Источники и приёмники Излучения, страница 44

На частоте Найквиста амплитуда сигнала составляет приблизительно 64% 197 от максимального значения, соответствующего нулевой пространственной частоте. Вместо ЧКХ иногда удобно пользоваться таким параметром, как разрешающая способность Я, выраженная в числе раздельно разрешаемых линий на единицу длины. Геометрический предел разрешающей способности Л„ = 0,6/Ьх; Яи, = 0,барби Реальное значение Я зависит от контраста изображения, чувствительности ФПЗС, степени взаимного влияния элементов, от искажений зарядового рельефа при переносе, обусловленных ограниченной эффективностью переноса, а также уровнем шумов ФПЗС. Коэффициент взаимного влияния (связи) элементов А„характеризуется отношением напряжения сигнала с неосвещенного элемента к напряжению фотосигнала с соседнего элемента на линейном участке световой характеристики и при номинальном значении питающих и управляющих напряжений.

Коэффициент неэффективности переноса определяется выражением (6.20). При реализации на основе ФПЗС высокоточных оптико-электронных приборов следует принимать во внимание коэффициент относительного разброса чувствительности элементов по рабочей площадке 2 'вв — 8 (Зинт мах Зине мва)ДЗиит твх + Бинт паа). Если ФПЗС использовать в режиме малых освещенностей, необходимо учитывать ограничения допустимого времени накопления, связанные с возможностью заполнения потенциальных ям темновыми зарядами.

Таким образом, одним из существенных параметров ФПЗС является также допустимое время накопления Т,„при заданной температуре кристалла. Помимо перечисленных параметров и характеристик в паспорте ФПЗС указываются также номинальные значения напряжений и уровней сигналов на управляющих электродах. Схемы включения фотоприемников на основе ПЗС-структур. Любой оптико-электронный датчик (ОЭД) на ФПЗС содержит кроме непосредственно фотоприемника формирователь фаз управляющих импульсов (ФФ), преобразователь уровня управляющих сигналов (ПУУС), видеоусилитель (ВУ) и задающий генератор (ЗГ), обеспечивающий синхронную работу всех функциональных узлов.

В зависимости от типа и архитектуры конкретного ФПЗС структурные схемы ОЭД могут быть различными. Варианты основных структурных схем ОЭД на ПЗС-линейке (ЛПЗС) и ПЗС-матрице (МПЗС) приведены на рис. 6.21. Будучи однострочным вариантом многоэлементных фотоприемников, ЛПЗС значительно проще по своей организации много- 198 и, и, и,и, Рис. 6.21. Структурная схема оптико-электронного датчика на ПЗС-линейке (а) и ПЗС.матри- це (б] строчных фотоприемников. Обычно ОЭД на ЛПЗС содержит один ЗГ, один ФФ, формирователь вспомогательных сигналов ФВС (импульсов управления фотозатвором, затвором переноса и др.), а также ПУУС и ВУ (рис. 6.21, а).

В то же время при реализации ОЭД на многострочном фотоприемнике МПЗС требуются, как правило, три ФФ, управляющих работой секций накопления ФФ (Н), оперативной памяти ФФ (П) и считывающего регистра ФФ (Р). В некоторых случаях по конструктивным соображениям для управления ФФ (Р) целесообразно использовать отдельный ЗГ (ЗГ2, рис. 6.21, б), который синхронизируется от ЗГ! и располагается в непосредственной близости от МП, хотя принципиально оба ЗГ могут быть элементами одного синхрогенератора (СГ).

Возможные практические схемы ФФ и ПУУС, а также рекомендации по выбору элементов для их реализации подробно рассмотрены в литературе. Здесь приведем лишь типичные временнйе диаграммы управляющих сигналов, формируемых этими схемами, чтобы пояснить работу линейных и матричных ФПЗС. На рис. 6.22 показаны временные диаграммы управляющих импульсов для однострочного ФПЗС, содержащего 1024 элемента К1200ЦЛ1.

Этот фотоприемник имеет кремниевую подложку н-типа, поэтому для его нормальной работы на подложку должен быть подан несколько более высокий потенциал, чем верхний уровень импульсных сигналов, показанных на рис. 6.22. Прн таком условии обеспечивается режим обеднения прнповерхностной области подложки основными носителями (электроиамн). 199 !!!!!!!!!!6!!И!!!!!Л!!!!!!1!!!!И Цу фр! Зтр2 'ргбр Ч'я 2йб) грр7(23) смг 20! 200 Рис.

6.22. Временнйе диаграммы управляющих импуль. сов для ПЗС-линейки На первой временной диаграмме показаны управляющие импульсы на фотозатворе Фи. Изменяя длительность импульсов накопления посредством перемещения переднего отрицательного фронта импульса накопления, можно регулировать экспозицию, а следовательно, значения накапливаемых зарядов при фиксированной освещенности на накопительных ячейках.

