Приёмники оптического изображения


Детальная информация шлюхи ростова на нашем сайте.

ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ


     ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Рассмотренные выше фотоприемники регистрируют оптичес­кое излучение, попадающее на приемный элемент, как целое. Для регистрации оптического изображения, его последующей обра­ботки и передачи электронными методами необходимо прово­дить поэлементный прием. Современные методы микроэлектро­ники позволяют сформировать на одном кристалле пленарную структуру в виде сетки фотодиодов с количеством элементов 1000 х 1000 и более. Если на такой многоэлементный фотоприем­ник спроектировать оптическое изображение, то сигнал в каждом элементе будет пропорционален освещенности в данной точке. Весь вопрос заключается в том, каким образом снять сигнал с каждого из элементов и как осуществить последовательное сканирование (выборку) этих элементов. В качестве примеров успешного решения этого вопроса рассмотрим: а) передающие телевизионные трубки типа «видикон» и

б) фоточувствительные приборы с переносом заряда. Видикон, плюмбиконы и кремниконы. Это электровакуумные приборы, представляющие собой электронно-лучевую трубку, мишень которой изготовлена из фоточувствительного матери­ала. Они предназначены для конверсии оптического изображения в электрические сигналы и наиболее часто применяются как передающие телевизионные трубки. Схема трубки типа «видикон», поясняющая принцип ее работы, приведена на рис. 11.21. Оп­тическое изображение с помощью объектива формируется на тонкой фоточувствительной мишени. Эта мишень со стороны изображения покрыта электропроводящим слоем, прозрачным для оптического излучения (обычно SnO2). На этот слой через нагрузочное сопротивление Rн подается положительный потенци­ал Uраб порядка +50 В относительно катода. С противоположной стороны мишень сканируется электронным лучом, который упра­вляется с помощью обычных фокусирующих и отклоняющих систем аналогично тому, как это делается в электронно-лучевой трубке. В рабочем режиме мишень действует подобно конден­сатору с утечкой.


При отсутствии освещения сопротивление ра­бочего слоя велико и электрический заряд накапливается на противоположных обкладках конденсатора. Со стороны элект­ронного луча потенциал обкладки будет равен потенциалу като­да, т. е. 0, в то время как с противоположной стороны он равен Uраб. При освещении мишени сопротивление фоточувствитель­ного материала уменьшается и конденсатор будет разряжаться. Сопротивления слоев и их толщина подобраны таким образом,чтобы за время сканирования од­ного кадра растекание заряда по площади мишени было невелико. Тогда   разрядка   будет  происхо­дить только в том месте, куда падает свет. Когда электронный луч достигнет «разряженной» об­ласти,  он будет ее дозаряжать, вызывая ток  через конденсатор (рабочую мишень) и через нагру­зочное сопротивление Rн. Сумма протекающего заряда будет зави­сеть от того, насколько разрядил­ся конденсатор, т. е. суммой све­та, падающего в данном месте на фоточувствительную мишень. Электрический сигнал, снимае­мый с нагрузочного сопротивле­ния, пропорционален    протекающему через мишень току, т. е. освещенности мишени в том месте, куда падает электронный луч. Сканируя электронным лучом по поверхности мишени, мы таким образом преобразуем оптическое изображение в электрический сигнал.

Недостатком описанной выше трубки типа «видикон» являет­ся большое значение темнового тока. Этот недостаток отсутству­ет в трубке, получившей название «плюмбикон». Принцип дейст­вия этой трубки такой же, но рабочая мишень «плюмбикона» представляет собой слоистую p-i-n-структуру, изготовленную на основе окиси свинца РЬО (отсюда — название трубки), как показано на рис. 11.22, а. Прозрачный слой SnO2 выполняет роль контакта p-типа. С противоположной поверхности слой РЬО обогащен кислородом, что создает p-тип электропрово­дности. На n-SnO2 подается положительный потенциал Uраб, смещающий p-i-n-структуру в обратном направлении. Поэтому темновой ток мал.

Ширина запрещенной зоны РbО — около 2 эВ.


Поэтому к красному свету с l > 0, 6 мкм этот материал нечувствителен. Для повышения чувствительности в длинноволновом диапазоне до­бавляют тонкий слой PbS (Eg= 0,4 эВ) со стороны мишени, обращенной к электронному лучу.    



Дальнейшее совершенствование мишени привело к замене сплошных фоточувствительных слоев сеткой из кремниевых фо­тодиодов, как показано на рис. 11.22, б. Передающая элект­ронно-лучевая трубка с мишенью в виде кремниевой фотодиод­ной матрицы, предназначенная для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, называется кремниконом. Мозаика p-n-переходов общим числом 106 и более (до 108) изго­тавливается на кремниевой пластине методом диффузии или



ионной имплантацией. На поверхность, обращенную к элект­ронному лучу, наносится тонкая проводящая пленка, предох­раняющая пленку SiO2 от накопления заряда.

