《应用光学》-第14章

14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件

电荷耦合器件（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）常被人简称为ＣＣＤ，它是一种以电荷包形式存储和传递信息的半导体器件，具有光电转换、信息存储和延时等功能。由于ＣＣＤ集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和信号存储三大领域中得到广泛的应用，尤其是作为一种固体摄像器件，ＣＣＤ在图像传感应用方面已经取得令人瞩目的发展，成为当今图像传感器市场的主流。ＣＣＤ是在ＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）晶体管电荷存储器的基础上发展起来的。传统的ＣＣＤ由大量密排的ＭＯＳ电容器构成，能够存储由入射光在ＣＣＤ光敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件ＣＣＤ的概念最早于１９６９年由美国贝尔实验室的Ｗ.Ｓ.Ｂｏｙｌｅ和Ｇ.Ｅ.Ｓｍｉｔｈ提出，近４０年来对它进行的研究速度惊人，已经从最初简单的８像素移位寄存器发展到具有数百万至数千万像素，其应用领域涵盖了航空航天、空间遥感、微光夜视、激光干涉测量、传真扫描、医疗仪器、摄影摄像和机器视觉等诸多领域。与其他成像器件相比，ＣＣＤ电荷耦合器件有以下特点：（１）作为一种固体化器件，ＣＣＤ集成度高、体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高；上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件（２）像元位置可用数字代码确定，便于与计算机结合；（３）光敏元件间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度；（４）光谱响应范围宽。一般的ＣＣＤ器件可工作在４００～１１００ｎｍ的波长范围内。另外，对应特殊波段的ＣＣＤ器件使其光谱响应扩大到从Ｘ射线、紫外线、可见光到红外范围；（５）具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围；（６）具有较高的空间分辨率：线阵器件已有上万像元；量产的面阵器件已跃过４０００万像素；（７）图像畸变小、尺寸重现性好，特别适合尺寸测量、定位及成像传感等应用。上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件一、ＣＣＤ的基本结构和工作原理（一）基本结构ＣＣＤ主要由光敏元件、输入部分和输出部分构成。光敏元件可以采用ＭＯＳ电容及光电二极管。ＣＣＤ是由金属－氧化物－半导体ＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）构成的密排器件，这些ＭＯＳ电容即ＣＣＤ的光敏元件，也是ＣＣＤ的基本构成单元。ＭＯＳ一般是在单晶硅Ｓｉ的衬底上生长一层ＳｉＯ２层，再在ＳｉＯ２层上沉积具有一定形状的金属电极（栅极），金属通常采用铝。根据采用的衬底材料不同，ＭＯＳ电容可分为ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ，这两种电容在结构上基本相似。所不同的是ＮＭＯＳ采用ｐ型硅的衬底，通过选择掺杂形成ｎ型的掺杂区，而ＰＭＯＳ则是在ｎ上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件型硅的衬底上通过选择掺杂形成ｐ型的掺杂区。（二）ＣＣＤ的工作原理与其他成像器件不同，ＣＣＤ以电荷作为信号来进行存储和传输，而不是以电流或者电压作为信号。ＣＣＤ的基本工作过程包括三部分，即信号电荷的产生和存储、电荷的转移及电荷的检测。（１）信号电荷的产生与储存。ＣＣＤ信号电荷的产生主要有两种方式：一种是电注入，另一种是光注入。电注入仅适用于ＣＣＤ被用作信号处理或存储器件的情况。这时，ＣＣＤ通过输入结构（输入二极管、输入栅）对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。用作图像传感器的Ｃ上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件ＣＤ采用的信号电荷产生方式必须是光注入。所谓光注入就是通过光电转换，将光敏元件接收的光转换成信号电荷的过程。