Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Светочувствительность (чувствительность) тесносвязана с квантовой эффекrивностью, представляющей отношениечисла зарегистрированных (принятых) зарядов к числу поступающих на светочувствительную область П3С фотонов. Квантовая эффективность-это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на ~tоэффициент преобразованиязаряда фотоносителей в зарегистрированный полезный сигнал.Поскольку коэффициент преобразования заряда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода, являющегося отношением числа образовавшихся в полупроводнике фотоносителей к числу поступающих на полупроводникфотонов. Чувствительность и квантовая эффективность связанымежду собой линейной зависимостью. Часто чувствительностьделят на интегральную (суммарную во всем спектральном диапазоне приемника) и монохроматическую, которая измеряется вмА/Вт и характеризуется потоком излучения в спектральной полосе шириной1 нм.Пороговая светочувствительность часто определяется как минимальная (пороговая) освещенностью объекта, при которой можноразличить переход от черного к белому, или минимальная (пороговая) освещенность матрицы.
Минимально возможное значениеосвещенности обусловлено темновыми токами в каждом элементе матрицы.От числа элементов П3С-матрицы напрямую зависит один изосновных параметров приборов изображения-разрешающая способность, на которую также влияют характеристики электроннойсхемы обработки сигналов и оптики. Разрешающая способность490Раздел4.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИопределяется как максимальное количество черных и белых полос (т.
е. количество переходов от черного к белому, формируемых штриховой мирой с различными пространственными периодами расположения черных и светлых штрихов), которые могутбыть переданы камерой и различимы системой регистрации напредельно обнаруживаемом контрасте. За единицу измеренияразрешающей способности принимается телевизионная линия(ТВЛ). Разрешение по вертикали у большинства камер ограничивается телевизионным стандартом625 строк-телевизионнойразвертки, а по горизонтали камеры имеют разрешение570 иболее ТВЛ.
Эффективное разрешение цветных камер хуже примерно на30-40%, чем черно-белых,поскольку особенности формирования цветного изображения требуют дополнительных элементов, что приводит к дополнительным потерям.Характеристики фотоприемных матриц отражают их функциональные возможности по преобразованию оптической информации в электрический видеосигнал. СветОСflГНальная и частотно-контрастнаяхарактеристикидостаточнополноописываютсвойства матричных ПЗС-фотоприемников. Светосигнальная характеристика (рис.16.28, а)связывает выходноенапряжениеИ вых с входной освещенностью Е, где точка 1 соответствует темновому напряжению Ит на выходе матрицы при Е =О; точкаответствуетрежимуполнена; точканасыщения,когдапотенциальная2ямасоза3 является рабочей точкой.Напряжение насыщения на выходе матрицы Инас зависит отг.Лубины потенциальной ямы используемых МДП-структур исоответствует заполнению ямы зарядами.
Дальнейшая фотогенерация носителей (увеличение Е>Ен) не приводит к увеличению накапливаемого заряда, а следовательно, не приводит и квозрастанию выходного видеосигнала.ивыхкм2икас1и.0,11оЕ,.оЕ,лкFrpб)а)Рис.16.28Fпр• лип/ммГлава18.491Оптоэлектронные приборыЧастотно-контрастная характеристика (ЧКХ) определяет разрешающую способность матрицы, т. е.
возможность приемникаразличать мелкие детали изображения. ЧКХ (рис.16.28, б) -этозависимость коэффициента модуляции входной освещенностиКм=(Щ.<tакс - Емин)/(Емакс+ Емин)(Емакс• Емин -соответственноосвещенность в изображении светлого и темного штриха миры)от параметраF пр -пространственный частоты миры (величины,обратной пространственному периоду штриховой миры, т. е.
расстоянию,равномусуммеширилсоседнихсветлогоитемногоштрихов). Большие значения Fпр соответствуют меньшему расстоянию между штрихами;F прхарактеризуется числом линийна мм (лин/мм). Ход кривой ЧКХ зависит от тех же факторов,что и разрешающая способность прибора.Важным параметром ПЗС является динамический диапазон, определяемый как отношение максимально возможного сигнала,сформированного светоприемником, к его собственному шуму.Для ПЗС этот параметр определяется как отношение наибольше~го зарядового пакета, накапливаемого в пикселе, к шуму считывания.
Динамический диапазон ПЗС достигает значенияИсточниками шумов в ПЗС являются: фотонный50 ООО.J?YM, шумт е м н о в о г о сигнала, шум считывания и шум сброса. Фотонный шум является следствием дискретной природы света, представляющего поток дискретных частиц фотонов. Шум темнового сигнала определяется термоэлектронной эмиссией.Шум переноса связан с перемещением зарядового пакета поэлементам ПЗС, когда часть частиц захватывается на дефектах ипримесях, причем этот процесс носит стохастический хара:ктер.Шум считывания возникает при выводе сигнала из матрицы иего преобразовании в напряжение с последующим усилением.Шум сброса связан с выводом имеющегося заряда из детектирующего узла перед вводом в него сигнального заряда.
