第一章 数码镜头设计原理基础篇（CCD与CMOS）.doc

第 17 页 共 17 页科学技术发展到今天，人类社会已迈入信息的时代，及时的扑捉处理信息变的越来越重要。随着市场的这一需要，光学也由原来目视的经典系统，转变为以数码信息处理为主的光电系统。CCD，CMOS已成为主要的光电信息传换的接收器件，由它对经典光学提出了新的课题，这就是“数码镜头设计原理”所要探讨的主要内容。在基础篇中，我们共按排了十章的内容：第一章 CCD与CMOS该章重点是CCD，CMOS的光电性能。由这些性能对镜头提出了各种光学要求。这是我们进行光学设计时的依据。第二章 分辩率数码镜头的接收器是CCD或CMOS，镜头的分辩率与CCD的分辩力间的定量关系，是本章重点，也是全书的重点。此概念的建立，对公差计算，调焦计算，自动设计中象差与传函优化时步长控制，多重结构的分类控制起着举足轻重的作用。学好用活这一概念，是学好“数码镜头设计原理”的重中之重。第三章 视场由CCD尺寸和视场大小，决定了光学系统的尺寸，是外形设计的重要一环。第四章 光谱与亮度原先在网上的内容有了较大的补充。主要是光度学与色度学的论述。这是考虑到光电产品对亮度与色度的要求而加入的。现在有不少单位从事光学投影仪的研制，分色模的设计就要用到色度学的知识。资料给出了计算光电系彩色还原性的定量算式。第五章 显微系统在这理主要介绍了显微系统的物方景深，鉴别率算式。提出了手动变焦时，光学系统连续变倍最简形式。给出了确定变焦曲线时的简单思路，这是变焦的入门较材。第六章 望远系统提出了由主要景物与次要景物比列，确定数码镜头焦距的概念。重点强调了Zemax以透镜为基本单元的追迹功能，是进行光学系统整体性能分析的最有效的工具。在高及篇中，几乎贯穿了用此工具进行复杂问题的分析。第七章 照相系统照相镜头光学设计方面的资料是很多的，但涉及调校的内容确很少。为此全面的介召了照相机多段调焦理论和定量计算方法。并对调焦定位检校的各个环节，在Zemax上搭建了仿真模拟系统，进行了检校过程的精度分析。第八章 光电系统由光学产品的信息化过程，使的光学与电路密不可分。如何把握好光点一体化产品的光点接合部的连接行能，建立起光电信息传换的关系，已成为能否成功设计与把握光电产品的关键。镜头、CCD、显视屏、人眼它们各自独立，又相互制约，本章就以军用校靶镜的总体设计阐述了对光电产品各环节应如何去把握。第九章 光栏在Zemax上应如何选择成象光束，才能真实评价镜头的成象质量。在测会仿型设计中，如和根据测得的镜头有效口径，在软件上自动查出象面照度的均匀性。如何合理选择光束来提高系统象质，这些都是光路设计中必需掌握的。第十章 镜头评价对不同用途的镜头，有不同的评价指标。我们在这理是价召数码镜头评价的共性问题。主要是鉴别率分区性、频率性、多重结构多段性、照度均匀性、彩色环原性、还有工艺性等等。以上是数码镜头设计中的基础内容，学习要点是侧重于物理概念的建立。章节内容：数码镜头设计原理_基础篇第一章 CCD与CMOS光电成象器件是现代光电产品中进行光电转换的核心器件，只有掌握好了它，才能把握好产品的各项光电特性。CCD是目前使用最广的光电成象器件，它是将光信号转成数字信号来实现光电转换的。第一节 CCD基本工作原理1 结构CCD单元与线阵列结构的示意图a) CCD单元 b) CCD线阵列CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal -Oxide -Semiconductor）结构。如果衬底接地，突然给金属极板加一个正的电压UG（栅极电压），则金属极板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，电子在表面处的势能为EpqUs，其中的Us称为表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。2 原理u 电荷包的储存 因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为QCoxUGCox：单位面积氧化层的电容u 电荷包的转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。三相CCD的电荷包转移过程三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。同理，除了有三相CCD外，还有二相的、四相的CCD。二相CCD的电荷包转移过程二相CCD的时钟波形对称，但氧化层（SiO2）厚度不均匀，从而极板下面的势阱也不均匀。因此电荷包也会沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于二相CCD，时钟电压波形每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，每变化一个周期，则转移过二个极板。由此可见，CCD具有移位寄存器的功能。3 摄象器件主要介召CCD摄象器件。u 线阵列CCD摄象器件 线阵列固体摄象器件基本结构简图对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为PSi，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。如图中p（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累。转移栅（x）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相CCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD，时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就是线阵列固体摄象器件大致的工作过程。u 面阵列CCD摄象器件二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构。光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。二维固体摄象器件电荷包帧转移结构图u 电荷包的输出机构1）利用二极管的输出机构利用二极管的输出机构CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构。图中，与123相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变OG上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由2转入3，当3下的势阱由深变浅的同时， OG下的势陇正好也比较深，这时3势阱中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的电子流。