Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 37
Текст из файла (страница 37)
й 7.3). Некоторые ПЧФ, работающие на основе объемных эффектов в полупроводниках, применяют как времяимпульсные анализаторы. К числу наиболее распространенных аналоговых развертывающих фотоприемников относятся сканисторы, принцип действия, достоинства и недостатки которых были рассмотрены выше (см. б 6.6). Другим примером анализатора изображений на базе РФ может служить фотоприемник с радиально-тянущим полем (рис. 7.13). На полупроводниковую пластину 4 наносятся металлический кольцевой б и точечный 6 электроды. К этим электродам подключен источник напряжения 7, который создает в пластине тянущее радиальное электрическое поле. Внутри металлического кольцевого электрода 2 расположен развертывающий элемент, который может быть выполнен или в виде кольцевых электродов (рис. 7.13, а), или в виде спирали (рис.
7.13, б). При наличии развертывающего элемента в виде кольца два иа б 3 1 е) Рве. 7.13. Полупроводниковые фотоприемники-анализаторы с радиально-тянущим полем 197 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико.электронных приборов дополнительных кольцевых электрода 2 и 3 образуют с полупроводниковой пластиной р-яр- или п-р-и-структуру. В результате приложения к электроду 3 пилообразного напряжения от генератора 1 и к концам электрода 2 постоянного напряжения в пластине возникает вполне определенное (линейное) распределение потенциалов.
Эквипотенциальными линиями в данном случае будут концентрические окружности, центром которых является точечный электрод 6. причем значение потенциала от окружности к окружности растет линейно. Процесс сканирования происходит следующим образом. Если спроецировать изображение объекта на полупроводниковую пластину внутри развертывающего элемента, то в освещенных участках полупроводника будут возникать неравновесные носители тока, которые под действием радиального электрического поля начнут двигаться по радиусам в направлении к кольцевому электроду и будут достигать развертывающего элемента.
Количество носителей, попадающих на определенный участок развертывающего элемента за некоторый промежуток времени „будет обратно пропорционально расстоянию от крайнего элемента изображения до соответствующего участка развертывающего элемента. В момент времени, когда наступает равенство линейно распределенного и развертывающего напряжений, переход в определенном участке открывается и с развертывающего элемента снимается ток, несущий информацию о количестве неравновесных носителей, пришедших на данный участок.
Если выходной сигнал продифференцировать, то результат будет характеризовать анализируемое изображение, т.е. повторять во времени распределение неравновесных носителей тока, попадающих на развертывающий элемент, что в свою очередь адекватно очертанию изображения. Принцип работы РФ со спиральным развертывающим элементом (рис. 7.13, б) аналогичен принципу работы приемника с кольцевым развертывающим элементом.
В этом случае дополнительный(развертывающий) электрод в виде р-п-перехода, имеющий форму спирали, нанесен на полупроводниковую пластину 4 таким образом, что составляет вместе с ней р-и-р-структуру. Линейное распределение потенциалов вдоль спирали достигается тем, что форма спирали выбирается с учетом характера распределения электрического поля внутри пластины. Сканирование изображения осуществляется при изменении во времени развертывающего напряжения, подаваемого генератором пилообразного напряжения на верхний слой развертывающего элемента (спирали).
Глава ?. Анализаторы изображения оптико-электронных приборов Из других аналоговых (непрерывных) РФ которые могут выпол нять функции анализаторов изображения, отметим видисторы оры, приемники на основе магнитоконцентрационного эффекта Суля, РФ на основе эффекта шнурования тока в некоторых полупроводниках, на основе многослойных р-и-структур и ряд других. В отдельных образцах таких устройств достигнуто разрешение порядка нескольких микрометров.
Однако широкого распро аспространения такие анализаторы пока не получили, что объясняется, в частности, недостаточной стабильностью их параметров и характеристик в сложных условиях эксплуатации. Предпочтение отдается дискретным РФ (фотоматрицам, ПЗС и др.), рассмотренным в 3 6.7 и ниже в 37.9. Селективно-преобразовательные фотоприемники используются в качестве анализаторов обычно для выделения в плоскости изображений зон с заданным значением параметра изображения, например уровня освещенности, или зон определенной формы. В качестве такого анализатора можно использовать устройства, представленные на рис.
7.13, если на выходе установить пороговую схему, настраиваемую на срабатывание лишь при превышении определенного уровня освещенности. При площади анализатора 30 мм его удельная разрешающая способность может достигать 10 лин/мм при общем числе элементов разрешения 90 и быстродействии порядка 10 ~ с. Всем рассмотренным анализаторам в большей или меньшей степени свойственны определенные достоинстве, указанные выше для скаиисторов. К недостаткам, ограничивающим их применение, следует отнести нестабильность параметров в различных условиях работы, малые размеры анализируемых площадей, недостаточное для ряда применений разрешение и др. у.а.
.9. Многоэлементные (мозаичные и матричные) приемники излучения как анализаторы изображений Ши рокое распространение в качестве анализаторов изображения получили приемники излучения с дискретной структурой фотослоя и прежде всего полупроводниковые приемники в виде мозаик или матРиц. П ин ип р ц работы мозаичного или матричного приемника в качестве анализатора состоит в следующем.