当一束光线投射到ＭＯＳ电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入ｐ型Ｓｉ衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，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，在第一个转移栅上加以时钟电压，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，完成光注入过程。至于信号电荷的储存，如前所述，ＣＣＤ的基本结构单元ＭＯＳ中形成的势阱能够吸收这些信号电荷并加以存储，所收集的电上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件荷大小射光的强度和照射时间。（２）信号电荷的转移。信号电荷的转移也称为电荷的耦合。转移电荷的目的是使ＣＣＤ中势阱电荷从一个位置转移到另一个位置。为实现信号电荷的转移，必须使ＣＣＤ中的ＭＯＳ电容阵列排列足够紧密，以致相邻ＭＯＳ电容的势阱能够相互沟通，即相互耦合。同时，由于电荷总是要向最小势能方向转移，故可以通过控制相邻ＭＯＳ电容栅极电压的高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。因此，可以将一定规律变化的电压加到各电极上，周期性地改变时钟脉冲的相位和幅度，势阱深度会随时间相应地变化，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把ＣＣＤ电极分为几组，每组施加同样的时上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件钟脉冲。根据每组中包含的电极个数，ＣＣＤ通常有二相、三相、四相几种结构。它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。（３）信号电荷的检测。的输出部分。进行电荷检测的基本原理是将转移过来的电荷转换成电容器两端的电流或电压变化。ＣＣＤ电荷检测的主要方法有电流输出和电压输出两种。其中，电压输出有浮置扩散放大器（ＦＤＡ）输出和浮置栅放大器（ＦＧＡ）输出。ＣＣＤ对电荷的检测输出是每检测一个电荷包，在输出端就得到一个脉冲，其幅度正比于信号电荷包的大小。不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的调制，即ＣＣＤ输出调幅信号脉冲列。每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（７～８Ｖ）上，信号电上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件平在几十至几百ｍＶ范围内变化。输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对应着一个像元，中间由复位电平隔离。因此，由ＣＣＤ的工作过程可看出，ＣＣＤ图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移和检测功能，它能把一幅空间域分布的光学图像变换成为一列按时间域分布的离散的电信号“图像”。二、ＣＣＤ图像传感器的基本特性ＣＣＤ图像传感器件的基本特性可以用特性参数来描述，主要包括：电荷转移效率和转移损失率，光谱响应，灵敏度与动态范围，分辨率，工作频率，暗电流及噪声。（一）电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征ＣＣＤ性能好坏的参数。由图像传感器的工作原上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件理可知，信号电荷是通过对各个电极施加不同电压实现转移的。通常把一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率，用符号η表示。设原有信号电荷为Ｑ０，转移到下一个电极下的电荷为Ｑ１，那么转移效率为剩余未转移的部分用转移损失率ε来表示，即ε＝１－η。理想情况下，转移效率η应等于１。但由于电荷在转移过程中有损失，故η是一个小于１的数。在实际器件中，信号电荷需要经历成百上千次的转移，一个电荷Ｑ０经过ｎ次转移后所剩下的电荷Ｑｎ为上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件由此可见，如果转移效率不高，那么最终总的转移效率就会很低，将失去实用价值。为保证较高的转移效率，经常采用的方法有增加信号电荷的转移速度、改变栅极结构以减小边缘势垒、采用体沟道ＣＣＤ以减少表面态和体内陷阱对电荷的俘获等。（二）光谱响应ＣＣＤ对于不同波长的响应度是不相同的。