На n-область мишени через контактный n+-слой подается небольшое положительное напряжение Uраб~5... 10 В, смещающее p-n-переходы в обратном направлении и заряжающее их емкости. Освещение приводит к появлению фототока и разрядке емкостей p-n-переходов. При сканировании электронным пучком проис­ходит их дозарядка. Протекающий через сопротивление Rн ток формирует видеосигнал, в котором закодировано изображение.

Темновой ток, искажающий видеосигнал, в кремниконе очень мал и находится на уровне 10 нА. Устройство обладает хорошей чувствительностью в спектральном диапазоне 0,4...0,9 мкм.

Отметим, что все рассмотренные выше мишени как прием­ники оптических изображений работают в режиме накопления. Типичная длительность кадра tк=(1/25) с, а длительность цикла опроса t0 на 2 — 3 порядка меньше. Это позволяет повысить чувствительность приемника.

Основные недостатки рассмотренных выше приемников изоб­ражений типа «видикон» характерны для всех электровакуумных приборов и связаны с необходимостью вакуумирования, а также использования больших ускоряющих напряжений UA и сравните­льно больших мощностей для управления электронным пучком.


Этих недостатков лишены полностью твердотельные приемники оптических изображений, основанные на использовании эффекта переноса заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Приемники изображения на ГОС. Это растровые безвакуумные приемники оптических изображений. Они осуществляют воспри­ятие изображения, его разложение на элементарные фрагменты, поэлементное электронное считывание (сканирование) и форм­ирование на выходе видеосигнала, адекватного изображению. Поэлементное считывание происходит за счет управляемого пе­ремещения макроскопических зарядовых пакетов вдоль полупро­водниковой подложки в приборах с переносом заряда при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов.

Фотоприемник на ПЗС представляет собой специальную фо­точувствительную МДП (или МОП)* — микросхему с регу­лярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика настолько близко друг к другу, что за счет перекры­тия электрических полей соседних электродов внутри полупро­водника становится существенным их взаимодействие. Основу прибора составляет элементарный конденсатор со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-конденсатор). Наиболее часто в качестве полупроводника используется кремний, а функцию диэлектрика выполняет его окисная пленка SiO2.



 На рис. 11.23, а изображен такой МОП-конденсатор: металличес­кий электрод, нанесенный на термически окисленную подложку из p-кремния. Если к металлическому электроду приложить поло­жительное напряжение Uo относительно p-подложки, то на гра­нице раздела SiO2-Si образуется потенциальная яма для неоснов­ных носителей заряда (электронов). Распространение потенци­альной ямы вдоль границы раздела, т. е. вдоль поверхности кремния, ограничивается специально созданными р+-областями полупроводника, имеющими тот же тип проводимости, что и подложка, но степень легирования на несколько порядков выше. Их называют областями стоп-диффузий. Ограничение обеспечивается тем, что в низкоомных областях стоп-диффузий поверхностный потенциал на границе раздела близок нулю (рис. 11.23, б). При воздействии света с hw>Eg возникающие в полу­проводнике неосновные носители заряда (электроны) собираются в потенциальной яме вблизи границы раздела и образуют инвер­сионный слой толщиной порядка 10 нм.


Это пояснено на рис. 11.23, в. Процесс идет аналогично тому, как это происходит в фотодиоде, с той разницей, что сквозному движению носителей заряда препятствует потенциальный барьер на границе диэлект­рик — полупроводник. Поэтому в потенциальной яме накапливается заряд Q, который пропорционален интенсивности и времени воздействия света. При увеличении заряда Q в яме поверхност­ный потенциал уменьшается, как это показано сплошной линией на рис. 11.23, б. Обедненная область схлопывается, а емкость электрод — подложка увеличивается.

Таким образом, в течение промежутка времени, меньшего времени релаксации, МДП (МОП)-конденсатор может служить запоминающим элементом для аналоговой информации. Это прибор динамического типа, а носителем информации в нем является зарядовый пакет, который определяется интегралом от светового потока по времени накопления с учетом разрядки за счет процессов рекомбинации и возможных утечек.

Пусть теперь два МДП-конденсатора, изготовленные на об­щей подложке с общим диэлектрическим слоем, расположены настолько близко друг к другу, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы взаимодействуют («связы­ваются»). Тогда подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где выше значение поверхностного потенциала, т. е. где глубже яма. Если изменять потенциал во времени, то заряд будет перетекать в наиболее глубокую часть потенциальной ямы. В этом и состоит идея управляемого перено­са заряда от одного электрода к другому. Она проиллюстрирова­на на рис. 11.24 на примере ставшей классической трехкратной (трехфазной) схемы.

Электроды в ПЗС-фотоприемной матрице располагаются в виде линейки (строки) или матрицы, как показано на рис. 11.24, а. Зазор между электродами 1...2 мкм и менее. Число электродов в линейке обычно 5 • 102...2-103, а в матрице может достигать 106 и более. Электроды изготавливаются из алюминия или полик­ремния (для улучшения прозрачности). Одна строка от другой в матричном приемнике отделяется узкими областями p+-стоп-канальной диффузии.


Одна элементарная ячейка фото­ приемника на ПЗС включает три соседних электрода одной стро­ки, обозначенные Э1 — ЭЗ на рис. 11.24, а. Каждый из однотип­ных электродов подсоединен к своей шине тактового питания. Функцию фотоприемника выполняет одна структура, например, первая. Две другие служат для считывания, коммутации и вывода сигнала.