Оптическое изображение соМает в разделенном на отдельные элементы чувствительном слое п изми ик п а пространственныи рельеф зарядов или сопротивлений. При ое присчитывании электронным способом этого заряда в цепи приемника ферми ется ру сигнал, состоящии из импульсов, амплитуда которых пропо и н Рицы. рц о альна освещенности в отдельных точках мозаики или мат- 198 ЮГ.
Якушенкоа. Теория и расчет оптико-злвктронных приборов Разрешающая способность таких анализаторов зависит не только от размеров элементов мозаики или матрицы, но и от способов обработки сигналов, снимаемых с атих элементов. Повысить разрешающую способность удается с помощью дифференцирования сигналов, использования способа двойной коррелированной выборки, принудительного сканирования изображения по матрице или мозаике с последующим интегрированием сигналов, придания сигналам, снимаемым с различных элементов, различных «весов», т. е. усиливая их по-разному, н др. (см.
последующие главы настоящей книги). К этому типу анализаторов можно отнести отдельные виды передающих телевизионных трубок, их твердотельные аналоги, например ПЗС, одномерные и двумерные мозаичные приемники, дискретные сканисторы. Как и аналоговые полупроводниковые приемники-анализаторы, дискретные приемники-анализаторы можно подразделить на: позиционно-чувствительные, создающие сигнал, в котором содержится информация о координатах изображения излучателя (обычно малоразмерного) в плоскости анализа или о взаимном расположении нескольких изображений; обычно эта информация содержится в амплитуде сигнала; развертывающие дискретные приемники-анализаторы, которые иногда называют твердотельными аналогами передающих телевизионных трубок (см. 5 6.6 и 8.5); селективно-преобразующие приемники-анализаторы, в которых одновременно с преобразованием оптического сигнала в электрический происходит первичная обработка информации, например, оконтуривание, фильтрация, выделение движущихся изображений или изображений определенной формы и т.д.
Физические принципы работы таких приемников-анализаторов были описаны выше, поэтому кратко рассмотрим лишь некоторые их особенности, важные с точки зрения выполнения ими функций анализаторов. Обобщенная схема фотодиодного матричного анализатора представлена на рис. 7.14. На пластину полупроводника сут-и-переходамн нанесены две группы взаимно перпендикулярных металлических токопроводящих шин. Развертка изображения осуществляется путем поочередного опроса пересекающихся шин, между которыми включены отдельные фотодиоды.
Например, строчная горизонтальная развертка производится путем последовательных вдоль первой строки переключений столбцов (от 1 до у): 1 и 2, ..., 1 и у, затем вдоль второй строки: 2 и 1, 2 н 2, ..., 2 и у и т.д. Переходы от токопроводящих шин к 200 Глава Т. Анализаторы изобраквния оптико-электронных приборов фотослою, расположенному между ними (рис.
7.14, б), осуществляются через разомкнутые ключи — полупроводниковые диоды или транзисторы, расположенные в местах пересечения шин. Эти ключи выполняют роль коммутаторов с проводимостью, сильно различающейся в замкнутом и разомкнутом состояниях. Нормальным положением ключа является разомкнутое. Прн совпадении импульсов, идущих от генераторов развертки, происходит замыкание и соответствующий фотодиод подключается к выходу. Таким образом на выходной нагрузке образуется видеосигнал. Рис.
7.14. Схема фотодиодного матричного анализатора: а — схема включения; б — поперечное сечение полупроводниковой структуры; у и 2 — генераторы вертикальной и горизонтальной развврток; 3 — пвпи видвосигиаяов; 4 — горизонтальные шины; Б — фотослой; б — ввртикальныв шины Очевидно, что в каждый момент времени к выходной нагрузке должен быть подключен лишь один элемент матрицы. Тогда видеосигнал повторяет во времени (при развертке) закон распределения осве1ценности на поверхности матрицы.
В таких анализаторах можно задавать различные типы разверток — строчную (горизонтальную) и кадровую (вертикальную), т.е. осуществлять не только последовательную, но и достаточно произвольную выборку оптического сигнала— Распределения освещенности в изображении. Кроме фотодиодной структуры в матрицах-анализаторах используются фоторезисторы, фототранзисторы и другие фотоприемные структуры. Очевидно, что постоянная времени элемента фотослоя долЯсна быть меньше времени коммутации, т.е. времени переключения элементов. Можно также осуществить работу матрицы в режиме на- 201 Ю.Г.
Якушенков. ТеоРия и расчет оптико-электронных приборов копления, если постоянная времени элемента фотослоя будет больше времени коммутации. Хотя в этом случае чувствительность анализатора повысится, однако осуществить произвольную выборку сигнала уже не удастся. Принцип коммутации (переключения) матрицы можно пояснить с помощью рис. 7.15. При поступлении импульса У от генератора развертки на элемент матрицы А (фотодиод), куда подано обратное смещение, «конденсатор» элемента заряжается до максимального значения импульса развертки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
