第15卷第5期高等函授学报(自然科学版)Vol.15No.52002年10月JournalofHigherCorrespondenceEducation(NaturalSciences)October2002文章编号:1006-7353(2002)05-0020(07)-04关于数码相机图像传感器的工作原理李郁(湖北广播电视大学网络学院武汉430074)摘要:本文讨论了数码相机的核心部件:图像传感器(CCD、COMS)的光电转换、电荷贮存、电荷转移三个基本功能。这是认识数码相机成像原理的基础。关键词:数码相机;成像原理;CCD;CMOS中图分类号:TP212.9文献标识码:A数码相机是一种高科技产品。它集中了传感器有两种:一种称为电荷耦合器件光学技术、传感技术、微电子技术以及计算机(ChargeCoupleDevice),缩写为CCD;另一技术。在市场上数码相机的品种繁多,型号种称为互补金属氧化物半导体(Complemen各异,但其基本原理都可用图1来概括。taryMetalOxideSemiconductor),缩写为CMOS。1电荷耦合器件(CCD)CCD电耦合器件,是一种能将光转变为电的半导体器件。当它用在数码相机中时,具有光电转换、电荷贮存以及电荷转移三个基本功能。图1数码相机结构示意图1.1CCD的电荷贮存功能数码相机的成像过程可以概括如下:镜CCD的一个基本单元如图2所示。在头将被摄景物的光学影像成像在图像传感器(CCD或CMOS)的表面上;图像传感器将光学影象转换成电荷影像,接着转换成图像信号;图像信号又经过A/D转换器转换成数字图像信号;数字图像信号再经过微处理器处理变成一定格式的数字图像文件;文件储存在内置存储器或可移动存储卡中。从液图2CCD的基本单元晶显示屏上可观察到拍摄的图像。经过数码半导体(例如P型半导体)衬底上制作一层相机的输出接口可将数字图像文件传送到计二氧化硅绝缘层,在绝缘层上再制作一层金算机中,由显示器显示,也可以经过图像处理属(铝)电极。当我们在电极上加上正偏压软件处理,最后用打印机打印成图片。(如果衬底是N型半导体,则加上负偏压)数码相机最核心的部件是图象传感器时,金属极板带正电荷,P型半导体中带正电(ImageSensors)。目前用于数码相机的图像的多数载流子空穴受到极板上正电荷的排斥收稿日期:2002-04-1820第15卷第5期高等函授学报(自然科学版)Vol.15No.52002年10月JournalofHigherCorrespondenceEducation(NaturalSciences)October2002而远离金属极板,从而在金属极板的下方形没有电荷,此时处于t=t1时刻。这时V1为成了一个无空穴区,这个区中只有少数载流子电子而带负电,这个区域称为耗尽层。金属极板、绝缘层和半导体层,它们看起来很像一个平行板电容器,它具有电容器贮存电荷的基本功能,而且极板上所加偏压越高,它贮存的电荷越多,所以CCD有贮存电荷的功能。1.2CCD的光电转换功能普通电容器的两个极板都是金属导体,图4时钟脉冲波形而CCD的电容有一个极板是半导体。与金高电平,V2、V3为低电平,1号和4号电容接属导体内部存在大量自由电子不同,半导体高电平,电极下形成耗尽区,也可以形象化地在常温和黑暗环境中基本上是绝缘的,也就称做势阱,电荷就落入势阱中,如果我们把电是说它的内部可以导电的载流子非常少。但荷比作水,那么势阱就相当于一个水盆。若用光照射半导体衬底时,半导体就会产生大量的电子空穴对,其导电性随之大大地增强了。所以当光照射时,加有偏压的CCD电容就能存储许多电荷,实验表明,CCD的电容在一定偏压下所存储的电荷量与入射光强度成正比,光线越强,存储的电荷就越多。这就实现了CCD的光电转换功能。通常CCD的单元电容也被称为光电二极管。1.3CCD的电荷转移功能图5电荷在CCD中的转移那么,CCD又是如何实现电荷的转移功在时刻t2,V1、V2都是高电平,此时1能呢?要实现这个功能就要把CCD上的一号、2号及4号、5号电极下都形成势阱,且个个电容按一定的方式连接起来。图3表示1、2号电容和4、5号电容的势阱分别连通到一起,电荷数量未变,电荷在势阱中均匀分布。就与水在水盆中的情况相似,如图5中的b所示。在时刻t3,V1、V3为低电平,V2为高电平。1号、4号电容因处于低电平,所以它们的势阱消失,只有2号、5号电容处于高电图3CCD的一种连接方式平,其势阱仍然保留,所以电荷就保留到2的是一种连接方式