数码相机技术光电转化部分的原理

1、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 mm上使用 45 m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

2、。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

3、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

4、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、M

5、OS 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

6、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

7、。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

8、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