因此，在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a点则为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，所以这个电压变化即是输出信号。2）选通积分型输出机构选通积分型输出机构图中，V1为复位管，R1为限流电阻，V2为输出管，R2为负载电阻，C为等效电容。电荷包输出前，要先给V1的栅极加一窄的复位脉冲R，这时，V1导通，C被充电到电源电压，V2管的源极S2的电压也跟随上升接近于电源电压。R变为低电平以后，V1截止，但V2在栅极电压的控制下仍为导通状态。当电荷包经过输出栅OG流过来时，C被放电，V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。u 滤色原理如果把CCD解剖，你会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。你一定觉得很奇怪，为什么“镜头”会直接做在CCD上呢？第一层“微型镜头”其实，这是一个英语翻译上的语误：“ON-CHIP MICRO LENS”,它是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积。因此，必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率（采光率）来增加受光面积，反而使画质变差了。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题，SONY率先在每一感光二极管上（单一像素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD戴上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高开口率，使感光度大幅提升（如图3）。微型镜头第二层是“分色滤色片”CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。这两种方法各有优缺点。不过以产量来看，原色和补色CCD的产量比例约在2比1左右。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在800以上（如图4、图5、图6、图7）。分色滤色片颜色合成1 颜色合成2颜色合成3第三层：感光层CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。第二节 CCD光电特性1转移效率和损耗率电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率定义为=Q1/Q0 表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故=1- 如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为n。引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fat zero）”技术。另外，体内沟道CCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。2 时钟频率CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估计。 （a）时钟频率的下限f下 f下决定于非平衡载流子的平均寿命，一般为毫秒量级。电荷包在相邻两电极之间的转移时间t，应小于，对于三相CCD，电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的时间为T/3，所以f下1/3 对于二相CCD，f下1/2 （b）时钟频率的上限f上 f上决定于电荷包转移的损耗率，就是说，电荷包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。时钟频率上限f上可作如下估算，设D为CCD势阱中电量因热扩散作用衰减的时间常数，与材料和极板的结构有关，一般为10-8s级。若使不大于要求的0值，则对于三相CCD有f上-1/(3Dln0) 对于二相CCD有f上-1/(2Dln0)3光谱特性现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.650.9m左右。 CCD的光谱特性与光电特性曲线 4光电特性u 饱和照度在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现象u 域值照度始CCD恰好能起反应的最低光照度为CCD的域值照度，常用CCD域值照度大致=0.020.5 Lux(勒克斯)u 分辩率域值与频率明暗对比度（反衬度）：调制度：频率f的物象调制值： ，当f是包含整个空间频率时，T（f）称之为调制传第函数，用MTF表示。CCD的MTF域值是：MTF=0.15CCD可分辩的MTF空间频率是：MTF=0.15的频数。5 具体型号及光电特性u CCD特性南京敏通网址：/neiye04t.htm深圳敏通网址1： /webapp/index.asp深圳敏通网址2：/u CCD驱动器件 CCD摸拟前端驱动德州仪器公司：/vip/Article_Print.asp?ArticleID=262 CCD区域图象趋动德州仪器公司：/vip/Article_Print.asp?ArticleID=262第三节CMOS基本工作原理1 结构u CMOS内部结构CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，它可以通过简单的XY寻址技术读取信号。u CMOS外部结构CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一个芯片就可以实现数码相机的所有功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。2工作原理CMOS和CCD一样同在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没有什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带正电）和 P（带负电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素