数码相机技术光电转化部分的原理

数码相机技术光电转化部分的原理
1）CCD 影像传感技术
CCD 器件通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟移位寄存器上，然后串行转换为电压。

大多数硅片面积用于光子收集。

高的填充系数给了良好的光电效率。

在设计中，CCD器件有极高的信噪比和高电荷转换效率。

要实现这一目标，需要专门处理器、高电压、多重电源和偏置。

CCD 器件高的光电效果可使阵列紧密排列，并在适当大额面积上，构成高分辨率的阵列。

当代CCD 的典型技术水平是，在160 mm²上使用4~5 μm技术。

但是CCD 最小面积由收集光的要求和光学系统决定，而不是由电路特性决定。

CCD 结构同当代技术CMOS 不兼容。

CCD 生产过程复杂、产量低，导致了高成本。

它不像CMOS 具有大规模生产的长处，所以CCD 器件的价格仍很昂贵。

1 ）CCD 的物理基础——MIS 结构
CCD（Charge Coupled De vice）是按照一定规律紧密排列起来的金属—绝缘体—半导体（MIS）电容阵列组成的。

MIS电容结构是CCD的基本组成部分，CCD的工作原理是建立在MIS电容理论知识上，依靠在MIS电容器上贮存荷电载流子和转运荷电载流子。

因此，MIS电容结构，它十分类似于金属—绝缘体—金属（MIM）平行板电容器，但有许多不同之处。

例如，在MIM电容器的两个金属极板上施加电压时，充电电荷分布在紧靠绝缘体的金属极板的原子层厚度内，其电压全部降落在绝缘体内。

而对MIS电容器施加电压时，因半导体中的电荷密度远小于金属的电荷密度，所以在半导体一侧，其电荷分布在半导体表面一定厚度的层内，所加的电压一部分降落在绝缘层内，另一部分则降落在半导体表面的空间电荷层中。

同时在半导体中有两种极性不同的载流子——电子和空穴，而且其浓度相差很大（如在硅中，多子和少子浓度往往相差1010倍），因此，在MIS电容器上施加极性相反的电压时，半导体表面电荷层各处的电荷极性、分布和厚度大不相同。

通常可见光的CCD是以硅为基体材料的，绝缘体就是硅的氧化物，所以常为MOS 电容结构。

2 ）CCD 的组成及其工作原理
CCD 主要由3 个部分组成，即信号输入部分、信号电荷转移部分和信号输出部分。

a、输入部分
输入部分的作用是将信号电荷引入CCD 的第一个转移栅下的势阱中。

引入的方式取决于应用。

在滤波、延迟线和存储器应用情况下是用电注入的方法将电荷提供给CCD，在数码摄像应用中是依靠光注入的方式引入。

电注入电路是CCD 器件不可缺少的电路。

即使是CCD 摄像器件，信号电荷来自光注入，也需要电注入电路来实现“回零”运行或检测。

所以，所有CCD 器件中都带有输入电路。

光注入，这是摄像器件所必须采取的唯一的注入方法。

这时输入二极管由光敏元件代替。

固体图像器件的光敏元件主要有：光电导体、MOS 电容器（MOS 二
极管）、pn 结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。

摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元件吸收，产生电子—空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。

当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入的过程。

b、信号转移部分
信号转移部分的作用是存储和转移信号电荷。

转移部分是由一串紧密排列的MOS 电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。

转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。

通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系和多相时钟脉冲（数字脉冲）分组依次加在CCD 转移部分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，进而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。

信号电荷包运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱中存储的时间，受限于势阱的热弛豫时间，它必须小于热弛豫时间，所以CCD 是在非平衡状态下工作的一种功能器件。

c、输出部分
输出部分由一个输出二极管、输出栅和一个输出耦合电路组成，其作用是将CCD 最后一个转移栅下势阱的信号电荷引出，并检测出电荷包所输出的图像信息。

最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置；输出二极管处于反相偏置状态，到达最后一个转移栅下的电荷包，通过输出栅下“通道”，到达反向偏置的二极管并检出，从而产生一个尖峰波，此波形受偏置电阻（R）、寄生电容（C）以及电荷耦合器件工作频率的影响。

这种电路简单，但噪声较大，很少采用。

现在多采用浮置栅输出技术，它包括两个MOSFET，并兼有输出检测和前置放大的作用。

3）CCD 阵列性能参数
对于一个成像器件,其性能参数主要包括灵敏度、分辨率、动态范围、光谱响应、暗电流等,CCD 阵列虽然在器件结构和工作方式都有所不同,但上述参数仍是CCD 阵列的主要性能参数。

（ 1 ）响应度或灵敏度
响应度定义为每单位光强或单位曝光量所得到的有效信号电压.灵敏度则表示在一定的曝光量下,像元势阱中所采集的光生电荷与入射到像元表面上的光子数之比. 响应度由灵敏度和输出极的电荷( 电压) 转移能力决定。

（ 2 ）光谱响应
光谱响应表示CCD 对于各种单色光的相对响应能力,响应度最大的波长称为峰值响应波长,而把响应度等于峰值响应的50%所对应的波长范围称为光谱响应范围。

（ 3 ）光响应非均匀性(PRNU)
光响应非均匀性表示CCD 阵列的各个像元在均匀光源照射下, 有可能输出不相
等的信号电压.
（ 4 ）分辨率、动态范围、暗电流、瑕点数(blemish)
分辨率:它反映了CCD 阵列对物像明暗细节的分辨能力,是CCD阵列作为图像传感元件的重要参数.
动态范围:光动态范围的定义为使CCD 达到饱和输出的最大光强与使CCD 达到噪声输出的光强之比.
暗电流:暗电流是指没有光照射时,CCD 阵列输出信号,这种信号电流的大小由CCD内部多种噪声决定.
瑕点数(blemish) :瑕点数是指CCD 阵列的各个像元在均匀光源的照射下,个别像元的输出比光响应非均匀性引起的输出降低情况还要严重,甚至根本无反应,这种像元就被看成瑕点. 通常CCD 器件的质量是按照阵列内可能存在的瑕点数来划分等级。