光谱响应特性表示ＣＣＤ对于各种单色光能的相对响应能力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长，响应度小于１０％或更低所对应的波长称为截止波长，长波和短波截止波长之间的范围称为光谱响应范围。有时也把响应度下降到峰值的５０％对应的波长当作截止波长。上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件ＣＣＤ器件的光谱响应范围基本上是由使用的材料性质决定的，但也与器件的光敏元结构和所采用的电极材料密切相关。普通硅衬底ＣＣＤ的光谱响应均在４００～１１００ｎｍ范围，如图１４－１所示。但近年来随着微电子技术的发展，出现了响应范围扩大的特殊ＣＣＤ。如长波方向可以探测到３～５μｍ的中红外及８～１４μｍ远红外波段；短波方向可以延伸到２００ｎｍ左右的紫外波段。（三）灵敏度与动态范围灵敏度表示了ＣＣＤ将光信号转换为电信号的能力。它是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压或电流。灵敏度反映了ＣＣＤ对光的响应能力。动态范围代表了器件输出信号随输入曝光量线性变化的范围，其定义为最大信号量，也就是饱和信号量与噪声之比。因上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件此，饱和信号量和最大信号电荷传送量是影响动态范围的重要因素。理想的ＣＣＤ应该具有高灵敏度和宽的动态范围。动态范围宽的图像，从亮到暗有明确的灰度表现，曝光过度和曝光不足的情况较少。相反，动态范围较窄时，则会形成平板多噪声的图像。（四）分辨率分辨率是评价ＣＣＤ器件优劣的一个重要指标，它表示ＣＣＤ器件分辨图像细节的能力，简单来说，分辨率就是表示可照出多细微图像的指标，一般来说，像素数越多，分辨率也越高，所以常以像素数取代分辨率。然而，即使是相同的像素数，随着像素排列方式的不同得到图像的分辨率也会发生变化。对ＣＣＤ分辨率的评价有极限分辨率和调制传递函数ＭＴＦ两种方式。上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件极限分辨率方法是采用分辨率测试卡通过光学系统成像在ＣＣＤ光敏面上，通过人眼在输出端观察，能够分辨的最细线条数目（线对数），即为ＣＣＤ的极限分辨率。调制传递函数ＭＴＦ评价方法与一般的成像系统相同，用来表示信号转移前后调制度的比值，它与图像的形状、尺寸、照度等无关，因此是客观的科学的。同时由于ＭＴＦ是正弦波空间频率振幅的响应，在给定的空间频率下，整个系统的ＭＴＦ等于系统各部分ＭＴＦ的乘积，因而使用起来非常方便。因此，目前国际上一般采用ＭＴＦ来表示ＣＣＤ的分辨率。随着ＣＣＤ制作技术的不断提高和光敏元件的高度集成化，获得高像素数及高分辨率成为可能。但是如果在不增加ＣＣＤ面积的情况下增加像素数，由于单位像素的面积减小，必然会降低ＣＣＤ的灵敏度和上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件动态范围，信噪比也会降低，因而会引起图像质量的下降。因此在增加ＣＣＤ像素的同时若想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大ＣＣＤ的总面积。（五）工作频率ＣＣＤ的工作频率是指视频信号的采样频率，用ｆ表示。采样频率的下限与由于热产生的少数载流子寿命有关。为避免少数载流子对输入信号的干扰，信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间ｔ必须小于少数载流子的平均寿命。以三相ＣＣＤ为例，上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件因此工作频率下限满足工作频率的上限主要受电荷转移快慢的限制。电荷在ＣＣＤ相邻电极之间移动所需的平均时间叫作转移时间，其大小与相邻电极中心距成正比，而与转移速度成反比。当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间Ｔ／３，那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故要求即上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件（六）暗电流ＣＣＤ图像传感器在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗信号，是由暗电流引起的。产生暗电流的根本原因在于半导体的热激发，固体摄像器件均存在有暗电流，其来源有：（１）耗尽区中的本征热激发产生的暗电流；（２）耗尽区边缘少数载流子热扩散产生的暗电流；（３）表面能级的热激发产生的暗电流。（七）噪声噪声是ＣＣＤ的一个重要参数，它是决定信噪比的重要因素。