全媒体制播技术中的光电转换原理

光电转换过程也就是摄像过程，其工作原理与所使用的摄像材料有关。摄像材料可分为两大类，即摄像管和CCD器件。摄像管曾有过辉煌的历史，但20世纪80年代之后，以CCD为代表的摄像器件进入实用阶段，这种摄像器件无须电子束的扫描就能实现光电转换，而且在体积、重量、功耗等性能方面都明显优于摄像管。

1.摄像管工作原理

摄像管主要利用了光电靶的作用和电子束的扫描来实现光电转换。摄像管的种类很多，应用较广的是光电导管，其结构如图3-2所示。

图3-2　摄像管的结构

这是一种电真空器件，在其圆柱形玻璃外壳内主要包含了光电靶和电子枪两个部分；在玻璃外壳外部有偏转线圈、聚焦线圈和校正线圈。

电子枪的作用是产生一束聚焦很细的电子束，射向光电靶，在外加偏转磁场的作用下扫描光电靶上的电图像，形成图像信号电流输出。电子枪由罩在真空玻璃管内的灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极、网电极等组成。

光电靶的作用是将光学图像变成电子图像，然后通过电子束的扫描变成电信号。光电靶的结构如图3-3所示。

图3-3　光电靶的结构

其中，光敏材料有一个特性，那就是在无光照时具有极高的电阻率，受光照以后电阻率会下降，而且电阻率的变化与光通量成正比。于是，当被摄的光学景物成像于光电靶上时，由于光学图像各部分的亮度不同，靶面上各处的电阻率也不同，图像亮处电阻小，图像暗处电阻大，这样就在靶面上形成了一幅与被摄光学图像明暗分布相对应的电阻大小的分布图案，即电子图像。

管外的聚焦线圈用来控制电子束的直径，使电子束不致沿径向分散，从而保证摄像管有较高的分解力。偏转线圈有两对，分别用来产生水平偏转磁场和垂直偏转磁场，使管内的电子束在前进过程中实现水平和垂直方向的扫描。校正线圈的作用是保证电子束沿管轴方向运动。

摄像管进行光电转换的基本工作原理如图3-4所示。

图3-4　电子束扫描光电靶示意图

当电子束沿水平方向在靶上一行一行地扫描时，相当于将靶面分解成许许多多彼此独立的靶单元，也就是像素单元。每个靶单元等效于一个光敏电阻R和一个电容C的并联。当电子束扫描到一个靶单元时，相当于将这一单元与电子枪的阴极接通，于是，信号板、靶单元、阴极、靶电源及负载电阻就构成了一个闭合回路。摄像时，外界的光学景物通过摄像机的光学镜头成像于光电靶上，形成一幅电子图像。当电子束按一定顺序在靶面上扫描时，就会轮流接通各个靶单元，形成闭合回路。于是，对应于图像上的亮点，靶单元的等效电阻小，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流大，在负载RL上产生的压降就大，输出电压就小；反之，对应于图像上的暗点，靶单元的等效电阻大，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流小，在负载RL上产生的压降就小，输出电压就大。这样一来，输出信号电压的变化完全反映了图像亮暗的变化，这一信号就称为图像信号。这样就完成了将电子图像转换成电信号的过程。

2.CCD工作原理

CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的英文简称。CCD器件出现于20世纪70年代，由于其良好的性能，很快就得到了广泛的应用，已在很多领域取代了摄像管。CCD是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，其单元结构如图3-5所示。

图3-5　CCD的单元结构

在P型（或N型）半导体硅衬底上有一层很薄的二氧化硅绝缘层，绝缘层上按一定排列方式沉积了一组金属铝电极，如图3-5（a）。

（1）CCD的电荷存储功能

CCD器件具有电荷存储功能。在外界光照射下，CCD中的硅衬底会产生电子-空穴对，这时若在铝电极上加一个正电压，它所形成的电场就会穿过二氧化硅层排斥硅衬底中的多数载流子（空穴），并吸引少数载流子（电子）。于是，就在硅和二氧化硅的界面附近得到了一个存储少数载流子（电子）的势阱。铝电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，这就是CCD器件的电荷存储功能，如图3-5（b）、（c）。

