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1、第一节 CCD 的工作原理一、概述电视摄像器件是电视系统发送端的首要器件，它完成光电变换作用，其性能指标关键性地决定了电视 系统图象信号的质量。摄像器件的主要特性参数有：灵敏度、光谱特性、光电变换特性、分解力、惰 性、 信杂比、抗灼伤能力、工作寿命、耗电、可靠性等。CCD 是电荷耦合器件的缩写。不同于以往摄像器件，它是以电荷作为图象信号以时钟信号控制代替 扫描实现图象信号的摄取变换和输出的。二、工作原理1 CCD 器件的结构CCD摄像器件的单元结构如图41,由金属、绝缘层、半导体构成。工作原理是依靠MOS电容与其电 子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当
2、MOS电容栅压忌 增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势 越低,电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样,称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其 特点是：当忌 增加，势阱变深；当卩减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动如图4-2。2 信号电荷的注入、转移和输出1 ）注入 势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发，产生电子空穴对。空穴被排斥，电子作为反映光强的 载体一电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光 照强度和光照时间成正比。2）转移 势阱内的电荷包逐步顺序转移时有三相时钟驱动、二相时钟驱动和四相时钟驱动等几
3、种方式，都是依 靠相应的时钟脉冲序列控制电压高低来实现。A 三相时钟驱动一氐心如图4-3所示，每三个势阱为一组，对它们加入三相时钟脉冲。由于每个时刻上三个栅压只有一个为高电平，其余两个为低电平，所以只有一个势阱深，其余两个为浅势阱。深势阱中有电荷包 浅势阱中没有电荷包。随着时间的推移，深势阱也向前推进，势阱中的电荷包随之转移。每经过一个半时 钟周期，电荷包顺序转移三个势阱。如果改变三个电压的高低顺序，可以改变电荷的移动方向，实现电 荷包的双向移动。B 二相时钟驱动如图4-4所示，与三相时钟驱动同理，在每两个势阱上加电压冬 卩3,随着X、冬；电压的高低变 化，实现电荷包的转移。二相时钟驱动比三相
4、时钟驱动简单些，电荷包转移速度也快些，其缺点是势阱中 可存储的电荷量比三相时钟驱动的少，且不能做到双向转移。在实际的 CCD 摄像器件中，将一行行图象信号电荷向外转移、输出时采用二相时钟转移方式。C 四相时钟驱动在实际的 CCD 摄像器件中，将感光象素下面的势阱电荷包作中介转移时，常采用四相时钟驱动方式。叭、比、V v4如图4-5所示，图中，代表四个扫描行上同一垂直位置内的象素。为了提高摄像器件的灵敏度，增大每场输出的电荷量，使久兀下的电荷包混合后输出。而后逐渐转移。所加的电压为三 电平值，电压最高时势阱最深，电压为中间值时，两个电荷包在三个势阱中均匀存储，电压最低时，电荷 包完全转移走。3）输出每个象素下面势阱内的电荷包通过转移后，顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，由 外电路放大和处理。常用的电路结构是反偏二极管 CCD 输出方式。如图 4-6 所示，在一个作为负载的电容 上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。