信号电荷包在ＣＣＤ内存储和转移时，与外界是隔离的，因此从本质上来说，ＣＣＤ是个低噪声器件。但是，随着ＣＣＤ器件向小型化、集成化的上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件不断发展，ＣＣＤ光敏元件个数不断增加，其面积势必减小，从而降低了ＣＣＤ的输出饱和信号，而噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信息复原的精度，并降低了ＣＣＤ的灵敏度。为了扩大ＣＣＤ的动态范围，必须对ＣＣＤ噪声的种类和特点加以研究，并在此基础上采取相应的措施加以抑制。ＣＣＤ的噪声主要包括输入噪声、电荷量变化引起的转移噪声和检测时产生的输出噪声。三、ＣＣＤ的主要分类ＣＣＤ可以从不同的角度进行分类。按照不同的电荷存储机构可以分为表面沟道ＳＣＣＤ（ＳｕｒｆａｃｅＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）和体沟道ＢＣＣＤ。按光谱分类，ＣＣＤ可分为上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件可见光ＣＣＤ、红外ＣＣＤ、Ｘ射线ＣＣＤ和紫外光ＣＣＤ。ＣＣＤ图像传感器按照结构可以分为两类：一类是用于获取线图像的，称为线阵ＣＣＤ；另一类用于获取面图像，称为面阵ＣＣＤ。线阵ＣＣＤ传感器主要由一列光敏元、一列ＣＣＤ移位寄存器和转移栅构成。线阵ＣＣＤ结构简单，成本较低，多用于直线轮廓的检测，因为线阵ＣＣＤ只需一列分辨单元，芯片面积小，读出结构也简单，故容易获得沿器件光敏元排列方向上很高的空间分辨率。但由于线阵ＣＣＤ只能接收一维光信息，为了得到被测物体的二维平面图像，必须通过扫描的方法实现。线阵ＣＣＤ图像传感器有两种基本形式，即单沟道线阵ＣＣＤ图像传感器和双沟道线阵ＣＣＤ图像传感器。现在普通使用的是双沟道线阵上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件ＣＣＤ，它与单沟道线阵ＣＣＤ的区别是采用两个读出移位寄存器，相当于两个单沟道的合成。在同样工作总长度上排列２倍数量的光敏元，分辨率提高一倍。面阵ＣＣＤ图像传感器的光敏元件呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像，广泛用于摄影摄像、多媒体技术及医疗设备领域。由于传输与读出方式不同，面阵ＣＣＤ有许多类型，按照电荷的不同转移方式常分为帧转移、行间转移以及帧行间转移三种。（一）帧转移方式（ＦｒａｍｅＴｒａｎｓｆｅｒ，ＦＴ）帧转移方式是最早研究出来的转移方式。该类型器件由成像部分、存储部分和读出寄存器三部分组成，如图１４－２所示。其中，成像部分是光敏元件阵列，产生光电荷；存储部分不能感光，只用来存储待上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件转移的光电荷，因此存储部分和读出移位寄存器都需要遮光。存储区的像素和成像区像素数是对应的，因此存储区与成像区具有一样的面积。在这种转移方式中，图像信号在电极的控制下，在场扫描正程期间被积累在成像区。在场扫描逆程期间，通过时钟脉冲与电极的配合，使成像区内整场的信号电荷快速、一次性地转移到存储区。在下一个场正程期间，成像区再次积累电荷形成下一场图像信号，而存储区的信号电荷则在脉冲作用下，在行扫描逆程期间将最上面一行光电荷送进读出移位寄存器。这样，信息电荷被逐行地转移到移位寄存器，再通过电极的驱动，将每一行光电信号转移输出。如此周而复始，由一行一行的图像信号构成了视频图像信息。帧转移方式的优点是结构和驱动简单，像素单元密集程度高，能得到较高的分辨率和灵敏度；但因上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件成像区和存储区占同样大小的芯片面积，导致ＣＣＤ芯片尺寸较大；同时电荷在转移期内能受到连续光照造成的干扰，会产生垂直拖尾现象。目前已经出现了在帧转移方式基础上改进得到的全帧（ＦｕｌｌＦｒａｍｅ，ＦＦ）方式，能够较好地解决上述问题。（二）行间转移方式（ＩｎｔｅｒｌｉｎｅＴｒａｎｓｆｅｒ，ＩＴ）行间转移方式是数字照相机和摄像机最常采用的方式，其基本结构如图１４－３所示。不同于帧转移方式，ＩＴ方式下成像部分和存储部分垂直放置，呈水平相间排列，成对紧紧地靠在一起；上部是水平读出移位寄存器。在场正程期间，感光成像部分产生光生电荷；在场逆程期间，受转移栅的控制，各列成像单元内的光电荷被快速地水平转移到各自对应的存储单元即垂直移位寄存器中；在下一个场正程期间，上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件感光部分再次积累光生电荷。