（2）CCD的电荷转移功能

CCD器件的电荷转移功能需要在外加脉冲信号的驱动下完成。这里以三相时钟脉冲驱动为例，说明其电荷转移原理，如图3-6所示。

图3-6　CCD电荷转移原理

在t1～t2期间，时钟脉冲V1为高电位，V2、V3为低电位，这时在1、4电极下形成的势阱最深，电子存储于此，形成电荷包。在t2～t3期间，V1开始减小，V2为最大值，这时1、4电极下的势阱开始变浅，而2、5电极下的势阱最深，于是1、4电极下电荷包中的电子开始向2、5电极下的势阱转移。到t3时刻，转移全部完成，相当于电荷包右移一个势阱。在t3～t4期间，V1和V3为低电位，V2为高电位，电荷包存储在2、5电极下的势阱中。在t4～t5期间，电荷包又从V2各电极下的势阱向V3各电极下的势阱转移，到t5时刻，转移完毕，电荷包又右移了一个势阱。依此类推，每经过一个时钟周期T，电荷包右移三个势阱。当时钟脉冲按顺序依次排列时，就可保证电荷包做定向移动，实现电荷的转移。(www.xing528.com)

CCD摄像器件的工作原理可简单概括如下：在CCD摄像器件的感光面上，分布有几十万甚至几百万个独立的铝电极，各自对应一个像素和势阱。摄像时，外界的光学景物通过摄像机的光学镜头成像于CCD的感光面上，使CCD内部产生电子-空穴对。其中，少数载流子被电场吸引到势阱中，形成电荷包。电荷包中电荷的数量与该处的光照强度成正比，这样就把景物的亮暗变成了电荷包中的电荷多少，也就是将光学图像变成了由电荷包中电荷的多少来描述的电子图像，完成了光像到电像的转换。随后，在外加时钟脉冲的驱动下，各个势阱中的电荷包按一定顺序从CCD中转移出去，形成图像信号输出到外电路。

（3）CCD的电荷转移方式

对电荷进行转移并最终形成图像信号的过程可通过几种不同方式来完成，即行间转移、帧间转移、帧行间转移方式。

行间转移式CCD的结构及转移原理如图3-7所示。

图3-7　行间转移CCD结构及原理

这种CCD的面阵上按水平和垂直方向排列有各自独立的感光单元，每个感光单元相当于一个像素。每列感光单元的右侧有遮光的垂直移位寄存器，最上面有遮光的水平移位寄存器，它们都制作在同一个硅基片衬底上。

行间转移的工作原理是：在每个场正程期间，感光部分按像素数对景物进行分解，并以电荷包的形式在CCD内部形成电子图像；在场逆程期间，全部电荷包迅速从感光列转移到其右侧的垂直移位寄存器中。在下一个场正程期间，一方面感光部分产生新的电子图像，另一方面上一场的电荷包在垂直移位寄存器中一行一行地向水平移位寄存器转移。在每个行逆程期间，向水平移位寄存器转移一行电荷包；在每个行正程期间，电荷包从水平移位寄存器逐一向输出端转移，在外电路上形成信号电流或电压。

帧间转移式CCD的结构及转移原理如图3-8所示。

图3-8　帧间转移CCD结构及原理

这种CCD的面阵结构由感光区（成像区）和存储区构成。感光区可感光，产生电子图像。感光单元也是按行和列排列，只不过各列之间没有垂直移位寄存器。存储区表面被遮住，因此无法感光，但其像素数目与感光区相同。存储区上方有水平移位寄存器。

