Преобразователи изображения с зарядовой связью

Преобразователем изображения с зарядовой связью (ПИ 3С) (приемниками изображения с зарядовой связью) называются такие функциональные устройства, которые для преобразования изображений в электрические видеосигналы используют фоточуствительные ПЗС. В которых заряды в ячейках создаются не благодаря инжекции через прямо смещен р-n-переход неосновных носителей, а путем локального освещения поверхности полупроводника.

Назначения. ПИ 3С предназначены для преобразования изображений в видеосигналы, передачи их по каналам связи.

Классификация. ПИ 3С делятся на две группы: одномерные (линейные) и двухмерные (матричные). Линейные ПИ 3С содержат один ряд фоточувствительных ПЗС и передают по каналам связи одномерное изображение (например, уровень жидкости в баке). Матричные ПИ 3С имеют много рядов фоточувствительных ПЗС, скомпонованных в матрицу, и передают по каналам связи двумерное изображение предмета (например, плоское изображение жидкости в баке).

Строение. ПИ 3С, как и ЗУ 3С являют собой набор МДП-структур, сформированых на одной фоточувствительной полупроводниковой пластине (рис. 1 а, б, в). В ней, как и в ЗУ 3С, полоски металлических электродов образуют линейную или матричную структуру, в которой расстояния между соседними электродами малы по сравнению с шириной электродов. Видно, что ПИ 3С отличается от ЗУ 3С тем, что в них вместо электрического есть оптический вход. Все остальные элементы ПИ 3С, включая и выход, аналогичные элементам ЗУ 3С. Матричные ПИ 3С строятся по тем же принципам, что и линейные. В них, как правило, элементы накопления и считывания разделены. Как и в линейных ПИ 3С, в матричных применяют сдвижные регистры для выборки инфорформации с матрицы фоточувствительных МДП-элементов. Чтобы использовать все преимущества ПЗС, заряду пакеты должны сдвигаться к одному выходному диоду. Реальные ПУ 3С имеют более сложную структуру. На рис 1, г приведена структурная схема цветной передающей камеры, изготовленной на трех полноформатных ПЗС.

Работа. Функционирование ПИ 3С основано на явлении преобразования светового потока в электрический заряд, передачи его в виде зарядового пакета по каналам связи и последующем считывании его величины. В ПИ 3С передача зарядового пакета по каналам связи, его детектирования на выходе происходит подобно тому, как в ЗУ 3С. Отличие заключается в способе инжекции неосновных носителей. В ПИ 3С используют фотонную инжекцию. Направлено введение фотонами в полупроводник неосновных носителей возможно лишь при условии, что энергия фотонов Безымянный является большей ширины
запрещенной зоны Безымянный, то есть
Безымянный
Для кремния, одного из самых распространенных материалов ПИ 3С, энергия светового кванта должна быть больше 1,12 эВ.

Структура линейного ПИ 3С

Структура линейного ПИ 3С

Рис. 1. Структура линейного ПИ 3С: а — ввод информации: б — передача информации; в — вывод информации в линейных устройствах; г — структурная схема цветной передающей камеры на трех полноформатных ПЗС: 1 — объектив; 2..4 — каналы В, G, R соответственно; 5 — светлодольная призма; 6 — матрица ПЗС; 7 — секция накопления; 8 — формирователь импульсов секции накопления; 9 — секция памяти; 10 — формирователь импульсов секции памяти; 11 — выходной регистр сдвига; 12 — выходное устройство; 13 — предварительный усилитель; 14 — формирователь импульсов выходного регистра; 15 — синхрогенератор; 16 — импульсы управления каналов