存储单元中的电荷在电极作用下，每个行逆程期间将逐行向上移动到读出移位寄存器，并进而通过后续电路逐一转换为信号电压后输出，如此形成视频信号。行间转移方式由于不需要单独的存储部分，可以实现ＣＣＤ芯片的小型化。但是在强光照射下，仍有一部分强光（包括反射、散射的光线）通过不同途径照射到下面的存储条上，由于电荷是一位一位地向上移动，速度较慢，使这些光线的作用时间较长，因此仍会产生类似垂直拖尾现象。在要求极高的专业领域，通常采用下面的帧行间转移方式来避免这一漏光现象。（三）帧行间转移型（ＦｒａｍｅＩｎｔｅｒｌｉｎｅＴｒａｎｓｆｅｒ，ＦＩＴ）这种方式是前面两种方式的组合运用，即在行间转移上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件型结构的基础上增加了场存储区，图１４－４ＦＩＴ帧行间转移方式示意图使其又具有了帧转移型的结构特点，如图１４－４所示。在场正程期间，成像区产生光生电荷；在场逆程期间，所有成像区的光生电荷以极快的速度一次性转移到相应的存储区即垂直寄存器中，紧接着又以极快的速度转移到下面的场存储器中。在下一场正程期间，成像区再次积累电荷，而场存储区则将电荷逐行向下转移，其过程与帧转移方式完全一样。这一过程中，转移速度比行间转移方式要快６０～１００倍，缩短了信号电荷在存储区的时间，能有效减轻漏光和垂直拖尾的现象。帧行间转移方式常用于一些高性能的专业摄像领域，在手机照相机中也经常被采用。上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件四、ＣＭＯＳ图像传感器另一种被广泛采用的图像传感器是ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）互补金属－氧化物－半导体传感器。近几年，ＣＭＯＳ传感器的研究发展速度飞快，由于其制作工艺与微电子工艺兼容，因而具有体积小、功耗和价格低的特点，已经与ＣＣＤ一样成了数字照相机、摄像机、高清电视、可视通信、图像采集和监控设备中的关键器件。ＣＭＯＳ图像传感器与ＣＣＤ图像传感器的研究几乎是同时起步的，但由于受当时工艺水平的限制，ＣＭＯＳ图像传感器图像质量差、灵敏度低、分辨率低、噪声明显，因而没有得到重视和发展，很长一段时间内，ＣＣＤ器件主宰着图像传感器市场，ＣＭＯＳ只能用于一些低端场合。而上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件随着集成电路设计技术和工艺水平的提高，ＣＭＯＳ图像传感器过去存在的缺点和技术难题相继得到了解决，图像质量得到极大改善，分辨率达到甚至超过了ＣＣＤ的水平。同时，由于ＣＭＯＳ具有一些ＣＣＤ器件无法比拟的固有优点，故有超越CCD图像传感器的发展趋势。根据像素的不同结构，ＣＭＯＳ可分为无源像素被动式传感器（ＰａｓｓｉｖｅＰｉｘｅｌＳｅｎｓｏｒ，ＣＭＯＳＰＰＳ）、有源像素主动式传感器（ＡｃｔｉｖｅＰｉｘｅｌＳｅｎｓｏｒ，ＣＭＯＳＡＰＳ）及数字像素传感器（ＤｉｇｉｔａｌＰｉｘｅｌＳｅｎｓｏｒ，ＣＭＯＳＤＰＳ）。目前实用化的ＣＭＯＳ普遍采用ＡＰＳ结构。与ＣＣＤ一样，ＣＭＯＳ也采用光敏元件接收光信号并进行光电转换。不同之处在于ＣＣＤ光敏元件产生的信号电荷不经处理直上一页下一页返回14.1ＣＣＤ和ＣＭＯＳ光电器件接输入到存储单元并转移到输出部分，通过输出电路放大并转换成信号电压；而ＣＭＯＳ的每一个光敏元件都带有放大器。当光敏元件接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被放大器放大，然后经模数转换电路直接转换成对应的数字信号，通过输出电路输出。图１４－５所示为ＣＭＯＳ的构成示意图。上一页返回14.2数码相机光学系统数码相机又称为数字相机，简称ＤＳＣ（ＤｉｇｉｔａｌＳｔｉｌｌＣａｍｅｒａ），其实质是一种非胶片相机，它采用ＣＣＤ（电荷耦合器件）或ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）作为光电转换器件，将被摄物体以数字形式记录在存储器中。数码相机与传统的照相机的主要区别在于它们的接收器，传统相机的接收器是感光胶片，而数码相机的接收器是ＣＣＤ或ＣＭＯＳ。ＣＣＤ与ＣＭＯＳ的结构不同，ＣＣＤ仅能输出模拟信号，输出信号还需经后续地址译码器、Ａ／Ｄ转换器、图像信号处理器等芯片处理，并且还需要提供三组不同电压的电源和同步时钟电路控制，集成度非常低。ＣＭＯＳ将数码相机上的所有部件芯片的功能集中到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、Ａ／Ｄ转换器、返回下一页14.2数码相机光学系统图像信号处理器及控制器都集中到一个芯片上，只需一片芯片就可以实现数码相机上的所有功能，使得数码相机整体成本低，速度更快。ＣＣＤ在同步时钟控制下，以行为单位一位一位地输出数据。ＣＭＯＳ在采集信号的同时就可取出信号，同时处理电路单元的图像信息，可以使耗电更省，ＣＣＤ需要三组电源处理ＲＧＢ三原色的数据信息，ＣＭＯＳ只需一组电源，没有静态电量的消耗，只有接通电路才有电量消耗，它的耗电量只是ＣＣＤ的１／１０左右，大大地节省了耗电量，但是ＣＭＯＳ消除噪声的能力稍差。数码相机是集光学、机械、电子于一体的现代高技术产品，它集成了影像信息的转换、存储和传输等多种部件，具有数字化存取模式、与计算机交互处理和实时拍摄的特点。因此上一页下一页返回14.2数码相机光学系统