Для этойоперации используется транзистор сброса. Поскольку электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкостидетектирующего узла, то это и является причиной шума.16.5. ОптопарыОптопарой называется прибор, содержащий в общем корпусефотоприемник и излучатель, между которыми: осуществляетсяэлектрическое и/или оптическое взаимодействие. ОптическоеРаздел4924.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИвзаимодействие реализуется посредством оптического канала.Оптический канал либо выполняется в виде световода, передающего энергию непосредственно от излучателя к приемнику, либо изготавливается из материала, оптические свойства которогомогут изменяться при внешних воздействиях (управляемый оптический канал).
Иногда между приемником и излучателем отсутствует какой-либо материал и излучение распространяетсячерез воздушный или вакуумный промежуток.Прибор, в котором помимо излучателя, фотоприемника и оптической среды в едином корпусе размещаются и дополнительные микроэлектронные или оптические элементы, в том числеи другие оптопары, называется оптроном. Различают три основныеразновидности оптронов: оптопара с прямой оптической и разорванной электрической связью (рис.16.29, а),оптрон с прямойоптрон с электрической и оптической связями (рис.16.29, б),16.29, в). Нарис.излучатель;электрической и разорванной оптической связью (рис.УС-16.29обозначено: ФП-фот6приемник; И-устройство связи.
Оптопары используются чаще всего в:качестве элемента пра:нтичес:ни идеальной гальванической развязки и подробно будут рассмотрены ниже. Второй тип оптронавыполняет роль преобразователя параметров светового сигнала,т. е. осуществляет усиление, преобразования спектра и поляризации, а также конверсию некогерентного излучения в когерентное и т. д. При использовании многоэлементных фотоприемников можно получить и преобразование изображений. Третий типоптронов, имея цепь обратной связи (ОС, см. рис.16.29, в),U[Гl-LhVJ:flJxмо-hvвых~~ФПиб)а)УСив)Рис.16.29Главаа)16.~93Оптоэлектронные приборыб)в)Рис.г)16.30жет выступать в качестве регенеративного устройства и производить усиление, частичное или полноевосстановление входногосигнала. В таких оптронах возможны самые различные сочетания оптических и электрических входных и выходных сигналов.Рассмотрим более подробно простейший вид оптронов-оптопары. Они обладают идеальной гальванической развязкой,большой широ:кополосностью, простотой конструкции, технологической, эксплуатационной и функциональной совместимостью с интегральными микросхемами.Наибольшее распространение получили оптопары, в которых вкачестве фотоприемников используются: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Оптопары получили название по типу приемника: например, резисторна.л (рис.16.30, а),16.30, б), транзисторная (рис. 16.30, в), тиристорная (рис. 16.30, г). Существует достаточно много конструктивных форм изготовления оптопар. На рис. 16.31, а приведено устдиодная (рис.ройство так называемой «панельной» оптопары с расположением активных элементов в одной плоскостифотоприемник,конструкцияоптическая среда,3-позволяетиспользовать(1 - излучатель, 2 4 - микросхема). Эташирокоприменяемоевмикроэлектронике оборудование для монтажа кристаллов, припайки выводов.
Наиболее перспективны монолитные оптопарыв виде интегрированной твердотельной структуры. Пример устройства такой оптопары приведен на рис.од;2-оптический канал изGaAlAs; 3 -16.31,б(1 -светодифотодиод). Однако внастоящее время характеристики таких приборов имеют невы-234р+Вх---------Вь~:хп-----р+---а)пб)Рис.16.31123Раздел4944.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИсокие надежность и устойчивость к внешним воздействиям,плохие светопередачу и совместимость используемых материалов и т. д.
Кроме того, в большинстве конструкций монолитныхоптопар выводы располагаются с разных сторон кристалла и наразличных уровнях, поэтому при их монтаже требуется специальное нестандартное оборудование.В последние годы началось производство специфического вида оптронов-волстронов-приборов, в которых излучатель ифотоприемник жестко связаны друг с другом отрезком длинного (от десятков см до нескольких метров) волоконно-оптического кабеля. Такие оптроны очень эффективны для применения ввысоковольтной и мощной аппаратуре, в установках с повышенной опасностью для работы обслуживающего персонала и т.
д.Волстроны дешевы, обладают хорошей передаточной характеристикой, высокой надежностью и т. д.Широкое распространение получили оптоэлектронные схемы, включающие оптопары и микросхемы. Например, оптоэлектронный переключатель состоит из диодной оптопары иключевого усилителя. Такое сочетание позволяет добиться полного ·согласования по уровню сигналов со стандартными логическими микросхемами. Существует достаточное разнообразие оптоэлектронных микросхем, находящих применение в различныхобластях.Принцип работы оптопары можно пояснить, используя прибор, представленный на рис.16.31, б.Предположим, на входоптопары «Вх» поступает импульс тока Jвх или напряженияИвх• который преобразуется светоизлучателем1в импульс светового потока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