Это эквивалентно изменению чувствительности ФПЗС к заданному потоку оптического излучения. На других диаграммах показан импульс, управляющий затвором переноса Ф;, Фр! — ФрЗ вЂ” импульсы, управляющие фазами транспортного регистра; Ф,бр — импульсы, управляющие затвором транзистора сброса (см., например, )г2 на рис. 6.16, а). На последней временнбй диаграмме показаны тактовые импульсы, которые можно использовать для синхронизации работы ФПЗС с внешними устройствами обработки сигнала. На рис. 6.23 приведены временнйе диаграммы управляющих сигналов для матрицы ФПЗС с кадровым переносом.

Этн диаграммы соответствуют случаю, когда ФПЗС используют в качестве аналога передающей телевизионной трубки, т. е. в качестве телевизионного преобразователя непрерывного во времени оптического сигнала в видеосигнал. Импульс накопления подается поочередно на первую н вторую фазы секции накопления Ф 1 и Ф 2, что позволяет повысить разрешающую способность телевизионного преобразователя за счет удвоения эффективного числа строк. Рис. 6.23.

Временные диаграммы управляющих сигналов для ПЗС-матри. цы, используемой в качестве телевизионного преобразователя: Ф ! — Ф 3, Ф ! — Ф Ч, Ф ! Ф 3 — управляющие сигналы иа затая ! — 3 секции н н' н п' р р иакоплеимя, секции памяти и регистра переноса; Смг — смесь гасящик импуль- сов телевизионного датчика иа ФЗПС В промежутки времени между периодами накопления на управляющие электроды Ф,1 — Ф,З и Ф 1 — Ф,З подаются последовательности («пачки») импульсов более высокой частоты, обеспечивающие вертикальный перенос зарядового рельефа из секции накопления в секцию памяти.

Число импульсов в «пачках» определяется числом ячеек в столбцах каждой секции. Сигналы управления секцией памяти Фп1 — Ф 3 содержат, кроме того, импульсы построчного вертикального переноса зарядового рельефа из секции памяти в выходной регистр. Фр! — ФрЗ вЂ” сигналы, управляющие выходным регистром. На последней диаграмме показаны строчные ССИ и кадровые КСИ сннхроимпульсы. $6.3. Многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой инжекцней В приборах с зарядовой инжекцией (ПЗИ) накопление зарядового рельефа, адекватного распределению освещенности по рабочей площадке, осуществляется точно так же, как и в ПЗС.

Однако в таких приборах не производится перенос зарядов вдоль подложки к одному общему выходу. Сигнальные заряды считываются с помощью электродов тех же самых ячеек, в которых они были накоплены (рис, 6.24). Детектирование зарядов в ПЗИ может быть организовано путем их инжекции в подложку при снятии напряжения обеднения (хранения) с электродов соответствующих накопительных ячеек. При этом накопленные заряды рекомбиннруют в подложку, а выходной сигнал регистрируется в виде тока в цепи подложки или изменения электростатического потенциала в адресной шине. Такой способ считывания наиболее прост, Однако процесс рекомбинации довольно длнтелен, ои может продолжаться несколько микросекунд, существенно ограничивая допустимую скорость опроса многоэлементного фотоприемника.

Кроме того, в процессе инжекции неосновные носители могут частично собираться в потенциальных ямах соседних ячеек, снижая разрешающую способность прибора. В современных ПЗИ, чтобы устранить указанные недостатки, используют подложки, содержащие специальную диффузионную Ю И„-тОВ аэ-П б1 6--ЗН О;-жа З) И,-а и-и г Рис.

6.24. Принцип работы накопительной ячейки ПЗИ-фотоприемника: накопление заряда в потенциальной яме под левым электродом !а); перетекание заряда в правую, более глубокую потенциальную яму (б); инжекция заряда в подложку при снятии напряжений обеднения с управляющих электродов ячейки (в) область р-типа, расположенную под электродами хранения. Образованный таким образом эпитаксиальный р — п-переход, будучи обратно смещенным (подобно запертому фотодиоду), служит хорошим коллектором инжектированных зарядов неосновных носителей.

Введение эпитаксиального слоя повышает разрешающую способность, снижает постоянную времени процесса инжекцни, но в некоторой степени снижает чувствительность, поскольку часть неосновных носителей, генерированных оптическим потоком, в зазорах между электродами коллектирует в р — п-переход, не попадая в потенциальные ямы. Существует также способ многократного неразрушающего считывания зарядов в ПЗИ. Для его реализации в каждой накопительной ячейке используют не менее двух управляющих электродов, Сигнальный заряд в каждой ячейке определяется измерением наведенного электростатического потенциала в шине, связанной со вторыми электродами ячеек. Наведенный потенциал возникает вследствие перетекания накопленных зарядов из потенциальных ям первых электродов в потенциальные ямы вторых электродов при снятии напряжения хранения с первых электродов ячеек.