数码相机有如下之特性：（１）立即成像。数码相机属于电子取像，可立即在液晶显示器、计算机显示器或电视上显示，可实时监视影像效果，也可随时删除不理想的图片。（２）与计算机兼容。数码相机存储器里的图像输送到计算机后通过影像处理软件，可进行剪切、编辑、打印，并可将影像存储在计算机中。（３）电信传送。数码相机可将图像信号转换为电子信号，经电信传输网或内部网进行传输。数码相机光学系统的设计与传统相机既有相似之处也有明显的区别，上一页下一页返回14.2数码相机光学系统

ＣＣＤ或ＣＭＯＳ的成像特性给数码相机的光学系统提出了一些新的结构和性能方面的要求。数码相机镜头的作用与传统相机镜头一样，即将景物清晰地成在ＣＣＤ（ＣＭＯＳ）感光器上，并具备对焦、光圈和快门功能。因此，镜头是数码相机的核心部件之一。上一页返回14.3衍射光学元件在光学系统中应用最广泛的是基于折射和反射原理的光学元件，如透镜、棱镜、反射镜等。在２０世纪８０年代之前，基于光波衍射理论的衍射元件在成像系统中的应用较少，全息光学元件作为战斗机平视显示器上的合束器是为数不多的成功实例之一。全息元件制作工艺复杂，成本高昂，较难推广到其他应用领域。自从美国麻省理工学院林肯实验室提出二元光学的概念后，衍射光学元件在国际上得到迅速发展。这种新型衍射元件表面带有浮雕结构，在设计波长上可以形成极高的衍射效率。在二元光学发展的早期，人们采用大规模集成电路的生产方法制作二阶相位型元件。随着高分辨率掩模板制作技术的发展和掩模套刻对准精度的提高，得以加工多阶相位二元光学元件以提高衍射效率。２０世纪９０年代发展起来的激光和电子束直写技术，进下一页返回14.3衍射光学元件一步消除了掩模套刻对准误差和离散化相位的影响，使在曲面表面上制作具有连续分布表面浮雕结构的衍射光学元件成为可能。在成像系统中，衍射光学元件与传统的折射、反射元件混合使用，综合平衡，给系统的设计引入了新的自由度，为提高系统性能、简化系统结构、减轻系统重量提供了新的可能性。例如２０００年９月，日本佳能公司发表了用于３５ｍｍ照相机上的、使用多层衍射光学元件的４００ｍｍ长焦距摄远镜头，用衍射光学元件作为复消色差元件来消除长焦距镜头中的二级光谱色差，有效地降低了光学系统的尺寸和重量。我国学者也对衍射光学元件在成像系统中的应用做了大量探讨，其中多数为对设计方案的研究。在实际完成研制的几个系统中，对衍射光上一页下一页返回14.3衍射光学元件学元件的制作分别采用了多层掩模刻蚀、多层掩模镀膜和旋转掩模镀膜等工艺。这些工艺都要求衍射面的基底为平面。因此，上述各个设计虽然通过加入衍射元件获得了新的优化自由度，但由于衍射浮雕结构（通常为环带）所在的光学面的曲率需要固定为０，故不得不损失这一对系统像质有重要影响的设计变量。对于红外热成像系统，由于对锗、硫化锌、砷化镓等常用红外材料都可以采用金刚石车床车削工艺加工，因此可以相对容易地将衍射元件制作在曲面基底上。在国际上，衍射光学元件首先在红外成像系统中实现广泛应用，除了金刚石车削可提供便利的加工条件外，更是因为红外波段可供设计者选择的材料种类不多，色差的校正比较困难，而具有相同符号光焦度的折射元件和衍射元件产生的色差符号相反，可以利用这一特性帮助校正系统色差。红外材料的价格高，比重大，衍射元件的应用可以有效降低上一页下一页返回14.3衍射光学元件成本，减轻系统重量。红外材料的热膨胀系数和折射率温度系数较大，工作环境温度对红外系统成像质量影响大，衍射光学元件还可以有效地帮助实现无热化设计。近年来，我国已有多个研究和生产单位引进了金刚石车床设备，为衍射光学元件在红外系统中的实际应用创造了条件。（一）衍射光学元件在成像系统中消色差的方法折射光学系统工作在较宽谱段范围时需要消除色差。只使用一片透镜无法消除色差，只能选择低色散材料尽量降低色散。要消除色差就要使用至少两种色散系数不同的光学材料，而这势必要增加光学系统的尺寸和重量。使用折衍混合元件可以达到消色差的目的。如图１４－７所示，衍射光学元件与普通光学玻璃的色散特性相反，适当选择光上一页下一页返回14.3衍射光学元件学材料和进行折衍光焦度的分配就能达到消色差的目的。