帧间转移的工作原理是：场正程期间，感光区形成以电荷包形式存在的电子图像；场逆程期间，全部电荷包从感光区转移到存储区，并存储在那里。在下一个场正程期间，感光区产生新的电子图像，而存储区则将上一场的电荷包逐行转移到水平移位寄存器中。接下来的过程与行间转移式CCD相同，在行逆程期间向水平移位寄存器转移一行电荷包，在行正程期间，电荷包从水平移位寄存器移出，形成电信号。

帧行间转移式CCD的结构及转移原理如图3-9所示。

图3-9　帧行间转移CCD结构及原理

这种CCD也分为感光区和存储区两部分。其中，感光区的结构与行间转移式CCD相同，而存储区的结构则与帧间转移式CCD的存储区结构类似。

帧行间转移的工作原理是：感光区在场正程的成像过程与行间转移式完全相同。所不同的是，在场逆程期间，电荷包从感光单元转移到垂直移位寄存器后，又立即转移到存储区，即在垂直移位寄存器中停留的时间很短。在场正程期间，从存储区一行一行地向水平移位寄存器转移，以后的过程与行间转移式CCD相同。

（4）CCD的电荷输出

电荷包转移到CCD末端时要向外电路输出，并转换成信号电流或信号电压的形式，由外电路进行处理。CCD常用的输出方式为反偏二极管输出方式，即在CCD的两端用扩散的方法形成两个二极管，作为输入、输出二极管。在CCD工作时，输出二极管处于很强的反向偏置状态。当电荷转移到CCD的末端时，由输出二极管收集并形成电信号送往外电路，如图3-10所示。

图3-10　CCD的电荷输出

图3-10中，在电荷转移的最后一个电极V3之后由集成电路工艺生成一个输出栅OG，在其后对二氧化硅绝缘层再开一个窗口，并向窗口表面下浸入N材料，使P型材料衬底间构成一个反偏二极管，作为输出二极管。输出栅上加的电压VOG为恒定值，等于时钟脉冲电压高低电平的平均值；反偏二极管上加的电压V+比较高，故其耗尽层比较厚。当V3电极处于高电平而电荷包转移到其势阱内后，下一个时钟脉冲使V3变成低电平而VOG高于V3，所以电荷包转移到OG电极下的势阱内。又因OG电极旁有更深的反偏二极管势阱存在，故其电荷包立即通过OG下的通道流入二极管的深势阱中。进入二极管的电子电荷都通过电源C流入电源V+，使电容C瞬间充电，充电量大小与瞬间电荷包的电量成比例，从而在电容C下端输出一个负脉冲，脉冲幅度正比于相应像素上的光通量，光通量愈大，负脉冲也愈大。输出端输出的是负极性、离散的图像信号脉冲。在输出每个负脉冲后，复位开关S闭合，这时电容C立刻释放掉充进的电荷，即输出电位跳变到V+位，以便接受下一个电荷包再充电。电容C下端的输出电压直接连接至该CCD硅片内的一个MOS场效应管栅极上，以将输出电压进行放大。复位开关S也是一个MOS场效应管，工作在通断状态，可称为复位管。输出栅OG实际上起到了将V3电极与二极管隔离开的缓冲作用。

3.CMOS摄像器件

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补金属氧化物半导体”，一直被认为是刚刚起步的新技术。其实CMOS也有很长的历史，从20世纪90年代，人们就已经对CMOS进行广泛的研究了。人们早已发现CMOS的一些特有优点，并逐渐开发利用这些优点，将CMOS广泛地用于手机、PDA、单反相机等。

CMOS最早是用在计算机CPU和内存上的，是主板上一块可读写的存储芯片，用于存储计算机系统的时钟信息和硬件配置信息等。随着CMOS技术的发展，CMOS也逐渐应用到摄像机系统中作为成像器，也就是CMOS成像器。由于CMOS成像器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）集成到传感器芯片中，从而继承了CMOS低功耗、小型化的特点，非常适用于灵活性高的便携摄像机。