天体演化的主要手段之一。

（4）电子束成象 可以用作电子探测器以及电子显微镜形象记录系统等。

3．低照度摄象：低照度摄象具有许多重要应用，例如水下探测、空间探测、军事侦察（如夜视）、天文观测、跟踪雷达等。CCD因其噪声性能优越而有很大潜力。为了在低照度下用CCD摄象，需要采取某些特殊措施。首先是提高量子效率，可以设法让光子在到达CCD之前得到增益（例如采用图象增强器或电子轰击模式）和运用特殊的光学设计。其次是降低暗电流，常用方法是降温。

模拟信号处理已经成为CCD最丰富多采的一个应用领域。与其它模拟信号处理方法和元件相比，CCD的独特之处在于模拟性与数字性的结合。简而言之，CCD所处理的是模拟信号的采样，无论传输过程中的信号电荷包，还是输出电压，都是模拟量。但是，在时间关系上，这些信号受精确、稳定的时钟脉冲控制，类似于数字移位寄存器。

由于这个特点，CCD能够在模拟领域完成采样数据滤波功能，从而省去了A－D和D-A转换，简化了电子线路。不过，与数字处理器件相比，CCD由于存储时间短，动态范围较小，以及转移效率、漏电流等方面的限制，性能受到影响。

除此以外，CCD信号处理有如下优点：①CCD的非破坏性感测能力使其具有抽头功能，因而功能异常丰富。②CCD中电荷包在适当的时钟脉冲关系下可以沿平面内任何方向转移，由此可以得到各种不同的结构。③VLSI工艺的进步为制造更先进的CCD提供了广泛的可能性。

CCD模拟信号处理的功能十分丰富。限于篇幅，只能介绍几种最基本的功能。

1、延时线：延时是最简单的模拟信号处理功能，应用十分广泛。通常在输入端和输出端分别设置一个低通滤波器，输入端的低通滤波器是为了去掉高频噪声，输出端的低通滤波器是为了去掉输出中的时钟分量。

CCD延时线具有几个突出的特征：（1）延迟时间可以精确地确定，并且容易与其它系统元件同步。（2）延迟时间可以在几个数量级内改变，特别是同一器件的延迟时间可以改变（通过改变时钟频率）。（3）可以在非实时工作，将采样保持至需要时输出。如有必要，可以用不同于输入采样频率的频率输出。

延时线的应用很多，最重要的经典性应用也许是动目标显示（MTI）雷达中的延时相消器。最简单的相消器只采用一个CCD延时线，如图10所示。它实际上是一个多路传输滤波器，用来抵消从每个距离返回的信号中的恒定分量。输出端的采样保持电路是为了去掉时钟分量，也可以用低通滤波器。CCD时钟频率由被处理的雷达距离单元的间距决定，时钟与雷达的脉冲重复频率（PRF）同步。

延时线还在音响系统中获得应用。现代音响系统的特点不仅在于具有高保真度，而且还在于根据心理声学原理利用电子技术对音频信号进行处理，使音乐更优美动听，并在需要时产生特殊效果。CCD延时线具有固态器件的全部优点，为在音响系统中广泛使用创造了条件，例如颤音（调频）、双声道效果（所谓小回声）、自动双声道（ADT）、混响、录音杂声消除等。图11是用延时线获得混响效果的示意图。

此外，在彩色电视方面，PAL译码器、电视制式变换和录象带时间误差校正等都可以采用CCD。

2.多路分路结构：CCD多路分路结构是指以多路和分路这两种主要功能为基础而构成的模拟信号处理模块。多路功能是同时对输入信号进行多个采样，这些采样并行地加至CCD，或者将并行数据直接加至CCD，然后在时钟脉冲驱动下串行输出。分路功能是对输入信号逐次采样，串行进入CCD，或者将串行数据送入CCD，然后在时钟脉冲驱动下并行转移至多个输出端。

多路公路结构的基本形式如图12所示，图12（a）是并行输入、串行输出（PISO），为多路功能；图12（b）是串行输入，并行输出（SIPO），为分路功能。多路和公路结构的性能可以通过采用差分模式等技术而得到改进。

多路分路结构在模拟信号处理中的应用很多，现列举几个方面：（1）分路结构应用于雷达数据的距离分拣。从不同距离反射的雷达回波经历不同的延时。若在发射雷达脉冲后某个选定时刻停止驱动CCD，这时各个输出端得到的信号是从不同距离返回的回波，从而得到距离分拣。（2）分路结构用于形成阵列声纳的射束。这时每个抽头输出送入一个放大器，构成水下深声器阵列。（3）混合式红外象感器中应用CCD多路结构。

3．横向滤波器：横向滤波器的功能是将一给定输入信号的各个延时信号进行加权，再将各个加权的延时信号相加。其功能框图见图13，共有N－1个延时级D，加权系数分别为h\(_{0}\)，h1……h\(_{N}\)-1。由此可见，横向滤波器包括延时，抽头读出，加权和相加等功能。CCD具有固有的延时性能，其非破坏性感测能力可用作抽头读出。（王以铭）