按照薄透镜理论，折－衍射混合单透镜的总光焦度是折射元件的光焦度和衍射元件的光焦度之和，即按照初级像差理论，为消除色差，Φｒ和Φｄ应满足以下关系式中，νｒ是折射元件材料的阿贝数，νｄ是衍射元件的阿贝数，分别用以下公式计算上一页下一页返回14.3衍射光学元件式中，λＭ、λＬ、λＳ分别是系统的中心波长和接收谱段的长、短波长，ｎＭ、ｎＬ、ｎＳ分别是折射元件材料对应上述波长的折射率。衍射元件与两种光学材料配合使用，可以校正二级光谱，实现复消色差光学系统。当然，实际光学系统的结构通常不会是单透镜、双胶合这样的简单形式，各元件所应承担的光焦度也未必能够通过解方程计算。一般需要在光学ＣＡＤ软件中，将衍射元件的参数（如相位多项式的系数）作为变量，与折（反）射元件的曲率半径、折射率、厚度等参数同时进行优化，综合平衡，以便得到良好的设计结果。上一页下一页返回14.3衍射光学元件（二）衍射光学元件在成像系统中对于热像差的校正很多光学系统需要在较大的温度范围内工作，尤其是军用和空间光学设备，其工作温度范围可达－４０℃～６０℃。温度变化时，光学元件的曲率、厚度、间隔以及光学材料的折射率都将发生变化。对于成像透镜来说，这些改变将导致系统焦距的改变。同时光学系统封装材料的尺寸也将随着温度的变化发生变化，如图１４－８所示。当这两种变化不一致时就导致了离焦的发生。由于红外光学材料的折射率温度变化系数ｄｎ／ｄｔ较大，环境温度对红外光学系统的影响显得尤为严重。因此，在红外成像系统中经常需要加入主动或被动补偿机构，以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能的降低定义透镜和镜筒材料的线性热膨胀系数Ｘｇ和ＸＨ为上一页下一页返回14.3衍射光学元件式中，Ｌ为透镜或镜筒材料的长度。此外，定义介质的光热膨胀系数为如图１４－９所示，一个单透镜成像系统因温度变化而导致透镜焦距与透镜到探测器的距离不一致，即产生离焦。根据薄透镜理论，单透镜的焦距为上一页下一页返回14.3衍射光学元件以简单的平凹透镜为例，透镜曲率半径是温度的函数，ｒ（ｔ）＝ｒ（１＋ＸｇΔｔ），故当温度变化不大时，可以写作上一页下一页返回14.3衍射光学元件Ｔ为公式（１４－４）中定义的光热膨胀系数，它只与透镜的材料有关，而与透镜的形状无关。公式（１４－６）表明一个折射光学透镜的焦距随温度的改变只与其使用的材料和透镜焦距有关，而与透镜的形状无关。工作温度由ｔ变为ｔ＋Δｔ时，由于镜筒材料的热膨胀效应，透镜与探测器的间隔ｓ变为ｓ（１＋ＸＨΔｔ）。单（薄）透镜对无限远成像时，ｓ＝ｆ，当Δｓ与Δｆ大小相等、符号一致时并不产生离焦，我们关心的是它们的差值上一页下一页返回14.3衍射光学元件表１４－１列出了一些常用的红外光学材料的光热膨胀系数和镜筒外壳材料的膨胀系数。从中可以看出红外光学材料的光热膨胀系数为负值，而可见波段常用的光学玻璃ＢＫ７的系数却为正值，而且前者的绝对值是后者的几十甚至上百倍。也就是说当工作温度升高时，由ＢＫ７做成的透镜焦距会增大，而由红外材料做成的透镜焦距会减小。而绝大多数镜筒材料的热膨胀系数都是正的，由此不难看出为何红外成像系统热像差更严重。考虑一个有效焦距为１００ｍｍ的锗材料单透镜，镜筒材料为铝。当环境温度升高２０℃时，有上一页下一页返回14.3衍射光学元件对于由多个（间距很小的）薄透镜组成的系统，总光焦度为各透镜光焦度之和故所以总的光焦度改变总焦距改变上一页下一页返回14.3衍射光学元件这里ｆ为系统总的光焦距，ｆｉ为各个透镜的有效焦距，Ｔｉ为各个透镜光学玻璃的光热膨胀系数。该系统的离焦量为对由两个薄透镜组成的系统来说，如果要使总的离焦量ΔｆＴｏｔａｌ＝０，则上一页下一页返回14.3衍射光学元件这里并没有考虑色差的校正，而假定系统是工作在单色波长下的。两片透镜光焦度的分配的目的是消除热像差。在对这样的系统进行设计优化时，要通过在保证各透镜光焦度的前提下改变透镜的表面曲率来消除单色像差。衍射光学元件可以有效地帮助消除热像差，简化光学系统结构。实际系统的结构通常不会是密接双透镜、三透镜这样的简单形式，设计消色差和热像差光学系统时，各元件所应承担的光焦度也不一定能够通过解方程获得。一般还是需要通过反复优化，综合平衡，最终取得良好的设计结果。上一页岁返回14.4非球面成像特性一、非球面的表示方法为了设计出系统的具体结构参数，必须明确系统结构参数的表示方法。共轴光学系统的最大特点是系统具有一条对称轴———光轴，系统中每个曲面都是轴对称旋转曲面，它们的对称轴均与光轴重合。国内的光学设计软件，例如北京理工大学研制的ＳＯＤ８８软件，系统中每个曲面的形状用方程式（１４－１５）表示，所用坐标系如图１４－１０所示。式中，ｈ２＝ｙ２＋ｚ２，ｃ为曲面顶点的曲率，Ｋ为二次曲面系数，下一页返回14.4非球面成像特性

