成像物镜将外界照明光照射下的(或自身发光的)景物成像在物镜的像面上（焦平面）,并形成二
维空间的光强分布(光学图像)。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。图像传感器输出的一维时序信号经过放大和同步控制处理后，送给图像显示器，可以还原并显示二维光学图像。当然，图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守一定的规则，这个规则被称为制式。例如，广播电视系统中规定的规则称为电视制式（NTSC、PAL、SECAM）,还有其他的一些专用制式。按电视制式输出的——维时序信号被称为视频信号；本节主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的原理。
图像传感器的种类很多，根据图像的分解方式可将图像传感器分成三种类型，即光机扫光电图像传感器、电子束扫描图像传感器和固体自扫描图像传感器。
2 固体自扫描图像传感器
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固体自扫描图像传感器是20世纪70年代发展起来的新型图像传感器件，如面阵CCD器件，CM0S图像传感器件等；这类器件本身只有自扫描功能：例如，面阵CCD固体摄像器件的光敏面能够将成像于其上的光学图像转换成电荷密度分布的电荷图像。电荷图像可以在驱动脉冲的作用下按照一定的规则(如电视制)一行行地输出，形成图像信号 (或视频信号)。 上述三种扫描方式中．电子束扫描方式由于电子束摄像管逐渐被固体图像传感器所取代已逐渐退出舞台. 目前光机扫描方式与固体自扫描方式在光电图像传感器中占据主导地位，们是，在有些应用中通过将一些扫描入式组合起来，能够获得性能更为优越的图像传感器、例如，将几个线阵拼接成图像传感器或几个面阵图像传感器拼接起来，再利用机械扫描机构，形成一个视场更大、分辨率更高的图像传感器，以满足人们探索宇宙奥秘的需要。扫描方式有逐行扫描和隔行扫描。
3 图像传感器的基本技术参数
图像传感器的基本技术参数一般包括图像传感器的光学成像物镜与光电成像器件的参数。
(1) 成像物镜的焦距f
成像物镜的焦距决定了被摄景物在光电成像器件上所成像的大小，在景物相同的情况下，焦距越长，所成的像越大。
(2) 相对孔径
成像物镜的相对孔径为物镜入瞳的直径与其焦距之比。相对孔径大小决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成像质量。
(3)视场角2ω
成像物镜的视场角决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积：
以上这二个参数是相互制约的，不可能同时提高，在实际应用中要根据情况适当选择。
二、电荷耦合摄像器件的基本工作原理
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电荷耦合摄像器件CCD的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数以电流或电压为载体的器件，CCD的基个功能是电荷的存储和电荷的转移，因此、CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测；
CCD有两种基本类型：—种是电荷包存储在半导体和绝缘体之间的界面，电荷沿界面转移，这类器件称为表面沟道CCD，(简称为SCCD))。另一种是电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿—定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件，简称为BCCD。下面以SCCD为例，讨论CCD的基本工作原理。
1 电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS(金属—氧化物—半导体)结构：如图2—1(a)所示．在栅极G施加电压之前P型半导体小中的孔穴(多数载流子)的分布是均匀的：当栅极施正电压，此时小于等于P型半导体的阈值电压时，P型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生如图2—1(b)所示的耗尽区；电压继续增加，耗尽区将继续向半导体内延伸，如图2—1(c)所示。当大于后，耗尽层的深度与成正比。若将半导体与绝缘体界面的电势记为表面势，且用表示，表面势将随栅极电压的增高而增高，它们的关系曲线如图2—2所示；图2—2描述了在掺杂为/，氧化层厚度为0.1μm、0.3μm、0.4μm 和0.6μm 情况下，不存在反型层电荷时、表面势与栅极电压之间的关系曲线 从曲线可以看出：氧化层的厚度越薄，曲线的直线性越好：在同样的栅极电压的作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势、表面势表怔耗尽层的深度。
图2-1CCD栅极电压变化对耗尽区的影响
图2—3为栅极电压不变的情况下，表面势与反型层电荷密度新方法之间的关系。由图2—3可以看出。随的增加而线件减小，依据图2—2与图2—3的关系曲线，很容易用半导体物理中的“势阱”概念来解释：电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导体与氧化层的交界面处。是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压的关系恰如与的关系。如图2—4（a）所示的空势阱的情况。
图2—4(b)为反型层电荷填充1／3势阱时表面势收缩的情况；表面势与反型层电荷密度的关系如图2—3所示，当反型层电荷继续增加时，表面势将逐渐减小，当反型层电荷足够多时，表面势减小到最低值2，如图2—4(c)所示：此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢
图2-2表面势与栅极电压的关系 图2-3表面势与反型层电荷密度关系