 В полупроводниковых передающих камерах, построенных на линейных (однорядовых) ПЗС, предназначенных для передачи кинофильмов, кадровая развертка осуществляется за счет движения кинопленки в вертикальном направлении. каждый
кинокадр проектируется один раз последовательно, строка за строкой (порядковая развертка). Для формирования телевизионного сигнала в соответствии с чересстрочной развертки сигналы с ПЗС поступают на ЗУ с объемом памяти один кадр, где и записываются в цифровом виде. Информация считывается в два приема: сначала нечетные строки, а после парные. Управление системами движения пленки, сканирования ПЗС записи и считывания сигналов с ЗУ происходит с помощью микропроцессоров. Что касается работы цветной передающей камеры, то в ней изображение объекта проецируется на светодельный блок, который разделяет световой поток на три составляющие. Основным элементом каждого из трех каналов является матрица ПЗС 6 (рис. 1, г). Она превращает распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда, который создает потенциальный рельеф секции накопления 7. После этого во время следования кадрового тушащего импульса, все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны хранения, которые экранированы от светового потока (секция памяти 9). В течение следующего периода накопления при следовании строчных гася импульсов заряды построчно перемещаются с секции памяти 9 до выходного регистра сдвига 11. В нем в период активной части строки заряды продвигаются к исходному устройству 12, образованного МОП-структурами. Итак, на выходе матрицы образуется телевизионный сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной величины, пропорциональной освещенности элементов секции накопления 7.
Перемещение зарядов в матрице ПЗС 6 (развертка изображения) осуществляется с помощью тактовых импульсов синхрогенератора 15 которые образуются в формирователь импульсов секций накопления 8, памяти 10 и выходного
регистра 14.

Свойства. Одним из важнейших параметров, который характеризует свойства ПИ 3С, является светочувствительность. Она определяется коэффициентом поглощения, характеризующий интенсивность поглощения фотонов с образованием
электронно-дырочных пар. Коэффициент поглощения зависит от длины волны света Безымянный падает. Он резко уменьшается с увеличением длины волны, так как при этом уменьшается энергия кванта.
Безымянный

где с — скорость света

С уменьшением длины волны сильно возрастает поглощение коротко волновых квантов света в тонком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация генерируемых светом носителей. Длинноволновая граница спектральной чувствительности определяется шириной запрещенной зоны полупроводников. Для кремния она составляет 1100 нм. Коротковолновая граница лежить в диапазоне 400 … 500 нм. Если считать, что все генерируемые светом носители собираются в потенциальней яме и создают в ней зарядовых пакет, то величина накопленного в нем за время генерации Безымянный под действием светового потока Безымянный заряда Безымянный определяется с выражения:

Безымянный

где 0 — квантовый выход; — эффективная площадь ячейки, которая воспринимает свет. Видно, что величина накопленного заряда пропорционально светового потока (или освещенности элемента изображения) и времени действия света. Оценка по
помощью этой формулы фоточувствительности кремниевых ПИ 3С дает величину около 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шум примерно в 2 раза, составляет для них ≈ 10-4 лк.с. ПИ 3С компактны, просты в изготовлении, имеют высокое разрешение (≈ 30 линий/мм), потребляют незначительную мощность, механически более прочные и менее чувствительны к вибрации по сравнению с их вакуумными аналогами — телевизионными передающими камерами. Они отличаются слабой чувствительностью к внешним электромагнитным полям, надежностью и сравнительно большим сроком службы. Заряду пакеты этих ФУ, как и заряду пакеты ЗУ 3С, могут детектироватся с помощью единой статистической неоднородности в виде р-n-переходу. В результате этого увеличивается отношение синал/шум и улучшается изображение. Техническое видение, реализованное на этих ФУ, позволяет бесконтактным способом с высокой точностью (≈ 0,01%) измерять перемещения и геометрию объектов. Уже изготавливаются функциональные ПИ 3С с количеством элементов расписания 300×300, 500×500 и больше. Разработанные ПИ 3С, которые соответствуют действующим государственным стандартам. Они работают при тактовой частоте Fт = 6 … 15 МГц и имеют количество ячеек, которая зависит от вида ПИ 3С: линейные — 1024 и 2048 штук; матричные — 288×232 и 576×380 штук. В передающих камерах на твердотельных фотоэлектрических преобразователях, построенных на ПЗС, отпадает необходимость коммутации элементов мозаики внешним электронным лучом, а следовательно, и наличия термокатодом, электронной оптики, отклоняющей системы, вакуумной колбы, высоковольтных источников питания и мощных выходных каскадов разверток — генераторов тока. Все это приводит к значительному уменьшению габаритов, массы и потребляемой мощности, а также к существенному повышению надежности. Наличие отдельных секций накопления и памяти и сравнительно быстрый перенос зарядов из первой секции во вторую позволяет устранить специфические искажения изображения типа «инерционность».

Применение. Функциональные ПИ 3С применяют для изготовления твердотельных передающих телевизионных камер, средств технического видения, которые позволяют автоматически распознавать символы, бесконтактным способом измеривать перемещения и геометрию объектов, выполнять автоматическое фокусирования в кино-, видео- и фотокамерах, вводить информацию в компьютер с голограмм.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*