ａ４、ａ６、ａ８、ａ１０、ａ１２为高次非曲面系数。方程（１４－１５）可以普遍地表示球面、二次曲面和高次非曲面。公式右边第一项代表基准二次曲面，后面各项代表曲面的高次项。基准二次曲面系数Ｋ值不同，所代表的二次曲面如表１４－２所示。不同的面形，对应不同的面形系数，例如球面：Ｋ＝１，ａ４＝ａ６＝ａ８＝ａ１０＝ａ１２＝０二次曲面：Ｋ≠１，ａ４＝ａ６＝ａ８＝ａ１０＝ａ１２＝０球面和二次曲面的图形如图１４－１１所示。在不同的光学设计软件中，非球面的表示略有不同，在ＺＥＭＡＸ软件中，非球面的表示有以下几种：上一页下一页返回14.4非球面成像特性

偶数次非球面：旋转对称的多项式非球面是在一个球面（或是用二次曲面确定的非球面）基础上加上一个多项式的增量来描述的。偶数次非球面仅用径向坐标值的偶数次幂来描述非球面。标准基面用曲率半径和二次曲面系数确定。面型坐标由公式（１４－１６）确定式中，ｒ为径向坐标，α１～α８为高次非球面系数。奇数次非球面：奇数非球面与偶数非球面相似，只是采用径向坐标ｒ值的奇数次幂来描述非球面。面型坐标由公式（１４－１７）确定上一页下一页返回14.4非球面成像特性

式中，β１～β８为高次非球面系数。双曲率面：双曲率面由ＹＺ平面内定义的一条曲线绕平行于Ｙ轴的轴旋转且与Ｚ轴相交而生成。定义双曲率面需要ＹＺ平面中的基底半径、二次曲面常数和多项式非球面系数。ＹＺ平面的曲线定义由公式（１４－１８）表示，即式中，α１～α８为高次非球面系数。这条曲线与偶数次非球面方程相似，只是这里省略了１６次方项，且方程中的自变量为ｙ，不是ｒ。然后这条曲线绕到顶点的距离为Ｒ的轴旋转，Ｒ为旋转半径，可正也可为负。如果要描述一个在Ｘ方向为上一页下一页返回14.4非球面成像特性

平面的柱面透镜，只需令α１为０即可，ＺＥＭＡＸ认为半径无穷大。如果ＹＺ面内的半径设为无穷大，则认为在Ｘ方向有光焦度、在Ｙ方向无光焦度，因此可以在Ｙ或Ｚ任意方向上描述柱面。其他α参数用于设定任意的非球面系数。如果要求一个在Ｘ方向的非球面，那么用两个坐标变换面将系统绕Ｚ轴旋转即可。双二次曲面：双二次曲面与双曲率面相似，只是二次曲面常数以及Ｘ、Ｙ方向的基底半径值可能不同。双二次曲面可以直接定义Ｒｘ、Ｒｙ、ｋｘ和ｋｙ。双二次曲面的坐标方程为式中，上一页下一页返回14.4非球面成像特性

Ｘ方向的半径值如果设为０，则Ｘ方向的半径值被认为是无穷大。二、非球面的特性非球面在光学系统校正像差中具有显著的优点，它增加了自变量，校正像差的能力得到加强，因此有可能获得更好的成像质量或在保持成像质量不变的情况下简化系统。非球面在系统中的位置对校正像差的影响是有差别的，一般来说，非球面接近系统的孔径光阑对校正系统的球差是有利的，而如果非球面位置远离孔径光阑，则有利于校正系统的轴外像差。但是非球面表面各处曲率的变化率大、不具有旋转对称性，传统的光学设计方法、数控加工技术很难在精度及效率上满足要求。上一页下一页返回14.4非球面成像特性

球面光学零件通常采用样板来检验光圈，方便简捷，精度很好，而光学非球面的检验不像球面那样容易实现，一般不能用样板法。非球面的检测主要有如下方法：（１）接触法测量。例如采用三坐标测量仪来进行测量。这种测量方法采用直接接触进行逐点测量，相对来说，测量的效率比较低，容易损伤被测面，测量精度也不高。（２）非接触法测量。这类方法包括激光扫描测量法、阴影法、干涉法等。激光扫描测量法易于实现仪器化，控制比较简单。采用刀口仪来进行阴影法测量需要较好的测量技术和测量经验，不能完全定量，只能确定一个范围，测量效率比较低，但其设备简单、直观，适用于现场检测。干涉法测量可以做到灵敏度高，随着补偿镜、计算全息、上一页下一页返回14.4非球面成像特性

移相、外差、锁相、条纹扫描等先进技术的出现，这种测量方法或将成为非球面检测的主要方法。光学非球面的加工方法通常有：（１）去除加工法：包括研磨法、磨削法、切削、离子抛光法等。（２）模压成型法：包括热压成型法、注射成型法、浇铸成型法。（３）附加法：包括镀膜法、复制法。（４）复合法：由玻璃球面镜和树脂非球面镜复合而成。在光学系统的设计过程中，是全部采用球面还是部分采用非球面，采用多少非球面合适，需要设计者根据具体情况具体分析。球面的加工和检验简单，成本低，但校正像差的能力低，因此系统中可能会使用上一页下一页返回14.4非球面成像特性

较多的透镜，系统比较复杂；采用非球面，可以增加校正像差的自变量，同时也会增加校正像差的能力，但是非球面的加工和检验比较复杂，加工成本高昂，而且加工的精度有可能达不到要求，甚至由于加工的误差抵消掉采用非球面所带来的好处。如果使用非球面使得系统大为简化、外形体积和重量大大减小，以上代价都是值得付出的。三、反射二次非球面的应用反射式光学系统有很多优点，例如没有色差，适合于紫外、可见和红外等宽光谱情形；反射式光学系统口径可以做得很大，而折射式光学系统口径不可能做太大；同时，反射式光学系统可以折叠光路，在系统不太长的外形下，焦距可以很长，而对于折射式系