特种CCD传感器及系统研发策略研究

    1 引 言

    数码相机具备取代传统相机的条件,300dpi分辨率出片的照片与传统135胶片放大的相片相当。有效像素1.92M像素的数码相机物理点阵为1600@1200,具有5英寸(1英寸=2154cm,下同)照片的清晰度。数码技术的发展迫使老牌感光材料公司转行。2007年,1/1.8英寸,10M像素的进口相机á2000,采用1/1.7英寸,7.1M像素Super CCD的富士相机仅á1200,1/2.5英寸,5M像素相机甚至只要á800,其关键芯片CCD技术更迭迅速,如边长22mm,4096@4096像素大型CMOS低于15$/片,利润水平大幅下滑,导致部分大公司退出这一领域。

    2 CCD相关技术与经济参数

    2.1 大感光像素CCD技术参数分析

    当前市场上流行的固体摄像机,CCD尺寸从较早的1/2英寸一直缩小到1/6英寸。从测试效果分析,随着尺寸减小,画面质量有明显降低,噪声、串色等问题比较明显,如Panasonic的1/6英寸TV摄像机。针对大量商用CCD/CMOS器件难以改变控制电路和功能,从AGC生成技术机理出发,胡建人等人提出光学方法抑制AGC变动幅度的技术,企图绕开我国薄弱的CCD工业生产,力求获得有较佳线性度的面阵光电传感器件,它适合当前流行的廉价单板CCD或者CMOS[1]。另外存在特种CCD芯片和系统的需求市场,表1列出了几种大像素的CCD芯片及其应用系统的性能。上海天文台(2002年)使用2片边长49.125mm,4M像素CCD,由Lick Observatory制作控制电路和软件,总费用过百万美元[2];德国Bruker公司D8X射线衍射仪的3万美选配件APEXII探测器采用的CCD面积62mm@62mm,15Lm@15Lm/像素,CCD表面带磷光膜,适用于Mo,Cu靶光源,量子效率>170电子/X光子[3]。X衍射仪的产量稀少,探测器件的用量必然少。这种器件难以在生产线上量产,非常适合用实验室设备研制。大像素的感光面积大,制作的量子阱面积也大。在同样深的量子阱内的电子数量可近似简化为阱面积A@平均阱深W,这提高了囚禁的光电子数量。分辨率与电磁学粒子数统计涨落有关,动态范围与满阱电子数和分辨率有关,高满阱电子数的CCD容易获得大动态范围。由表1可见,20bit的4K CCD每bit对应间隔$=30.5e,这个结果较好地满足了电磁学粒子涨落规律和平滑的要求。比较弱光观察的天文望远镜CCD,据表1第2列据算出$=6.4e,较小的数值与其在-120e工作温度下的读出噪声相当。

    统计和分析国外的各种科研用CCD图像传感器,技术参数和特点虽然各有不同,但均采用较大的像素(6.5~12Lm2),系统自带制冷,分辨率12~16bit,低读出噪声和低暗电流。例如,SPOT Persuit,Xplorer的指标分别为低于室温33e,71e,两者暗电流相差10倍(0.022,0.002e/pix#s),21.4mmCCD,10.4Lm@10.4Lm/像素,2048@2048像素,满阱30000e,14bit分辨率基本与其暗电流和读出噪声相当。CMOS的读出噪声是CCD的数倍,如PCO1200h10bit高速科研用CMOS相机,12Lm@12Lm/像素,1280@1024像素,读出噪声85e/rms,是多数CCD科研相机的10倍甚至更高。CMOS采用开关方式读出光电子,决定了其噪声水平必然较采用电荷移位方式的CCD高。科研数码相机应优先选用和发展CCD型。