出现象。这样，表面势作为势阱深度的量度。而表面势又与栅极电压、氧化层厚度d无线收发有关，即与CMOS电容的容量和的乘积有关。做指挥中心控制台
2 电荷耦合
为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观察图2—5所示的四个彼此靠得很近的电极在加不同电压的情况下，势阱与电荷的运动规律。假如开始时有一些电荷存储在栅极电压为10v的第3个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的低电压(例如2v)。如图2—5(a)所示为0时刻(初始时刻)，经过时刻后，各电极上的电压变为如图2—5(b)所示，第一个电极仍保持为10v，第2个电极上的电压由2V变到10V。因这两个电极靠得很近(间隔不大于3m)，它们各自的势阱将合并在一起，原来第1个电极下的电荷变为这两个电极下联合势阱所共有，如图2—5(b)和图2-5(c)所示：若此后各电极上的电压变为如图2—5(J)所示，第1个电极上的电压由10v变为2V，第2个电极上的电压仍为10v，则共有的电荷转移到第2电极下面的势阱中，如图2—5(e)所示：由此可见．深势阱及电荷包向右移动了一个位置。
通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上，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的电极分为几组．每一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲：CCD正常工作所需要的相数由其内部结构决定。图2—5所示的结构需要三相时钟脉冲，其驱动脉冲的波形如图2—5(f)所示，这样的CCD仍称为三相CCD，三相CCD的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移：另外，必须强调指出，CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对于图4、5所示的电极结构来说是一个关键问题；如果电极间隙比较大、两电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，CCD便不能在外部驱动脉冲作用下转移电荷。能够产生完全转移的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证明；为不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应不大干3m，这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化层厚度、表面态密度不向，结果也会不同。但对于绝大多数的CCD，1m的间隙长度是足够小的；
以电子为信号电荷CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD简称为P
型沟通CCD，简称为P型CCD：由于电子的迁移率(单位场强下电子的运动速度)远大于空穴的迁移率，因此N型沟道要比P型沟道CCD的工作频率高很多。
三 CCD的电极结构
CCD电极的总本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入单元结构和信号检测单元结构：这里主要讨论转移电极结构。最早的CCD转移电极是用金属(一般用铝)制成的，如图3—l所示：由于CCD技术发展很快，到目前为止，常见的CCD转移电极结构不下20种，但是，它们都必须满足使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。
1 三相CCD的电极结构
(1)三相单层铝电极结构
CCD衬底一般采用轻掺杂的铝，电阻率ρ为Ω左右,氧化层厚度通常为0.1μm左右。三相单层金属电极结构如图3—2所示：它的特点是工艺简单且存储密度较高。存储‘1’位信息的—个单元只有三个紧密排列的电极，其面积可以做得很小。在常规工艺条件下，CCD移位寄存器的存储面积可以做得比MOS移位寄存器的单元面积小。但是，要在金属氧化层上刻出宽度仅为2—3μm、总长度以厘米计的间隙，在光刻工艺上有相当的难度；为了解决这个问题，可采用“照相腐蚀技术”。该技术能够在单层铝电极系统中开出亚微米量级的间隙，成品率相当高。该技术利用有控制的横向腐蚀和以光致抗蚀剂做掩蔽的定域金属沉积的方法。第一层金属腐蚀时，有控制地进行过渡腐蚀，使光致抗蚀剂覆盖区域边缘受到横间腐蚀，如图3—3(a)所示。第一层金属未被腐蚀的部分形成了每隔一个的第一层电极，垂直沉积的第二层金属形成了其余的电极。光致抗蚀剂的“阴影”产生间隙，其长度就是横向腐蚀深度，如图3-3(b)所示。在这层金属上刻出总线和焊点之后，去除光致抗蚀剂，这时上面的合属也被一起“掀掉”。
不管用什么工艺制造，这种结构有一个明显的缺点，即电极间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下方表面势变得不稳定，影响转移效率：正是由于这个缺点，这种结构很少在实用器件中采用。
(2)三相电阻海结构
为了避免上述结构成品率较低和电极间隙氧化物裸露的问题，并保持结构简单的特点，在多晶硅沉积和扩散工艺成熟的条件下，引进了一种简单的硅栅结构；在氧化层上沉积一层连续的高阻多晶硅。
图3—3(a)
3-3(b)
然后对电极区域进行选择掺杂，形成如图3—3（b）所示低阻区(转移电极)，被高阻区所间隔电阻海结构(市政隔离栏整个转移电极与绝缘机构都采用多晶硅制造，可比喻为电阻的海洋。 引线(包括交叉天桥)和区焊点都在附加的—层铝上形成：这种电极结构的成品率高、性能稳定。不易受环境因素影响：它的缺点是每个单元尺寸较大。这是因为每个单元沿电荷转移沟道的长度包括三个电极和三个电极间隙，它们受光刻和多晶硅局部掺杂工艺的限制而无法做得很窄 因此。电阻海结构不适宜用来制造大型器件。此外．还必须掌握掺杂多晶的电阻值。电阻率必须足够低，以便能够跟得上外时钟波形的变化。但是也不能太低．以免功率损耗太大。
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