Многоэлементные приемники оптического излучения.

К многоэлементным ПЛЭ можно отнести одномерные и двумерные мозаичные приемники, отдельные виды передающих телевизионных трубок, их твердотельные аналоги, например ПЗС.

Применение многоэлементных одномерных приемников позволяет производить сканирование пространства только по одной координате, что упрощает управление оптической системой, в сравнении с ОЭУ, использующих одноэлементные приемники излучения.

Принцип работы мозаичного или матричного приемника состоит в следующем.

Оптическое изображение создает в разделенном на отдельные элементы чувствительном слое приемника пространственный рельеф зарядов или сопротивлений. При считывании электронным способом этого заряда в цепи приемника формируется сигнал, состоящий из импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности в отдельных точках мозаики или матрицы.

Применению этих приемников препятствуют помехи на изображении, вызванные большой емкостью считывающих шин и разбросом ее значений для различных участков матрицы.

Приборы с переносом заряда (ППЗ) перспективны для применения в ОЭУ. По принципу работы ППЗ можно разделить на две группы: ПЗС и приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Нужно отметить, что ПЗИ отличается от ПЗС существенно более сложной структурой системы вывода СИ и связанной с этим на несколько порядков большей выходной емкостью прибора.

Основой ПЗС является конденсатор со структурой металл - оксид-полупроводник (МОП - конденсатор.) Именно МОП - конденсатор является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под, воздействием света или путем инжекции через р-п переход.

Достоинствами ПЗС - линеек и матриц как приемников, кроме отмеченных выше, являются высокое разрешение.

Основными недостатками с точки зрения приема оптического излучения является геометрический шум – неоднородность темнового тока и чувствительности отдельных элементов матрицы ПЗС, достигающая единиц и даже десятков процентов.

Приемники на ПЗС успешно используются для создания анализаторов, определяющих координат малоразмерных изображений. Для них можно применить ряд специальных алгоритмов обработки сигналов и получить высокую точность измерений, характеризуемую погрешностями в десятые и даже сотые доли размера одного элемента.

Многоэлементные фотоприемники – это устройства, которые воспринимают не только яркостно-временные, но и пространственные характеристики объектов, т.е. их полные зрительные образы. В этих фотоприемниках фоточувствительная поверхность состоит из большого числа элементарных фоточувствительных ячеек. С помощью оптической системы изображение предмета фокусируется на этой поверхности. Отклик каждого элемента в виде генерирования тока, заряда или напряжения пропорционален его освещенности. Таким образом яркостная картина преобразуется в электрический рельеф.

Для считывания этого рельефа все многоэлементные фотоприемники имеют систему сканирования. Она производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в них информации. В конечном счете на выходе устройства получается последовательность импульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ. Таким образом, в многоэлементных фотоприемниках решаются две задачи: фотопреобразование и сканирование.

В настоящее время наибольшее применение находят фотодиодные матрицы и оптоэлектронные приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Фотодиодные матрицы обычно изготавливаются в виде больших интегральных схем (БИС), в которых сформированы структуры фотодиодов и элементы системы сканирования (рис. 4.12).

Сдвиговый регистр, тактируемый синхроимпульсами, с помощью МОП-ключей поочередно подключает каждый фотодиод к выходной шине, и с снимается видеосигнал. Такие фотоприемники могут содержать до 2 тысяч фотодиодов с шагом между ними 5-15 мкм. Частота выборки 10-20 МГц позволяет создавать быстродействующие устройства. Разработаны строчные (линейные) и матричные (плоскостные) фотоприемники. Однако при большом числе элементов разложения они получаются очень сложными. Эти приборы используются в устройствах считывания информации с перфолент, считывания почтовых индексов, товарных ярлыков, в фототелеграфии.

Рис. 4.12

Наиболее перспективными среди многоэлементных фотоприемников являются ПЗС. Они представляют собой линейную или двухмерную матрицу одинаковых МОП-элементов, которые расположены на кристалле так близко друг от друга, что между соседними элементами возникает связь. Наиболее простую конструкцию имеют трехтактные ПЗС (рис. 4.13).

Рис. 4.13

Если к электродам 1 приложено отрицательное напряжение, то под этими электродами образуются обедненные электронами области, которые представляет собой потенциальные ямы для дырок. При освещении такой структуры светом образовавшиеся фотодырки накапливаются в потенциальных ямах, причем величина их зарядов пропорциональна облученности окрестности соответствующих электродов. Заряды неравновесных фотодырок хранятся достаточно долго, пока рекомбинационные процессы не приведут к их исчезновению (стиранию информации).

При подаче на электроды 2 более отрицательного напряжения, чем на электродах 1 () под этими электродами образуется более глубокая потенциальная яма, и фотодырки перемещаются под электроды 2. Затем напряжение на электродах 1 убирается, а на электродах 2 снижается до . Таким образом, заряд фотодырок сдвигается на один шаг вправо. Затем подается на электроды 3 и т.д. В результате все заряды фотодырок, в соответствии с тактовой частотой, последовательно подходят к выходному p-n переходу и в нем преобразуются в фототок.

Если быстро выводить все заряды после некоторой паузы, в течение которой формируется зарядовая картина освещенности ПЗС, то на выходе будет формироваться последовательность видеоимпульсов, отображающих интенсивность засвета каждого участка ПЗС.

Таким образом, ПЗС – это динамические приборы, так как в статике за счет рекомбинации и генерации носителей в полупроводнике происходит уничтожение зарядовой картины освещенности. Минимальная тактовая частота ПЗС составляет сотни Гц. Накопление, хранение и передача оптической информации в ПЗС обеспечивается одними и теми же элементами. Это обусловливает простоту и низкую стоимость изготовления многоэлементных приемников. На одном кристалле можно получить до 10⁵ элементов.

В оптоэлектронике применяются строчные и матричные ПЗС. Основные области применения ПЗС: оптические запоминающие устройства; твердотельные формирователи телевизионных видеосигналов; схемы задержки аналоговых сигналов.