В течение первой фазы (диаграмма «а» на рис. 11.24) проис­ходит прием оптического сигнала в каждой из Э1-структур. К электроду 1 прикладывается положительное напряжение сме­щения Uo около 10...20 В. За это время в каждой из Э1-структур происходит накопление заряда пропорционально освещенности в данной точке.

Во время второго цикла (диаграмма «б») к электроду 2 при­кладывается напряжение считывания исч>и0. Происходит перетекание накопленного зарядового пакета в более глубокую поте­нциальную яму, т. е. под электрод Э2.

Во время третьей фазы (диаграмма «в») потенциал с электро­да 1 снимается и заряд полностью перетекает под электрод Э2. Третий электрод ЭЗ играет роль буфера, обеспечивающего одно­направленное перемещение заряда. Если бы он отсутствовал, то зарядовый пакет из ячейки Э1 мог бы равновероятно перетекать как вправо, так и влево.

Итак, зарядовый пакет перенесен на один шаг вправо и подго­товлен к следующему перемещению. Чтобы переместить его на полную ступень (элементарную ячейку), надо произвести три переноса из ямы в яму, для чего требуется три отдельных так­товых импульса, как показано на временных диаграммах рис. 11.24, г.

В конце каждой строки имеется элемент вывода, не показан­ный на рис.  11.24. Таким элементом может быть, например,



n+-область под последним электродом. Когда очередной зарядо­вый пакет достигнет этой области, он свободно пройдет через р-п+-переход, создавая на нагрузочном сопротивлении выходной сигнал. Таким образом все зарядовые пакеты могут детектиро­ваться с помощью единственного выходного диода, изготовлен­ного на той же подложке.


В этом состоит одно из существенных достоинств приборов с переносом заряда.

Для удобства технической реализации перечисленных выше функций обычно их пространственно разделяют, для чего имеют­ся секции накопления, хранения и выходной регистр. Единичный кадр возбуждается в секции накопления (Э1) в течение 1/25 или 1/30 с (ТВ-стандарты), затем быстро (10~4...10~7 с) параллельно сдвигается в секцию хранения, из которой в течение времени накопления последующего кадра последовательно построчно пе­реносится в выходной регистр. Обычно применяют два способа считывания из секции накопления: строчно-кадровый, при кото­ром зарядовый пакет пробегает всю строку, и адресный или координатный, при котором зарядовый пакет от каждого элемен­та матрицы накопления передается в соседний с ним элемент матрицы хранения. В последнем случае обе матрицы как бы вставлены друг в друга. Такие структуры называют фоточувст­вительными приборами с зарядовой инжекцией.

Зарядовый пакет сохраняется ограниченное время (порядка 10-1...10-3 с). Рекомбинация и захват электронов на объемные и поверхностные центры приводит к искажению хранимой ин­формации. При передаче зарядового пакета из ячейки в ячейку также происходит некоторая потеря информации вследствие вза­имодействия электронов зарядового пакета с поверхностными ловушками, а также неполного перетекания зарядов. Для умень­шения этих нежелательных эффектов применяют ряд мер как в системе электрического питания устройства, так и при его технологическом исполнении. Кроме рассмотренной на рис. 11.24 простейшей структуры типа приборах поверхностным каналом и одноярусным расположением электродов, существует много других разновидностей матричных фотоприемников на ПЗС, в том числе поверхностные фоточувствительные ПЗС с двух-и трехъярусным расположением электродов, фоточувствитель­ные ПЗС с объемным (скрытым) каналом и др. Принцип их работы остается аналогичным рассмотренному выше.

Твердотельные приемники изображения делятся на две груп­пы: линейные (однострочные) и двумерные (матричные). Для получения двумерного изображения с помощью линейного при­емника нужно применять механическое сканирование, например, вращающимся зеркалом.


В матричных фотоприемниках накопле­ние заряда происходит в течение всего времени кадра, поэтому их фоточувствительность выше, чем линейных приемников, где вре­мя накопления заряда ограничено проходом одной строки. Современные матричные приемники оптических изображений на основе ПЗС характеризуются следующими основными парамет­рами: напряжение питания (амплитуда рабочих импульсов) — 10...30 В; фронты управляющих трапецеидальных импульсов — 0,01...0,1 мкс; максимальная тактовая частота — (1...50) МГц; относительные потери при единичном акте передачи — 10-3...10-5; минимальная (пороговая) экспозиция, различимая на фоне шумов,— (0.1...1) нДж/см2; динамический диапазон ~60 дБ; плотность темнового тока — (5...20) нА/см2; чувствительность S= 0,1...0,4 А/Вт в спектральном диапазоне — 0,4... 1,1 мкм для кремниевых приборов; разрешающая способность — (10...50) лин/мм. Основные области применения матричных фотоприем­ников на ПЗС — это телевизионная техника, распознавание об­разов, оптические измерения, фототелеграфия, ночное видение и т. д.


Содержание    Вперед